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摩擦辅助扩散焊接

发布人:管理员 发布时间:2022-12-31

本文涉及一种新的扩散焊接
工艺及其实施该工艺的装置。该过程依赖于即时机械摩擦处理的辅助来减少氧化并克服存在于接头界面处的任何氧化物屏障,从而有助于扩散和聚结。在工艺保温温度下的摩擦处理过程中,焊接界面处的微观混合也会发生。

传统的扩散焊接技术包括两种形式的工艺 - 固态和液相。在前者中,所有反应都在固态下进行,而在后者中,通过在接头界面处使用插入材料形成液相。液相中涉及的扩散键也称为瞬态液相键。扩散焊接工艺在镍基或钴基高温合金、铝合金以及钛合金等航空航天材料的连接中通常很成功。然而,这些过程高度依赖于应用受控气氛、复杂的接头表面处理和助焊剂应用来克服接头界面处的氧化物屏障,防止接头处的扩散、润湿和聚结。

而已知的摩擦焊接技术包括要连接的两个元件界面处的旋转运动或线性往复运动。这两种技术都依赖于摩擦作用来产生形成冶金结合所需的热量。旋转式摩擦焊接受到待连接元件的环形配置要求的限制,而线性摩擦焊接需要施加非常高的压缩压力。每种技术都会在接头界面处产生大量的塑性变形。

旋转运动型摩擦焊接方法与感应加热的组合,应用了额外的感应加热,旨在对摩擦焊接操作之前和/或之后要连接的元件进行热处理。该工艺基本上具有与任何传统的旋转式摩擦焊接技术相同的局限性,这些技术需要对要连接的元件进行环形配置,并在接头处产生明显的塑性变形。 
概述公开了一种在要焊接的两个元件的关节界面处借助瞬时机械摩擦将两个元件扩散粘合在一起的工艺和装置, 其中,要粘合的区域或整个焊接组件通过局部加热方法或熔炉加热。在该工艺的加热和保温操作阶段,施加并保持轴向压缩力以使构件接触并在接触界面处仅产生局部微观塑性变形。轴向力可以是常数,也可以是变量。如果力是恒定的,则只需将其保持在接头处产生压粘合应力的水平,该应力略低于整个加热和保温操作期间元件在保温温度下的压缩屈服强度。如果力是一个变量,那么压缩结合应力积必须调整单元的屈服强度变化,因为屈服强度在加热过程中随温度变化。在加热和保温操作期间,可变的压粘应力始终保持在略高于元件的压缩屈服强度的水平。在工艺的某些阶段,通过在接触面之间引入小规模的相对运动,在接头处进行即时原位机械摩擦处理。摩擦运动可以是旋转式或线性往复式,具体取决于个别应用。该工艺中的即时原位摩擦处理绝不是为了在接触界面处产生摩擦热以锻造粘接。摩擦作用仅用于破坏要粘合的界面处的氧化层,并有助于使新鲜的散装材料直接接触。瞬时摩擦作用还会在元件的接合界面处产生局部材料混合。温度、压力、瞬时摩擦和在连接界面处施加的时间的组合不会对元件产生任何明显的宏观塑性变形。

优选实施例的详细描述
如图1所示,用于将元件1和2相互粘合的摩擦辅助扩散焊接装置的第一实施例分别涉及将元件放置在钳口或块3和4中。其中一个元素(在本例中为元素 1)由钳口或块 3 保持静止,而另一个元素(元素 2)可由钳口或块 4 绕轴 13 移动。轴 13 穿过曲面 S2 的质心,而轴 14 穿过曲面 S1 的质心。钳口或块4通过离合器12连接到机械装置8(也表示传动电机系统或机械振动器)和液压泵9。

液压泵 9 沿轴 13 来回移动元件 2,并在粘接操作期间在表面 S1 和 S2 之间施加并保持可控的轴向力 F。机械装置8能够在轴向力F的作用下提供元件2绕轴线13相对于静止元件13的旋转运动或线性往复运动。

元件1和元件2之间接触区域的瞬时机械摩擦处理可以通过接合和分离离合器12进行。根据特定应用,通过在接合表面 S1 和 S2 处进行局部加热或炉加热来加热粘合组件。如果需要局部加热,则可以使用感应加热线圈5或任选的由电源单元10直接电加热。感应线圈5(或炉5)与电源单元7连接。具有脉冲能力的电源单元10提供更好的加热控制。

如果采用炉子加热,则表面 S1 和 S2 的加热不再非常局部。在加热过程中,传感器6测量接头处的温度并向控制单元11发送信号。传感器6可以是远程型或热电偶。与传感器6一起,电源单元7和10、液压泵9、离合器12和机械装置8都连接到控制单元11。

控制单元11的核心元件是一台台式计算机,该计算机具有预装的数据库,其中包含待连接元件的温度压缩屈服强度关系的信息,以及用于控制所有过程变量和协调所涉及的每个单独设备的动作的适当软件。

传统的扩散焊接工艺有四个主要工艺变量,包括温度、时间、轴向压力(通常是恒定的)和氧化物去除。氧化物去除可以通过大气控制、助焊剂应用和其他粘合表面处理方法来完成。本文的工艺还包括四个变量,包括轴向压力、温度、瞬时摩擦处理和时间。在本文中,在要焊接的接触表面上引入瞬时摩擦能够使该过程对传统的氧化物去除方法的依赖性大大降低。

这些变量的控制以及本文的工艺顺序描述如下:
粘接轴向压力选择 - 为了开始该过程,元件 2 通过液压泵 9 通过钳口或块 4 向元件 1 移动,使得表面 S1 和 S2 相互接触。通过轴 13 的轴向力 F 保持接触。轴向力F应在表面S1和S2之间产生压结应力a,该应力略低于元素o的峰值温度压缩屈服强度。如果涉及不同的材料,则在工艺的保温温度下,从具有较低o的元素中选择o。轴向压力在工艺的整个加热和保温期间保持不变。

焊接温度控制 - 在接触面 S1 和 S2 施加轴向压力后,可以通过在 S1 和 S2 的接触区域或熔炉进行局部加热来加热粘合组件。如果需要局部加热,则使用感应加热线圈5或直接电阻加热电源10或这两种方法的组合。接头处的温度由传感器6监测并将信号发送到控制单元11。当接头界面S1和S1处的温度达到扩散键合过程的预定保持温度时,控制单元11随后在该过程的剩余时间内保持该温度。

即时摩擦辅助和控制 - 除了粘合轴向压力选择和温度控制外,本文还集成了瞬时机械摩擦处理功能,旨在产生紧密的间隙并打破接触面S1和S2之间的任何氧化物屏障。在扩散键合过程的某些阶段,元件2围绕轴线13的瞬时旋转(如果装置8是传动电机系统)或线性往复运动(如果装置8是机械振动器)在轴向力F的作用下对固定元件1引入,在元件1的表面S1和元件2的表面S2之间的接触区域产生瞬时摩擦作用。上述瞬时摩擦处理是通过钳口或块4与机械装置8之间的离合器12啮合和分离来进行的。

一步摩擦方法是在接头界面达到保持温度时对 S1 和 S2 之间的接触区域进行即时摩擦处理。两步摩擦方法包括在加热操作开始之前开始第一次瞬时摩擦处理,然后在接头处达到工艺保持温度后立即进行第二次瞬时摩擦处理。第一个摩擦作用旨在增加接合面S1和S2处的微观塑性变形,以便在加热前增加接触面积。这将减少在随后的加热操作中S1和S2处接头界面氧化的趋势。第二种摩擦处理旨在打破接头界面S1和S2处的任何氧化物屏障,并使来自元件1和元件2的新鲜散装材料直接接触,以便元件之间的相互扩散可以进行。来自元件 1 和元件 2 的散装材料在接头界面 S1/S2 处的有限微观混合是通过瞬时摩擦处理以及在保压温度下实现的。与已知的摩擦焊接技术不同,本发明中的摩擦处理始终保持在非常有限的规模内,并且仅瞬时应用。在此过程中,摩擦作用不是为了产生焊接热量而设计的。有限旋转规模或线性往复运动分别定义为几轮旋转或几个振动周期。

由于本文中描述的瞬时摩擦处理的性质,与已知的摩擦焊接技术不同,没有要求元件1和元件2在配置上是环形的,轴14和轴13是对齐的。

此外,在工艺保持温度下,与线性摩擦焊接工艺所需的轴向压力相比,所需的轴向压力大大降低。

保温时间 - 在保压温度下对表面 S1 和 S2 的接触面积进行摩擦处理后,保压时间成为过程中唯一剩余的变量。本文中的保温时间取决于保压温度、所选的轴向压力以及所涉元素的冶金/物理/化学性质。在保持温度下,元件1和元件2之间的充分扩散对于形成坚固的接头至关重要。可以优化保持时间,以实现接头的理想机械性能。同时,接头界面S1/S2与元素1和元素2中的散装材料之间的扩散也溶解了界面区域中残留的某些类型的残留氧化物。

由于其独特的氧化物屏障破坏能力,本文使扩散焊接工艺对大气控制、助焊剂应用和其他焊接表面处理方法的依赖性大大降低。铝合金6061和铬镍铁合金X750的结合面积为3-4 cm2,利用本文在开放气氛中成功粘合。铝合金的添加采用保温温度为450°C的炉子加热和保温温度为1000-1060°C的感应加热。瞬时摩擦处理不仅有效地打破了两种合金在接头界面处的氧化物阻挡层,而且还促进了紧邻元件键界面的区域的局部晶粒生长,使得S1和S2两侧的晶粒容易相互推进。这是一项即使是真空扩散焊接也不容易实现的成就。真空扩散焊接铝合金6061的拉伸测试样品在母体材料中经常失效。在显微镜的检查下,真空扩散焊接铬镍铁合金X-750的连接界面在短短20分钟的粘接时间内几乎消失。本文的应用特别适合于扩展以加入某些种类的金属基复合材料和氧化物分散强化高温合金。

根据具体的应用,本文可以假定另外两种变化。

如图1所示,第一实施方案的一种变化包括施加在轴13上的轴向力F的变化的可能性,使得在表面S1和S2的接触面积处产生的结合压应力6G总是调整压缩屈服强度的变化,元素1和2的Cr并产生恒定的rr, 比略小于O,比单位。在整个过程中保持恒定的ab~比。在连接不同材料的情况下,o是从峰值温度下具有较低o的元素中选择的。对于利用可变轴向压力的过程,在加热期间,传感器6连续监测接头处的温度升高,并向控制单元11发送信号,在那里将它们与数据库进行比较。然后控制单元通过液压泵9进行相应的调整,以减小接头面S1和S2处的轴向力F,使得ab~o,比值保持恒定。在接合面S1和S1的温度达到预定的扩散焊接保持温度后,控制单元11在剩余的保持时间内分别通过电源单元7和/或10和液压泵9来维持温度和轴向力F。在整个粘接操作过程中,保持恒定的Qb o,比率可以在表面S1和
S2之间建立紧密的间隙,从而降低接头处高温界面氧化的可能性。

利用本文的第二实施例的本文的其它变体如图2所示。在该图中,与图1中
具有相同或相似功能的元件由这些相同的附图标记表示。可以看出,元件1和2要连接在一起,并且如在前面描述的实施例中,分别夹在钳口或块3和4中。由元件 15 表示的刀片材料放置在 S1 和 S2 的表面之间。元素 15 可以是用于瞬态液相 (TLP) 键合工艺的填充材料,也可以是箔或过去形式的任何传统钎焊填充材料。元素 15 也可以是应用于 S1 和/或 S2 表面的专用涂层。利用该实施例的粘接程序类似于应用于图1所示的第一实施例的粘接程序。

与传统的钎焊和瞬态液相焊接技术相比,利用第二实施例在本文描述的表面S1和S2的接触区域传递的轴向压力和瞬时摩擦处理,不仅可以挤出任何多余的液体插入材料,否则这些材料可能会滞留在接头处,而且还能够消除许多固态扩散焊接过程中在接头处形成的微空隙。通过引入插入材料参与液相也有助于克服在某些固体扩散焊接过程中与接头界面 S1 和 S2 边缘附近缺乏粘合相关的任何潜在问题。


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