一种铝铜异种金属锁底结构的焊接方法与流程

机械加工,机床金属加工设备的制造及其加工,应用技术1.本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种铝铜异种金属锁底结构的焊接方法。背景技术：2.铝铜异种金属锁底结构件主要运用于航天领域和雷达电子领域，起到为电子元器件散热的作用，结构简单、美观、经济。目前受到广泛运用的液冷组件是一种常见的锁底结构件，结构为盒体加盖板的形式。3.铝合金作为液冷组件的常用材料，具备良好的散热能力，纯铝的热导率为237w/m·k，但铝合金的金属疲劳性能较差，在碱性环境中会导致严重腐蚀，会造成了产品在服役过程中会出现较多问题。纯铜的热导率为401w/m·k，相比较纯铝具备更好的导热性和金属疲劳性能，在酸碱环境中的耐腐蚀性能更为良好。采用纯铜材料作为液冷组件的盖板，可以一定程度上避免金属的疲劳断裂和结构件的腐蚀。铝/铜锁底结构由纯铜的盖板和铝合金盒体构成，纯铜具备优异的导热性能，快速将热量传递给铝合金盒体以及流道中的冷却液，铝合金的散热性能优于纯铜，和冷却液一起发挥快速散热的作用。4.同种材料液冷组件通常采用搅拌摩擦焊进行高质量焊缝连接，从而保证液冷组件水道的承压能力。但铝/铜异种金属难以直接通过搅拌摩擦焊制备出高质量的焊接接头。搅拌摩擦焊接头为搭接接头，为了避免焊接压力导致的盖板塌陷，锁底台阶一般会保留0.2-0.5mm的余量，此区域无法实现连接，称为hook缺陷。在此区域焊接过程和服役过程中都会产生夹杂物的聚集，导致接头腐蚀，从而导致服役寿命的降低。5.在中国电子科技集团公司第三十八研究所之前的研究cn106735971b中，公开了采用扩散焊-搅拌摩擦焊集成焊接方法可以避免铝合金液冷组件出现此问题，但铝/铜异种金属在扩散焊的过程中较难焊合，并且由于热膨胀系数的差异，经过较长时间保温后(超过30min)，会产生较大的蠕变变形和界面失配。技术实现要素：6.本发明提供了一种铝铜异种金属锁底结构放电等离子-搅拌摩擦集成焊接方法，通过集成两种焊接方法，有效解决目前铝铜异种金属锁底结构组件在制备过程中界面失配、变形量大、难以焊合的问题，并有效消除铝/铜搅拌摩擦焊的hook缺陷。7.具体而言，本发明提供了一种铝铜异种金属锁底结构的焊接方法，其特征在于，所述铝铜异种金属锁底结构包括铜合金的上盖板和铝合金的腔体，所述焊接方法将铜合金的上盖板和铝合金的腔体进行焊接，包括以下步骤：进行放电等离子扩散定位焊接；之后，进行搅拌摩擦正式焊接，所述搅拌摩擦焊接过程分为扎入和行进两个过程。8.进一步的是，在放电等离子扩散定位焊接中，焊接温度520℃-560℃，保温时间10-20min，压力4-7mpa，真空度不低于2.33×10-1pa。9.进一步的是，在搅拌摩擦正式焊接中，搅拌头转速600-1200r/mm，焊接速度80-150mm/min，下压量0.1-0.2mm。10.进一步的是，其包括以下步骤：11.步骤一、确定锁底结构件的尺寸12.确定锁底结构件的上盖板的厚度和宽度，保证在上盖板和腔体装配完成后，上盖板在厚度方向上具有正公差，在宽度方向上具有负公差；13.步骤二、进行母材焊前表面处理14.清洗锁底结构件的腔体和盖板，去除表面氧化膜，去除表面油污，在盖板和腔体表面涂覆二乙二醇二甲醚活性剂，烘干待焊；15.步骤三、进行放电等离子扩散定位焊接16.采用石墨模具对锁底结构进行装配，对装配后的锁底结构件施加预压载荷，保证界面区域的紧密接触，将装配完成后的零件置于真空室中，用腔体的上、下压头压紧试样，控制两侧铜电极释放电流，在较高真空度下实现锁底结构的搭接区域的焊接；17.步骤四、进行超声波探伤18.通过超声探伤技术，检查锁底区域是否实现初步焊合，实现初步焊合再进行下一步骤；19.步骤五、进行表面机加工20.去除焊接区域的表面氧化膜，要求表面去除量为0.02-0.05mm；21.步骤六、进行搅拌摩擦正式焊接22.搅拌摩擦正式焊接过程分为扎入和行进两个过程，搅拌针长度等于锁底台阶厚度。23.进一步的是，其特征在于：步骤一中，铜合金上盖板厚度方向上的正公差范围为0.25-0.35mm，铜合金上盖板在宽度方向的负公差范围为0.15mm-0.2mm，保证盖板和锁底台阶槽的两边间隙和不大于0.2mm。24.进一步的是，步骤二中，采用5％naoh溶液和30％hno3溶液清洗锁底结构件的腔体和盖板，去除表面氧化膜；然后，采用丙酮溶液超声清洗锁底结构件，去除表面油污，在盖板和腔体表面涂覆二乙二醇二甲醚活性剂，烘干待焊。25.进一步的是，步骤三中，对石墨压头施加5mpa的预压力载荷，保证界面区域的紧密接触，放电等离子扩散焊过程中观察工装的下压量，保证盖板的下压量不大于0.2mm；焊接温度通过热电偶测量，升温速率为80-100℃/min。26.进一步的是，步骤四中，超声波探伤前需要预防液体进入焊缝区域，探伤结果需要锁底台阶区域焊合率大于90％。27.进一步的是，步骤五中，避免加工刀具导致的过热氧化以及加工变形，每次进刀量要小于0.03mm。28.进一步的是，步骤六中，搅拌头采用材质为模具钢、合金钢。29.本发明的优点在于：搅拌摩擦焊技术和放电等离子扩散焊技术都是固相焊接技术，无需填充焊丝，接头性能稳定，两种工艺集成运用可以消除异种金属材料锁底结构组件的hook缺陷，提高组件使用寿命。相比较真空扩散焊，放电等离子扩散技术能够实现铝/铜及其他异种金属的高质量焊接，并且将原先长达2h的保温时间缩短至10min，获得的焊接接头变形量较小、界面成型良好。30.此发明较大程度上弥补了扩散焊-搅拌摩擦集成焊接效率低、焊合率较低，仅适用于铝合金同种材料焊接的不足。对铝/铜及其他异种金属材料锁底结构组件的制备奠定了工艺基础。附图说明31.图1是本发明的焊接示意图。32.图2是本发明的铝铜异种金属锁底结构俯视图。33.图3是本发明的焊接接头剖面电镜图。34.图4是本发明的焊接接头表面电镜图。具体实施方式35.为使此发明技术方案的优点更加清晰，将结合本发明的事实案例来进行完整的描述。本专利中描述的实例为本发明的一部分实例，而不是全部实例。本领域技术人员在铝合金异种金属锁底结构组件未作出创造性成果的前提下，都属于本发明的保护范围。36.本发明采用放电等离子扩散-搅拌摩擦集成焊接方式，此方法可以有效避免现有方法中会出现的问题。37.放电等离子扩散连接(简称spdw)是一种通过脉冲电流流经试样产生焦耳热来实现焊接的工艺，具有升温速度快、保温时间短、焊合率高的优点。相比较真空扩散焊，铝/铜异种金属在spdw过程中不仅受到温度和压力的作用，还受到电场的作用。电场的“电迁移”效应会加速界面区域原子的扩散，实现较短时间内界面的焊合，与此同时避免了较长保温时间导致的蠕变变形和界面失配。38.相比较真空扩散焊，放电等离子扩散焊可以实现异种金属(铝/铜、铝/钛、铝/钢等)的高质量连接，由于电场的作用可以较大程度的缩短保温时间(扩散焊保温时间为2-4h，spdw保温时间为10-20min)，可以避免异种金属由于热膨胀系数差异导致的界面变形失配和保温时间较长导致的蠕变变形。39.搅拌摩擦焊和放电等离子扩散技术都属于固相焊接技术，焊接过程中无需填充焊丝，接头强度较为稳定。搅拌摩擦焊技术适用于铝/铜对接焊缝的焊接，放电等离子扩散技术适用于铝/铜搭接焊缝的焊接，本发明将两者结合以优化铝铜异种金属锁底结构的工艺。40.下面结合图1、图2说明本发明。41.本发明的铝铜异种金属锁底结构放电等离子-搅拌摩擦集成焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：42.步骤一、确定锁底结构件的尺寸43.锁底结构件包括上盖板和腔体。盖板材料可以为铜合金。本说明书中，上盖板也被称为盖板、铜盖板、铜合金上盖板。腔体材料可以为铝合金。本说明书中，腔体也被称为盒体、铝合金盒体、铝制盒体。图1是本发明的铝铜异种金属锁底结构俯视图。如图1所示，本发明的铝铜异种金属锁底结构包括铜盖板和铝合金盒体。44.确定锁底结构件的上盖板的厚度和宽度，保证在上盖板和腔体装配完成后，上盖板在厚度方向上具有正公差，在宽度方向上具有负公差。45.铜合金上盖板厚度方向上的正公差范围为0.25-0.35mm，铜合金上盖板在宽度方向的负公差范围为0.15mm-0.2mm，保证上盖板和锁底台阶槽的两边间隙和不大于0.2mm。46.铜盖板厚度方向上高出铝制盒体表面0.25-0.35mm。如此设计，高度不能太小，保证spdw过程中的压力作用后盖板表面与盒体表面齐平。47.铜盖板宽度方向上和铝制盒体的锁底区域的两侧间隙总和为0.15-0.2mm。间隙不能太小，焊接过程中零件会受热膨胀，防止和侧边发生擦碰；间隙也不能太大，避免间隙太大导致焊接过程中扎穿材料。48.步骤二、进行母材焊前表面处理49.首先，采用5％naoh溶液和30％hno3溶液清洗锁底结构件的腔体和盖板，去除表面氧化膜。然后，采用丙酮溶液超声清洗锁底结构件，去除表面油污，在盖板和腔体表面涂覆二乙二醇二甲醚活性剂，烘干待焊。若盖板和锁底结构件的材料不易氧化，则直接采用丙酮超声清洗表面油污，烘干待焊。50.铝合金在经过酸、碱洗去除表面氧化膜后，采用二乙二醇二甲醚活性剂涂覆试样表面，可以避免出现界面虚焊的情况。51.步骤三、进行放电等离子扩散定位焊接52.图2是本发明的焊接示意图。如图2的(a)所示，采用石墨模具对锁底结构进行装配，对装配后的锁底结构件施加预压载荷，保证界面区域的紧密接触。例如，对石墨压头施加5mpa的预压力载荷，实现上盖板(铜盖板)和锁底区域的紧密接触。53.将装配完成后的零件置于真空室中，用腔体的上、下压头压紧试样，通过计算机程序控制两侧铜电极释放电流(脉冲电流，电流数值为变量)，在较高真空度下实现锁底结构的搭接区域(铝/铜锁底搭接区域)的良好焊接。54.焊接温度通过热电偶测量，升温速率为80-100℃/min，保温时间不大于20min。优选的焊接参数为：焊接温度520℃-560℃，保温时间10-20min，压力4-7mpa，真空度不低于2.33×10-1pa。在保温完成后，通过水冷系统快速冷却，待温度降至100℃以下时，关闭真空系统，取出焊件。55.spdw过程需观察试样两侧压头的位移，保证铜盖板的下压量不大于0.2mm，防止盖板的塌陷。放电等离子扩散定位焊接过程中需要观察工装的下压量，保证盖板的下压量不大于0.2mm，防止由于铝钛异种金属热膨胀系数的差异导致盖板较大的变形或塌陷。56.spdw过程需保证电流处于稳定变化的趋势，不能出现电流的徒增徒减。焊接过程中，电压(电流压力)不大于8v，避免出现设备的报警。真空度不能低于2.33×10-1pa，避免铝/铜高温条件下再度氧化。57.步骤四、进行超声波探伤58.超声波探伤需要确保锁底区域台阶焊合率大于90％。图2是本发明的焊接示意图。如图2的(b)所示，已焊合区域存在于铜盖板和铝合金盒体之间。超声波探伤前需要预防液体进入焊缝区域，探伤结果需要锁底台阶区域焊合率大于90％。59.步骤五、进行表面机加工60.通过数控铣刀去除焊接区域的表面氧化膜，要求表面去除量为0.02-0.05mm。机加工过程中严格避免加工刀具导致的过热氧化以及加工变形，每次进刀量要小于0.03mm。61.步骤六、进行搅拌摩擦正式焊接62.图2是本发明的焊接示意图。如图2的(b)所示，利用搅拌摩擦焊设备的搅拌头进行焊接。搅拌摩擦正式焊接过程分为扎入和行进两个过程，搅拌针长度等于锁底台阶厚度。搅拌头转速600-1200r/mm，焊接速度80-150mm/min，下压量0.1-0.2mm。搅拌头采用材质可以为模具钢、合金钢。搅拌摩擦焊无需采用搅拌摩擦定位焊(spdw代替)，直接进行正式焊接，搅拌针长度等于台阶高度，下压量不大于0.2mm。63.实例1：64.本实施方式的具体工艺过程如下所示：65.一种铝铜异种金属锁底结构放电等离子-搅拌摩擦集成焊接方法，包括以下步骤：66.(1)确定锁底结构件的上侧铜盖板的厚度和宽度，保证盖板和腔体装配完成后，铜盖板在厚度方向上具有正公差，在宽度方向上具有负公差。67.(2)腔体材料为铝合金，采用5％naoh溶液和30％hno3溶液清洗锁底结构件腔体和铜盖板，去除表面氧化膜。再采用丙酮溶液超声清洗构件，去除表面油污，表面涂覆二乙二醇二甲醚活性剂，烘干待焊。68.(3)采用石墨模具对锁底结构进行装配，对石墨压头施加5mpa的预压力载荷，实现铜盖板和锁底区域的紧密接触。将装配完成后的零件置于真空室中，用设备的上、下压头压紧试样，通过计算机程序控制两侧铜电极释放电流(电流数值为变量)，在较高真空度下实现铝/铜锁底搭接区域的焊接。焊接参数为：焊接温度520℃-560℃，保温时间10-20min，压力4-7mpa，真空度不低于2.33×10-1pa；保温完成后，通过水冷系统快速冷却，待温度降至100℃以下时，关闭真空系统，取出焊件。69.(4)超声波探伤，要求铝/铜锁底区域的焊合率达到90％以上。70.(5)通过数控铣刀去除焊接区域的表面氧化膜，要求表面去除量为0.02-0.05mm。71.(6)进行搅拌摩擦正式焊接，过程分为扎入和行进两个过程，搅拌针长度等于锁底台阶厚度，搅拌头转速600-1200r/mm，焊接速度80-150mm/min，下压量0.1-0.2mm。72.实例2：73.在实例1的基础上，步骤(1)中，本方式铜盖板在厚度方向上0.25-0.35mm，盖板的高度不能太低，保证压力可以施加到盖板上，并且不会导致结构的变形。宽度方向上两侧间隙总和为0.15-0.2mm。间隙不能太小，防止零件受热膨胀和侧边发生擦碰；间隙也不能太大，避免焊接过程中扎穿材料。74.实例3：75.在实例1的基础上，本实施方式的放电等离子扩散焊接过程中，采用5mpa的压力对试样进行预压。焊接过程中，观察设备检测到的试样两端压头的位移，保证铜盖板的下压量不大于0.2mm，防止盖板的塌陷。76.实例4：77.在实例1的基础上，本实施方式的放电等离子扩散焊接过程中，焊接电压数值不能超过8v，避免出现电流的徒增徒减，导致设备的报警，以及铝/铜焊接试样的过烧。焊接过程中的真空度不能低于2.33×10-1pa，避免铝/铜高温条件下再度氧化。78.实例5：79.在实例1的基础上，本实施方式的超声波探伤需要保证锁底台阶区域的焊合率大于90％，此过程可以有效消除铝/铜异种金属搅拌摩擦焊hook缺陷。80.实例6：81.在实例1的基础上，本实施方式的机加工过程中严格避免加工刀具导致的过热氧化以及加工变形，每次进刀量要小于0.03mm。82.实例7：83.在实例1的基础上，本实施方式无需进行搅拌摩擦定位焊，直接进行正式焊接，搅拌针长度等于台阶高度，下压量不大于0.2mm。84.采用下述试验，结合图3和图4验证本发明效果：85.试验一：本实验的铝铜异种金属锁底结构放电等离子-搅拌摩擦集成焊接方法按以下步骤执行：86.(1)铜合金上盖板的宽度19.8mm，厚度4.25mm；铝合金盒体的厚度20mm，厚度4mm；87.(2)采用5％naoh溶液清洗铝合金盒体和铜盖板1min，再采用30％hno3溶液清洗铝合金盒体和铜盖板0.5min，去除表面氧化膜。再采用丙酮溶液超声清洗构件，去除表面油污，表面涂覆二乙二醇二甲醚活性剂，烘干待焊；88.(3)采用石墨压头在5mpa的压力下对盖板和锁底区域进行预压，装配完成后将零件置于放电等离子烧结炉中，用上、下压头压紧盖板，在高真空下实现锁底台阶区域焊接良好，调出自动烧结系统。工艺参数为：焊接温度540℃，焊接压力6mpa，保温时间10min，真空度1.5×10-1pa，焊接电流变化范围450-550a，焊接电压变化范围3.8-5.5v。保温完成后，通过水冷系统进行快速冷却至100℃以下，取出焊件。89.(4)超声波探伤；90.(5)表面机加工，铣去搅拌摩擦焊接面的氧化膜，盒体表面去除量0.02mm；91.(6)搅拌摩擦焊，采用搅拌针长4mm，轴肩直径为9mm的搅拌头，从盒体侧扎入进行焊接，搅拌摩擦焊参数为：搅拌头转速1000r/min，焊接速度为100mm/min，搅拌头下压量为0.2mm，搅拌头材质为w360钢。92.试验结果如下图3、图4所示。图3是本发明的焊接接头电镜图。图4是本发明的焊接接头断口形貌图。93.从图3中可以看出本焊接方法实现了铝铜异种金属锁底结构的高质量焊接，且消除了hook缺陷。对此焊接接头的对接区域和搭接区域分别进行力学性能测试，对接界面的焊接强度达到了159mpa，在铝侧发生了断裂。搭接区域的拉伸强度为137mpa，在焊缝区域发生断裂。从图4可以看出，通过对断口形貌进行分析发现，在断裂区域产生了韧窝和断裂阶梯棱的富集，说明焊接效果非常良好。94.本发明的优点在于：此发明提供了一种异种金属锁底结构组件高质量焊接接头的制备方法。搅拌摩擦焊技术和放电等离子扩散焊技术都是固相焊接技术，无需填充焊丝，接头性能稳定，两种工艺集成运用可以消除异种金属材料锁底结构组件的hook缺陷，提高组件使用寿命。相比较真空扩散焊，放电等离子扩散技术能够实现铝/铜及其他异种金属的高质量焊接，并且将原先长达2h的保温时间缩短至10min，获得的焊接接头变形量较小、界面成型良好。95.本发明应用于铝铜异种金属锁底结构焊接领域中，可以快速制备高强度、变形量小的铝铜异种金属锁底结构焊接接头，并能高效消除搅拌摩擦焊过程中的hook缺陷。此发明较大程度上弥补了的扩散焊-搅拌摩擦集成焊接效率低、焊合率较低，仅适用于铝合金同种材料焊接的不足。对铝/铜及其他异种金属材料锁底结构组件的制备奠定了工艺基础。96.以上实例仅用以说明本发明的技术案例，并非限制。本发明提出一种异种金属锁底结构组件高质量焊接接头的集成焊接方法，本集成方法为首次提出，已经实现铝/铜异种金属的锁底组件产品制备，如有其它异种金属的材料替换，均属于本发明保护范围。97.需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!