一种异种金属两步式双温瞬间液相连接方法

摘要

本发明公开了一种异种金属两步式双温瞬间液相连接方法，中间层与高熔点母材间的共晶温度比中间层与低熔点母材间的共晶温度高100~400℃；1）先在温度T1下利用瞬间液相连接方法将中间层一端与高熔点母材焊合；2）然后在温度T2下利用瞬间液相连接方法将中间层另一端与低熔点母材焊合，温度T2低于低熔点母材熔点温度。本发明可用于物理、化学和冶金性能差异显著的异种金属间连接，特别是熔点差值为300~700℃的异种金属间的连接，在保证高熔点母材与中间层间实现连接和充分扩散的同时，可以防止较低熔点母材在焊接过程中发生熔化与烧损，从而实现异种金属焊件间的有效连接。

说明书

技术领域

本发明涉及两金属间的连接方法，具体指一种用于异种金属间连接的两步式双温瞬间液相（TLP）连接方法，本方法有效解决了物理、化学和冶金性能差异显著的两异种材料间的连接，特别是解决了熔点差值达300~700℃的异种金属间的连接问题。

 

背景技术

瞬间液相（简称TLP）扩散连接是在扩散焊工艺基础上发展起来的一种焊接方法，与常规扩散焊相比，TLP连接时对待焊接工件表面制备要求较低、焊接时间较短、接头质量及稳定性较高。通常情况下，TLP连接是指在被焊金属表面间加入中间层合金，依靠中间层合金在焊接过程中发生熔化或是与母材之间发生共晶反应产生过渡液相并在保温的过程中凝固，中间层与焊件界面间原子相互扩散形成焊接接头的一种连接工艺，其连接过程一般可以分为三个阶段：

（1）形成液相。将中间层材料置于焊件间并施加一定预压力以使焊件与中间层材料紧密接触；在真空或保护气氛条件下加热焊件到设定温度使中间层液化并填满间隙。

（2）等温凝固。当液相形成并填满对接间隙后对焊件进行保温以保证液固相之间进行充分扩散。在此过程中，伴随着液相中使熔点降低的元素向母材中的大量扩散，母材中的元素向液相中溶解，因此使液相的熔点逐步升高而凝固，最后形成连接。由于液相的凝固过程是在保温中完成的，故被称为等温凝固。

（3）接头均匀化。为获得成份和组织均匀化的接头，通常通过继续保温一段时间来促进界面间元素扩散以保证和提高连接性能。

TLP工艺结合了钎焊和固相扩散焊的优点，生产率高、焊接时间短，接头强度高，没有明显的界面和焊接残留物，通过成分均匀化处理可以得到组织成分均匀且性能同母材相近的接头，在工业生产中具有广阔的应用前景。

TLP连接技术用于异种材料连接具有独特优势，已经得到了广泛的认可和应用。但是在实际工业应用中，经常会出现物理、化学和冶金性能差异显著的两异种材料间的连接，有的异种金属间的熔点差值甚至高达300~700℃。对于这种情况，采用常规一步式的TLP连接技术对这样两异种材料进行连接时，由于焊件材料性质尤其是熔点差异大，导致焊接温度高时虽能实现较高熔点焊件焊合但同时会引起低熔点母材的熔化或烧损，焊接温度低时又会导致较高熔点焊件与中间层界面间难以实现TLP连接的问题。因此目前对差异显著的两异种材料间的连接还无能为力，只能进行差异较小的两异种材料间的连接。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种利用瞬间液相对两异种金属进行连接的方法，本方法有效解决了物理、化学和冶金性能差异显著的两异种金属材料间的连接。

本发明的技术方案是这样实现的：一种异种金属两步式双温瞬间液相连接方法，两异种金属间的熔点差值为300~700℃，选用的中间层与高熔点母材间的共晶温度比中间层与低熔点母材间的共晶温度高100~400℃；其连接步骤为：

1）先在温度T1下利用瞬间液相连接方法将中间层一端与高熔点母材焊合，温度T1高于中间层与高熔点母材间的共晶温度5~30℃；

2）然后在温度T2下利用瞬间液相连接方法将中间层另一端与低熔点母材焊合，从而通过中间层实现两异种金属间的连接；温度T2比中间层与低熔点母材间的共晶温度高5~30℃同时低于低熔点母材熔点温度。

所述中间层分别与两异种金属具有较低的共晶温度。

所述温度T1比温度T2高100~400℃。

第1）步和第2）步的瞬间液相连接过程在真空或惰性气体保护气氛中进行，并在中间层和母材间施加大小为0.2~0.5MPa的恒定载荷以紧固焊件及促进连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明可用于物理、化学和冶金性能差异显著的异种金属间连接，在保证高熔点母材与中间层间实现连接和充分扩散的同时，可以防止较低熔点母材在焊接过程中发生熔化与烧损，从而实现异种金属焊件间的有效连接。

2.本发明通过选用分别与两焊件基体元素具有较低共晶温度的金属材料作为中间层，可用于熔点差值为300~700℃的异种金属间的连接。

3.本发明利用两步式双温瞬间液相（TLP）方法连接异种金属，采取两步双温连接方法：先在较高温度条件下利用TLP连接方法将中间层与高熔点母材焊合以保证连接效果；然后在低于另一母材熔点的焊接温度条件下，再次利用TLP连接方法将中间层与熔点较低的母材焊合。在两次TLP连接工艺过程中，中间层分别与两焊件之间产生液相填充对接间隙并发生元素相互扩散，最终实现两母材间的有效连接。

4.本发明第二步瞬间液相（TLP）连接时，焊接温度低于母材熔点，可以防止较低熔点母材在焊接过程中发生熔化且利于促进第一步瞬间液相（TLP）结合界面元素扩散和组织均匀化，改善连接性能。

5.本发明利于促进接头成分均匀化和提高连接强度，且工艺过程简单，成本不高，易于实现。

附图说明

图1-本发明第一阶段—高熔点母材与中间层TLP连接示意图。

图2-本发明第二阶段—低熔点母材通过中间层与高熔点母材 TLP连接示意图。

其中，1-恒定微弱载荷；2-陶瓷片；3-中间层；4-母材A；5-母材B。

 

具体实施方式

本发明两步式双温瞬间液相（TLP）连接工艺中，两异种金属间的熔点差值为300~700℃，采用分别与两焊件基体元素（即两异种金属）具有较低共晶温度的金属材料作为中间层，且中间层与高熔点母材间的共晶温度比中间层与低熔点母材间的共晶温度高100~400℃。利用两次工艺过程中不同的焊接温度，既保证了高熔点母材与中间层间实现连接和充分扩散，也可以防止较低熔点母材在焊接过程中发生熔化与烧损，从而实现异种金属焊件间的有效连接。在具体实施过程中，先在较高温度T1条件下利用TLP连接方法将中间层3与高熔点母材4焊合以保证连接效果，温度T1高于中间层与高熔点母材间的共晶温度5~30℃，见图1所示；然后在低于低熔点母材熔点的焊接温度T2条件下，再次利用TLP连接方法将中间层3与低熔点母材5焊合，温度T2同时比中间层与低熔点母材间的共晶温度高5~30℃，从而实现异种金属材料的连接，见图2。在两次TLP连接工艺过程中，中间层3分别与两焊件之间产生一定量的液相，液相金属可填充缝隙，也使液相中的某些元素向母材扩散，最后形成冶金连接，最终实现两母材间的有效连接。

所述温度T1比温度T2高100~400℃。

为保证连接工艺，在两步TLP连接中均施加大小为0.2~0.5MPa的恒定微弱载荷1起到紧固焊件并促进连接的作用，并在待连接件（工件或中间层）两端垫陶瓷片2以防止待焊材料与载物台和施加载荷的器件直接接触，见图1和图2。同时为保证焊接过程的稳定以及调节的可靠性，两步TLP连接工艺过程均在真空或惰性气体保护气氛中进行。

本发明利用两步式双温瞬间液相（TLP）方法连接异种金属，通过选用分别与两焊件基体元素具有较低共晶温度的金属材料作为中间层，在用于熔点差值为300~700℃的异种金属间连接时，可以防止较低熔点母材在焊接过程中发生熔化且利于促进第一步瞬间液相（TLP）结合界面元素扩散和组织均匀化，改善连接性能。

本发明利用两步式双温瞬间液相（TLP）方法连接异种金属，利于促进接头成分均匀化和提高连接强度，且工艺过程简单，成本不高，易于实现。

本发明利用两步式双温瞬间液相（TLP）方法连接异种金属，采取两步双温连接方法用于物理、化学和冶金性能差异显著的异种材料间连接，可以有效提高其连接强度。本发明所涉及到的两个阶段中所使用的焊接方法与常规TLP连接方法并无不同。

实例1：利用两步式双温瞬间液相（TLP）连接方法，以厚度为150μm的铜箔作为中间层，焊接直径为16mm 的5083铝合金与TC4钛合金。工艺参数为：第一步TLP连接：温度为885-900°C，外加载荷0.2MPa，时间为3分钟；第二部TLP连接：温度为555°C，外加载荷0.2MPa，时间为5分钟。微观分析结果表明，实现了有效连接。

实例2：利用两步式双温瞬间液相（TLP）连接方法，以厚度为150μm的铜箔作为中间层，焊接直径为16mm 的AZ31B镁合金与5083铝合金。工艺参数为：第一步TLP连接：温度为555-570°C，外加载荷0.2MPa，时间为2分钟；第二部TLP连接：温度为495°C，外加载荷0.2MPa，时间为10分钟。微观分析结果表明，实现了有效连接。

实例3：利用两步式双温瞬间液相（TLP）连接方法，以厚度为150μm的铜箔作为中间层，焊接直径为16mm 的AZ31B镁合金与TC4钛合金。工艺参数为：第一步TLP连接：温度为885-900°C，外加载荷0.2MPa，时间为3分钟；第二部TLP连接：温度为495°C，外加载荷0.2MPa，时间为10分钟。微观分析结果表明，实现了有效连接。