铝、铝合金及其复合材料超声振动液相焊接设备

摘要

本发明提供的是一种铝、铝合金及其复合材料超声振动液相焊接设备。它包括控制箱，在控制箱内安装有超声波发生器、控制箱的面板上设置有控制按钮及接线柱，控制箱上表面为装卡工作平台，在控制箱上方设置支架，温度显示面板和超声波焊头分别安装在支架上，热电偶一端与被检测工件相连，另一端通过控制面板上的接线柱与控制箱内的温度控制模块连接，温度控制模块与温度显示面板相连，温度从温度显示面板显示，超声波焊头通过信号线与控制箱内的超声波发生器连通，超声波焊头上有加压装置、换能器及变幅杆，变幅杆与换能器相连再与加压装置相连。本发明的装置不需要使用钎剂就可以实现铝、铝合金及其复合材料在大气环境下焊接。

说明书

一、技术领域

本发明涉及的是一种焊接设备，具体地说是一种超声振动液相焊接设备。

二、背景技术

铝、铝合金及其复合材料表面存在一层致密的氧化膜(Al₂O₃)，钎焊过程中如去除不彻底，钎料对母材的润湿铺展能力将被大大降低，严重影响接头的成形及最终性能。目前这些材料的钎焊或是采用钎剂，通过化学反应去除氧化膜，或是采用真空的焊接环境以避免厚且致密的氧化膜的生成，来实现焊接。然而，钎剂的使用一方面是增加了成本，另一方面钎剂一般都具有腐蚀性，如焊后清洗不严格，接头在服役过程中容易出现腐蚀破坏问题；真空环境的焊接限制了焊接的灵活性，结构稍复杂、尺寸稍大的构件的焊接变得困难，且该方法焊接周期长、成本高。

另外，对于含合金元素较高的铝合金，如铝镁系、铝铜系，液态钎料容易和母材中的合金元素相互作用而降低其流动铺展性，使接头的钎透率降低，性能下降。若通过提高焊接温度来提高钎料的流动性，这有可能使母材软化甚至熔化，因为这些铝合金系的固液相线一般都比较低。特别的是，铝基复合材料中的增强相往往是陶瓷纤维、晶须或者颗粒，常规钎料在正常条件下对其润湿性非常差，因而液态钎料在母材表面的润湿铺展势必是个问题。

超声波波峰焊通过将超声波导入到液态钎料池中，再将待焊构件的待焊部位浸入到钎料池里，利用超声波在钎料池中产生的空化作用去除母材表面的氧化膜，实现钎料对母材的润湿结合，解决了钎剂的使用及真空的焊接环境的问题。但这种方法比较适合于电子行业电路板封装的焊接，焊接面积及焊点一般比较小，不太适于大面积或大尺寸的构件的焊接，因为超声波通过液态钎料池传播到待焊表面，损耗大，单位面积的声波能量比较小，氧化膜去除及填缝过程可能不彻底。另外，这种方法中除了待焊表面以外，其它浸入到钎料池中的表面必需采取保护措施，否则也将被挂上钎料或者形成没有必要的焊接。这也是一个比较繁琐的问题。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种不需要使用钎剂就可以实现铝、铝合金及其复合材料能在大气环境下焊接的铝、铝合金及其复合材料超声振动液相焊接设备。

本发明的目的是这样实现的：在控制箱内安装有超声波发生器、控制箱的面板上设置有控制按钮及接线柱，控制箱上表面为装卡工作平台，在控制箱上方设置支架，温度显示面板和超声波焊头分别安装在支架上，热电偶一端与被检测工件相连，另一端通过控制面板上的接线柱与控制箱内的温度控制模块连接，温度控制模块与温度显示面板相连，超声波焊头通过信号线与控制箱内的超声波发生器连通，超声波焊头上有加压装置、换能器及变幅杆，变幅杆与换能器相连再与加压装置相连。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的支架包括安装在控制箱一端的丝杠导轨立柱，安装在丝杠导轨立柱上的与丝杠导轨立柱相垂直的两根横梁，温度显示面板与超声波焊头分别安装两根横梁上，温度显示面板在上、超声波焊头在下。

2、所述的支架包括安装控制箱上方的龙门架，龙门架上安装有两根横梁，温度显示面板安装在龙门架一侧的横梁上，超声波焊头安装在龙门架两立柱之间的横梁上。

3、安装超声波焊头的横梁上有燕尾槽滑轨，超声波焊头安装在燕尾槽滑轨上，横梁与立柱之间转动连接。

4、超声波焊头中的加压装置由气缸与气压表组成；变幅杆是铝合金或钛合金杆；换能器是压电陶瓷或磁致伸缩的换能器。

5、所述的装卡工作平台由两个滑动方向垂直的平台组成。

本发明的装置由如下几部分组成：装卡工作平台、测温及控制系统和超声波振动系统组成。设备底部为控制箱，超声波发生器在控制箱内部，加热等控制按钮及各种接线柱分布在控制箱面板上。控制箱上表面为装卡工作平台，其由两个滑动方向垂直的平台组成。在控制箱一端有一丝杠导轨立柱，温度显示面板与超声波焊头系统分别安装在与丝杠导轨立柱垂直相连的横梁上，温度显示面板在上，超声波焊头在下。温度显示板显示的是焊接过程中热电偶检测位置的温度，热电偶一端与被检测工件相连，另一端通过控制面板上的接线柱与控制箱内的温度控制模块连接，温度控制模块与温度显示面板相连，温度从温度显示面板显示。超声波焊头通过信号线与控制箱内的超声波发生器连通，通过燕尾槽滑轨与横梁相连。超声波焊头可随横梁沿立柱上下移动或以立柱为轴转动，也可在燕尾槽滑轨上沿横梁长度方向移动。超声波焊头上有加压装置、换能器及变幅杆。加压装置有气缸及气压表。变幅杆与换能器相连，其组成的系统与加压装置的气缸相连，通过气缸的作用其可沿焊头系统的导柱上下移动，最大移动距离为气缸的行程。

焊接之前用400#砂纸打磨铝、铝合金或其复合材料的待焊试件表面，并用丙酮清洗、晾干，将待焊试件装卡在卡具上并固定在工作平台上，在待焊表面之间或焊缝边沿放置焊料之后，对试件进行加热并观察温度显示表，到达焊接温度及保温时间后，通过横梁及横梁上的燕尾槽滑轨将焊头移动到超声波导入位置，通过气压表预设加压压力值后，启动加压装置使变幅杆下移接触待焊试件，同时启动超声振动按钮。超声波振动结束后，通过气压装置提升变幅杆使其离开被焊试件，根据需要，对试件继续保温或者冷却，完成焊接。

本发明的主要优点体现在：

1、运用本焊接设备可以实现在大气环境下焊接铝、铝合金及其复合材料，焊接表面无需特殊清理，无需使用钎剂，焊接操作灵活、简便，工程意义较为理想。

2、超声波振动从母材施加，导入位置灵活，，更具有针对性，可以最高效率地使焊料达到最佳的振动效果。

3、拥有多路，例如六路温度检测通道，可同时检测六个不同部位的温度变化。

四、附图说明

图1和图2是本发明的两种实施方式的结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图1，铝、铝合金及其复合材料超声振动液相焊接设备的组成包括控制箱1，控制箱的底部有支座3，在控制箱内安装有超声波发生器、控制箱的面板上设置有控制按钮及接线柱2，控制箱上表面为装卡工作平台4，在控制箱上方设置支架，温度显示面板6和超声波焊头分别安装在支架上，热电偶一端与被检测工件相连，另一端通过控制面板上的接线柱与温度控制模块7与温度显示面板相连，温度从温度显示面板显示，超声波焊头通过信号线与控制箱内的超声波发生器11连通，超声波焊头上有加压装置、换能器15及变幅杆16，变幅杆与换能器相连再与加压装置相连、再安装在导轨13上。所述的支架包括安装控制箱一端的丝杠导轨立柱5，安装在丝杠导轨立柱上的与丝杠导轨立柱相垂直的两根横梁，温度显示面板6与超声波焊头分别安装两根横梁上，温度显示面板在上、超声波焊头在下。安装超声波焊头的横梁9上有燕尾槽滑轨10，超声波焊头安装在燕尾槽滑轨上，横梁与立柱之间转动连接。总线8沿导轨立柱布置。超声波焊头中的加压装置由气缸12与气压表14组成；变幅杆是铝合金或钛合金杆；换能器是压电陶瓷或磁致伸缩的换能器。所述的装卡工作平台由两个滑动方向垂直的平台组成。

结合图2，本发明的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，将支架设计成龙门架是结构，龙门架20安装在控制箱上方，龙门架上安装有两根横梁，温度显示面板安装在龙门架一侧的横梁上，超声波焊头安装在龙门架两立柱之间的横梁上。

焊接之前用400#砂纸打磨铝基复合材料，如20％SiC_p/2024A1试件的待焊表面，并在丙酮中进行超声波清洗，待试件晾干后将其以对接接头形式装卡在卡具上并将Zn基或者Al基焊料片放置在两待焊表面之间。通过电阻加热使焊料充分熔化，加热温度范围是380～600℃，并通过热电偶控制、保持焊接温度。设置气压表的气压值为0-5MPa，然后施加超声波振动。超声波频率范围为15-60K赫兹，超声振幅为3-30μm，引入超声时间为0.5-30s。超声振动结束后，移开超声波导入杆，让焊件自然冷却。

所焊接的材料可以是工业纯Al或铝合金系，如Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Si系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系合金中的一种；铝基复合材料的增强相可以是Al₂O₃、SiC连续纤维或短纤维(体积分数为2～25％)；SiC、Mg₂B₂O₅(硼酸镁)、Al₁₈B₄O₃₃(硼酸铝)晶须(体积分数为5～40％)；SiC、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN、TiN、ZrO₂颗粒(平均粒度0.01～50μm，体积分数5～70％)中的一种，其基体可以是工业纯Al及铝合金系，如如Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Si系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系合金中的一种。

所用的焊料可以是Zn基焊料Zn-Al-Cu(Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质)、PTZn95Al、PTZn90Al、PTZn70Al、Zn72.5Al、Zn60Cd、Zn58SnCu或者铝基焊料BAl67CuSi、Al60GeSi、HL401或B62中的一种。焊料可以是棒状、片状及颗粒状。它的填充方式可以是预先涂敷于待焊表面或者焊接时放置于两待焊表面之间或者放置在焊缝边沿。

所述的焊接接头形式可以是对接、搭接、管板接头、T形接头的形式。

所用的加热方式可以是火焰加热、高频感应加热、电阻加热，焊接温度范围是380～600℃，保温时间为0～10分钟，预压力范围为0～5MPa。