CN101856757B - 铝合金的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝及铝合金材料的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，应用于铝及铝合金材料的焊接。该方法用铝基合金粉末介质或锌铝粉末钎料介质作为填充层，改善难焊铝合金材料的焊接初期接触电阻。以电阻热为焊接热源，在电阻热的作用下，同时发生材料待焊表面的部分熔化和粉末介质的快速熔化，形成合金钎料。在适当大小的电极压力冲击作用下，使氧化膜破碎，促进粉末介质在待焊材料界面处产生共晶反应，并依靠异种金属间的扩散作用，在界面处形成共晶体，从而实现材料的可靠连接。该方法可以在大气环境下或者惰性气体保护环境下实现焊接，灵活性较强，具有较为理想的工程意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，适用于铝及铝合金板材、线材，尤其是难焊铝合金材料的焊接。
背景技术
由于铝和铝合金所具有的物理化学性能，在焊接过程中容易产生一系列的问题，主要表现为：
(1)铝合金等金属材料具有较大的热导率以及较小的电阻率。在焊接过程中，大量的焊接热量被迅速传导到金属基体及周围环境中而损失掉。因此，需要相对更高的焊接能量作用才能实现这类材料的高质量焊接。
(2)铝与氧的亲和力大，在大气环境下，容易与氧形成具有高熔点的致密氧化膜，在焊接过程中阻碍金属熔融，从而形成夹渣缺陷，或者在焊缝中产生气孔。
(3)铝合金的线膨胀系数约为钢的两倍，焊接时，往往由于较大的内应力而产生变形，甚至在脆性温度区间产生热裂纹。
(4)由于电阻焊接时需要较高的焊接电流，使铝合金材料与电极材料之间容易发生合金化而在电极表面产生点蚀，从而影响焊接质量的提高，也极大地降低了电极寿命。
使用粉末状的钎焊料，以钎焊的连接方法连接铝及铝合金材料的典型例子公开在CN1211484中，其中使用的粉末钎焊料在焊接前，被加热熔化，使其预熔在被焊材料表面，形成致密的固态钎料层，再用钎焊法将钎料层重熔，并实现被焊材料的钎焊。另外，在公开的CN86102511中，汽车、拖拉机的起动电机电枢焊接时，以喷枪加热的热喷涂形式，使粉末钎焊料在焊接前预熔在工件焊接面上，再通过电阻加热使钎料重熔后达到电阻钎焊的目的。
在电阻焊过程中，材料可焊性的好坏在很大程度上取决于材料的接触电阻大小。而铝合金这类材料，接触电阻较小，因此电阻焊可焊性较差，影响了在汽车等大量使用铝合金材料行业的焊接质量的提高。对于常用的钎焊工艺，例如电弧钎焊焊接铝合金，由于钎料的熔点和铝及铝合金材料的熔点相差不大，因而钎焊质量也难以控制。这些问题也一直影响着铝合金在工业生产中的应用。
本发明提出的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法与现有的使用粉末钎焊料的钎焊技术相比，减少了粉末钎焊料的预熔工序，在粉末介质熔化的同时形成焊接接头。并且，为了避免电阻焊时，铝合金这类材料接触电阻小、可焊性较差的缺点，将一定粒度的铝基粉末介质层均匀喷洒或涂敷在待焊工件表面，利用粉末介质与待焊工件表面形成的局部点接触，既有利于改善工件待焊表面的焊接初期接触电阻，提高焊接时通过待焊工件接触面的焊接电流密度，又有利于在电阻热作用下使粉末介质填充层快速熔化，并在电极压力作用及其保压作用下使母材与填充层间产生共晶条件下的扩散反应，从而成功实现焊接。综上所述，同时具有以上特征的焊接技术在国内外未见有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容易实施的，以铝基合金粉末介质或锌铝粉末钎料介质作为填充层的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，使铝合金等可焊性较差的金属材料的焊接初期接触电阻得到改变，在相对较小的电流作用下，提高通过待焊工件内部的焊接电流密度，并辅以适当电极压力，使母材及熔化的粉末填充层间产生共晶条件下的扩散反应，从而形成可靠的连接。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术措施：
一种铝及铝合金的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，按以下步骤进行：
(1)将铝基合金粉末介质或锌铝粉末介质用丙酮溶液混合均匀；
(2)在待焊工件的焊接面均匀喷洒或均匀涂敷所述粉末介质，在待焊工件的焊接面之间形成厚度均匀的粉末介质填充层；
(3)待粉末介质填充层的丙酮挥发后，装夹待焊工件于上下电极之间，使附着粉末介质的待焊工件焊接面紧密接触；
(4)施加电极压力冲击，并在冲击力作用下压紧待焊接面，通过电极压力冲击作用使基体表面氧化膜破碎，在后续工艺过程中保持压力的作用。
(5)通焊接电流，产生电阻加热效应，使粉末介质熔化形成合金钎料，在压力作用下发生共晶反应，并在焊接界面产生扩散作用；
(6)停止焊接电流作用，保持电极压力一定时间，至焊件自然冷却；
(7)停止电极压力作用，上下电极移开，完成焊接。
所述的焊接环境为大气环境下施焊，或惰性气体如氩气保护下施焊。
所述的待焊工件为板材或线材，焊接接头形式主要是搭接接头。
所述对待焊工件及粉末介质填充层的加热为焊接电流作用下产生的电阻热效应，焊接电流为单一主焊接电流形式或主焊接电流加辅助焊接电流形式。
所述的上下焊接电极的端面为球面形，另外，也可采用圆锥台形。
在焊接过程中，待焊工件焊接面少量熔化或不产生熔化，粉末介质在待焊材料界面处产生共晶反应，并依靠异种金属间的扩散作用，在界面处形成共晶体，从而实现材料的可靠连接。
本发明的创新在于粉末介质的施加改变了焊接成形机理，改善了材料的可焊性。铝合金的粉末介质扩散反应电阻钎焊示意图如图1所示，其焊接成形机制如图2所示。由于粉末介质2的颗粒状形状特征，从微观上看，粉末颗粒之间以及粉末颗粒与待焊工件1之间的接触面积大大减小，从而提高了待焊材料的焊接初期接触电阻。另一方面，粉末颗粒之间也构成了若干相对微小的导电通道，使焊接过程中，在不提高焊接电流绝对值的前提下，电流密度得以大大提高。因此，在焊接初期，粉末介质2的施加使材料接触电阻提高，从而获得实现材料熔化所需要的大量电阻热。界面间的电阻热使粉末介质填充层2产生熔化，在连接界面间形成液相8，并在电极压力5的作用下使连接界面处的氧化膜9破碎。由于电极端面的球面形或圆锥台形状，破碎的氧化膜9按照熔化液相对流方向10而流向焊接接头的边沿，使焊接接头中的氧化膜量得以减少，从而提高焊接接头的质量。在焊接的中期，上下电极3、4产生的电极压力5迫使待焊材料界面接触良好，并在焊接电流的继续作用下与粉末介质填充层2一同被加热到共晶温度以上。配制的粉末介质填充层2利用异种金属形成共晶的特点，依靠金属间的相互扩散作用，在界面处形成共晶体，并作为钎料把待焊工件1连接在一起。在焊接的后期，焊接电流停止作用，但继续维持电极压力5的作用，以保证在缓慢冷却过程中得到可靠的焊接接头。
本发明提出的铝合金的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，可以实现铝及铝合金材料的可靠焊接，是对铝合金焊接加工方法的丰富与补充，具有以下优点和效果：
(1)粉末介质与待焊接工件表面形成若干点接触界面，利用粉末颗粒与待焊材料的接触面的变化提高材料待焊部位的焊接初期接触电阻，从而改善难焊材料的焊接性。
(2)粉末颗粒之间构成若干相对微小的导电通道，在不增加焊接电流绝对值的前提下，使通过材料待焊部位的电流密度得以大大提高，从而获得焊接初期所需要的大量电阻热。
(3)焊接过程中，待焊工件焊接面少量熔化或不产生熔化，粉末介质填充层在电阻热作用下加热到共晶温度以上，在界面上发生共晶反应形成共晶体，依靠异种金属间的扩散作用实现可靠连接。
(4)利用电极压力的作用破碎填充界面的氧化膜。
(5)利用球面形电极的挤压作用，并在熔融钎料的对流作用下排出破碎的氧化膜，从而形成可靠焊接接头。
(6)粉末填充介质配方灵活，可改善焊缝金属的冶金行为。
(7)在大气环境下或惰性气体保护下实现铝及铝合金材料的焊接，焊接表面无需特殊清理，焊接效率高，成本低，接头可靠，具有较为理想的工程实用意义。
附图说明
图1是铝合金的粉末介质扩散反应电阻钎焊示意图。
图2是图1中区域A的铝合金粉末介质扩散反应电阻钎焊成形机制示意图。
图3、图4分别是实施例1和实施例2的焊接工艺流程示意图。
图中，1铝合金工件、2粉末介质填充层、3上电极、4下电极、5上下电极压力、6焊接电流、7焊接电源、8液相、9破碎的氧化膜、10液相对流方向；
F电极压力、I焊接电流、I1主焊接电流、I2辅助焊接电流、t1电极压力持续时间、t2焊接电流持续时间、t3辅助焊接电流持续时间。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：待焊材料的装夹及焊接工艺流程分别如图1、图3所示，为单一主焊接电流形式的焊接工艺。2024铝合金工件1为两块厚度为1mm的平板结构的搭接。将铝基粉末介质用丙酮混合均匀后，由压力喷洒器均匀喷洒在铝合金工件1待焊部位的表面，形成粉末介质填充层2。设定主要焊接参数为：焊接电流I＝10000A，电极压力F＝2350N，焊接电流持续时间t2＝2.0s。待粉末填充层的丙酮挥发后，将待焊平板工件搭接，装夹于上下电极3、4之间。施加电极压力F，使待焊工件压合紧密。保持电极压力F的作用，施加焊接电流I，持续时间为2.0s。焊接电流作用结束后，保持电极压力F一定时间，至焊接结束。移开上下电极3、4，取下工件。
实施例2：待焊材料的装夹及焊接工艺流程分别如图1、图4所示，为主焊接电流加辅助焊接电流形式的焊接工艺。与图3所示工艺流程相比，图4工艺流程在主焊接电流I1之后增加了辅助焊接电流I2，使焊接接头填充层保持较高温度一定时间，以有利于异种金属间扩散作用的进行。2024铝合金工件1为两块厚度为1mm的平板结构的搭接。将铝基粉末介质用丙酮混合均匀后，由压力喷洒器均匀喷洒在工件1待焊部位的表面，形成填充层2。设定主要焊接参数为：主焊接电流I1＝10000A，辅助焊接电流I2＝8000A，电极压力F＝2350N，主焊接电流持续时间t2＝2.0s，辅助焊接电流持续时间t3＝1.5s。待粉末填充层的丙酮挥发后，将待焊平板工件搭接，装夹于上下电极3、4之间。施加电极压力F，使待焊工件压合紧密。保持电极压力F的作用，施加主焊接电流I1，持续时间为2.0s。主焊接电流I1作用结束后，辅助焊接电流I2立即产生作用，持续时间为1.5s。焊接电流作用结束后，保持电极压力F一定时间，至焊接结束。移开上下电极3、4，取下工件。
Claims (5)
1.一种铝及铝合金材料的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，其特征在于该焊接方法包括以下步骤：
(1)将铝基合金粉末介质或锌铝粉末介质用丙酮溶液混合均匀；
(2)在待焊工件的焊接面上均匀喷洒或均匀涂敷所述粉末介质，在待焊工件的焊接面之间形成厚度均匀的粉末介质填充层；
(3)待粉末介质填充层的丙酮挥发后，装夹待焊工件于上下电极之间，使附着粉末介质的待焊工件焊接面紧密接触；
(4)施加电极压力冲击，并在冲击力作用下压紧待焊接面，通过电极压力冲击作用使基体表面氧化膜破碎，并在后续工艺过程中保持压力的作用；
(5)通焊接电流，产生电阻加热效应，使粉末介质熔化形成合金钎料，在压力作用下发生共晶反应，并在焊接界面产生扩散作用；
(6)停止焊接电流作用，保持电极压力，至焊件自然冷却；
(7)停止电极压力作用，移开上下电极，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的铝及铝合金材料的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，其特征在于：所述待焊工件是在大气环境下直接焊接，或是在通惰性气体保护下实现焊接。
3.根据权利要求1所述的铝及铝合金材料的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，其特征在于：所述待焊工件为板材或线材。
4.根据权利要求1所述的铝及铝合金材料的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，其特征在于：对待焊工件及粉末介质填充层的加热为焊接电流作用下产生的电阻热效应，焊接电流为单一主焊接电流形式或主焊接电流加辅助焊接电流形式。
5.根据权利要求1所述的铝及铝合金材料的粉末介质扩散反应电阻钎焊方法，其特征在于：所述的上下焊接电极的端面为球面形或是圆锥台形。
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2010
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