金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及金屬的結(jié)合工藝領(lǐng)域，具體涉及金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟：將至少一個(gè)所述金屬焊件嵌裝在一與其形狀、大小相匹配且腔體深度小于該所述金屬焊件高度的容置腔中；設(shè)置一壓力源，所述壓力源對(duì)兩個(gè)所述金屬焊件持續(xù)施加壓力以將兩個(gè)所述金屬焊件的焊接面緊密貼合；采用具有導(dǎo)磁載壓體的加熱線圈對(duì)至少一個(gè)所述金屬焊件進(jìn)行加熱，加熱溫度不低于其中一個(gè)較低熔點(diǎn)的所述金屬焊件的熔點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：能夠適用于異種或同種金屬件之間的焊接，并且具有焊接速度快、焊接強(qiáng)度高，適合各種尺寸結(jié)合面積的焊接，可對(duì)任意復(fù)雜形狀的金屬件進(jìn)行焊接的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬的結(jié)合工藝領(lǐng)域，具體涉及金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]異種金屬結(jié)合結(jié)構(gòu)件兼有異種材料綜合的優(yōu)良物理、力學(xué)、機(jī)械性能。在電力電子工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。異種金屬的物理化學(xué)性能存在差異給焊接帶來(lái)了困難。目前，可實(shí)現(xiàn)異種金屬結(jié)合的工業(yè)化方法和工藝有焊接和鑄鍛兩大類，焊接方法包括摩擦焊，釬焊，擴(kuò)散焊，爆炸焊等。鑄鍛方法包括降伏狀態(tài)冷鍛法，熱擠壓法和壓鑄法等。上述焊接方法主要適用于大面積，大體積的異種金屬焊件的焊接或結(jié)合。超聲波焊接方法因功率的限制，主要用于線束，接線端子等電子器件的焊接。而釬焊方法在金屬結(jié)合強(qiáng)度方面還無(wú)法達(dá)到某些產(chǎn)品的要求。
[0003]專利200510008353 “用于異種金屬板的液相擴(kuò)散結(jié)合方法和設(shè)備”介紹了利用壓力輥施加壓力，并采用兩個(gè)環(huán)繞式高頻感應(yīng)加熱線圈分別對(duì)異種金屬加熱的共晶液相擴(kuò)散結(jié)合方法；該發(fā)明采用兩套高頻感應(yīng)加熱線圈分別對(duì)異種金屬，即鍍鋅鋼板和鋁合金板，進(jìn)行加熱，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致基底材料的低強(qiáng)度和變形，因此結(jié)合部位的最高溫度控制在550°C以下，并對(duì)異種金屬板施加了數(shù)十兆帕的壓力，以保證結(jié)合強(qiáng)度。由于加熱線圈放置在金屬板背部，該方法僅可適用于板狀材料的焊接，無(wú)法對(duì)復(fù)雜形狀，或較厚的金屬焊件實(shí)現(xiàn)焊接。
[0004]專利201110448262公開了一種異種金屬?gòu)?fù)合接頭制備方法，該方法根據(jù)液相/固相擴(kuò)散原理，采用低熔點(diǎn)液態(tài)金屬向高熔點(diǎn)金屬的滲透擴(kuò)散連接技術(shù)。實(shí)現(xiàn)異種金屬無(wú)縫隙冶金結(jié)合。由于該焊接方法是采用坩堝在真空加熱爐中實(shí)現(xiàn)，工藝復(fù)雜，流程周期時(shí)間長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)低成本的流水線焊接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，對(duì)兩金屬焊件的焊接面加熱使其熔化而金屬焊件的其他部位通過冷卻裝置冷卻仍保持固體態(tài)；金屬焊件表面熔化層的氧化物雜質(zhì)在壓力作用下，被擠出焊接面，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)金屬焊件之間的有效焊接。
[0006]本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:
一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，用于將兩個(gè)金屬焊件焊接成一體，其特征在于，所述方法包括下列步驟:將至少一個(gè)所述金屬焊件嵌裝在一與其形狀、大小相匹配且腔體深度小于該所述金屬焊件高度的容置腔中；設(shè)置一壓力源，所述壓力源對(duì)兩個(gè)所述金屬焊件持續(xù)施加壓力以將兩個(gè)所述金屬焊件的焊接面緊密貼合；采用具有導(dǎo)磁載壓體的加熱線圈對(duì)至少一個(gè)所述金屬焊件進(jìn)行加熱，加熱溫度不低于其中一個(gè)較低熔點(diǎn)的所述金屬焊件的熔點(diǎn)。
[0007]兩個(gè)所述金屬焊件是由異種金屬制成，其中較低熔點(diǎn)的金屬焊件被嵌裝于所述容置腔中；所述加熱溫度高于所述較低熔點(diǎn)的金屬焊件的熔點(diǎn)，同時(shí)低于較高熔點(diǎn)的所述金屬焊件的熔點(diǎn)。
[0008]較高熔點(diǎn)的所述金屬焊件位于所述加熱線圈的加熱區(qū)域內(nèi)。
[0009]兩個(gè)所述金屬焊件分別為銅制金屬焊件、鋁制金屬焊件，所述鋁制金屬焊件被嵌裝于所述容置腔中；所述加熱溫度高于所述鋁制金屬焊件的熔點(diǎn)，同時(shí)低于所述銅制金屬焊件的熔點(diǎn)。
[0010]兩個(gè)所述金屬焊件是由同種金屬制成，兩個(gè)所述金屬焊件分別被嵌裝于兩個(gè)所述容置腔中，所述加熱溫度高于所述金屬焊件的熔點(diǎn)。
[0011]所述容置腔的腔體外圍設(shè)置有冷卻水道。
[0012]在所述加熱線圈與所述金屬焊件之間設(shè)置有一隔熱壓塊，通過調(diào)整所述隔熱壓塊的厚度以選擇所述加熱線圈的加熱區(qū)域。
[0013]通過調(diào)整所述加熱線圈的功率大小以選擇所述加熱線圈的加熱區(qū)域。
[0014]所述導(dǎo)磁載壓體可由若干薄硅鋼片疊放并相互鎖緊連接構(gòu)成，也可以采用軟磁鐵氧體材料或軟磁復(fù)合粉末材料燒結(jié)成型。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
1.快速加熱避免了結(jié)合面上金屬間化合物的過度生成，提高了焊接強(qiáng)度；
2.適合各種尺寸結(jié)合面積的焊接，突破了閃光焊、電阻焊、摩擦焊、在焊接面積大小方面的局限性；
3.采用了根據(jù)被焊接件形狀設(shè)計(jì)的擠壓模，可對(duì)任意復(fù)雜形狀的金屬件進(jìn)行焊接；例如:可直接進(jìn)行成型鋁合金散熱鰭片與銅板的對(duì)焊；
4.異種金屬焊接結(jié)合面始終處于承壓貼合狀態(tài)，避免了結(jié)合面接觸空氣中氧氣和氫氣產(chǎn)生的反應(yīng)，無(wú)需真空氣氛，無(wú)需惰性氣體保護(hù)；
5.焊接工藝簡(jiǎn)單，成本低，工藝過程中使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，或改造的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，容易實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的焊接裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明中具有導(dǎo)磁載壓體的加熱線圈結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明中導(dǎo)磁載壓體的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明中加熱線圈的原理示意圖1;
圖5是本發(fā)明中加熱線圈的原理示意圖1I ；
圖6是本發(fā)明中焊件壓模的使用示意圖；
圖7是圖6的爆炸視圖；
圖8是具有成型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜金屬焊件與焊件壓模的配合結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解:
如圖1-8所示，圖中標(biāo)記1-18分別為:液壓機(jī)1、液壓機(jī)活塞推桿2、硅鋼片3、導(dǎo)磁載壓體4、隔熱壓塊5、焊件壓模6、冷卻系統(tǒng)7、冷卻水道入水口 8、模座工作臺(tái)9、甲金屬焊件10、乙金屬焊件11、緊固螺栓12、中、高頻感應(yīng)加熱線圈13、玻璃纖維保護(hù)套管14、中、高頻感應(yīng)加熱器15、冷卻水道出水口 16、容置腔17、成形結(jié)構(gòu)18。
[0018]實(shí)施例一:本實(shí)施例中的金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法用于將兩個(gè)金屬焊件焊接成一體，且適用于兩種由異種金屬制成的金屬焊件。本方法可藉由如圖1所示的一種焊接裝置實(shí)現(xiàn)，但也不僅僅限于該形式的裝置。
[0019]如圖1所示，本實(shí)施例的焊接方法用于將甲金屬焊件10、乙金屬焊件11兩者焊接成一體，兩金屬焊件分別由異種金屬制成，且甲金屬焊件10的熔點(diǎn)小于乙金屬焊件11的熔點(diǎn)，焊接方法具體包括:
將甲金屬焊件10嵌裝于一與其形狀、大小相匹配且腔體深度小于甲金屬焊件10高度的容置腔17中，此時(shí)甲金屬焊件10的上表面(即焊接面)露出于容置腔17的上開口。將乙金屬焊件11與甲金屬焊件10的焊接面緊密貼合。為了達(dá)到承受壓力，容置腔17開設(shè)于焊件壓模6 ;為了能夠散發(fā)熱量、控制焊件壓模6的溫度，焊接壓模6內(nèi)開設(shè)有采用循環(huán)水冷為工作方式的冷卻水道，冷卻水道位于容置腔17的下方，其冷卻水道出水口 16、冷卻水道入水口 8分別貫通開設(shè)于焊件壓模6的側(cè)面并與冷卻系統(tǒng)7構(gòu)成連接。焊件壓模6支承于模座工作臺(tái)9之上。
[0020]設(shè)置一采用磁感應(yīng)線加熱原理的加熱裝置對(duì)乙金屬焊件11進(jìn)行加熱。如圖2、3所示，該加熱裝置由導(dǎo)磁載壓體4以及中、高頻感應(yīng)加熱線圈13配合安裝構(gòu)成，其中中、高頻感應(yīng)加熱線圈13與中、高頻感應(yīng)加熱器15相連接，導(dǎo)磁載壓體4由若干呈E字形的硅鋼片3通過緊固螺栓12相互連接鎖緊構(gòu)成，中、高頻感應(yīng)加熱線圈13配合安裝于硅鋼片3的凹槽中；硅鋼片3構(gòu)成的導(dǎo)磁載壓體4除了增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)還起到傳遞壓力的作用。如圖4所示，中、高頻感應(yīng)加熱線圈13位于乙金屬焊件11的上表面其磁感應(yīng)線穿過乙金屬焊件11以對(duì)其進(jìn)行加熱。中、高頻感應(yīng)加熱線圈13的加熱溫度在大于甲金屬焊件10的同時(shí)小于乙金屬焊件11，這樣一來(lái)可以藉由乙金屬焊件11可通過熱傳導(dǎo)僅僅使甲金屬焊件10的焊接面這一局部熔化，而甲金屬焊件10位于容置腔17的其余部分可通過開設(shè)于焊件壓模6內(nèi)的冷卻水道得到冷卻并保持固體態(tài)。導(dǎo)磁載壓體4的下平面套裝有一隔熱壓塊5，隔熱壓塊5可以阻止金屬焊接件的熱量傳輸?shù)綄?dǎo)磁載壓體4上。
[0021]設(shè)置一壓力源，該壓力源由液壓機(jī)I提供，液壓機(jī)I的液壓機(jī)活塞桿2位于導(dǎo)磁載壓體4的上方并與其表面發(fā)生接觸，通過導(dǎo)磁載壓體4施力于乙金屬焊件11與甲金屬焊件10。當(dāng)液壓機(jī)I通過導(dǎo)磁載壓體4施力于乙金屬焊件11以及甲金屬焊件10時(shí)，兩金屬焊件的焊接面始終保持緊密貼合使空氣無(wú)法進(jìn)入，從而避免焊接過程中金屬焊接面與空氣中的氧氣和氫氣產(chǎn)生不良反應(yīng)。當(dāng)甲金屬焊件10的焊接面被中、高頻感應(yīng)加熱線圈13加熱熔化時(shí)，由于液壓機(jī)I的壓力，乙金屬焊件11始終被壓緊于甲金屬焊件10的焊接面，所以兩金屬焊件完成焊接，并且甲金屬焊件10的表面熔化層的氧化物雜質(zhì)在壓力作用下，被擠出結(jié)合面，所得到的焊接面強(qiáng)度得到保證。
[0022]實(shí)施例二:本實(shí)施例相較實(shí)施例一的不同之處在于，本實(shí)施例是針對(duì)由同種金屬制成的兩金屬焊件之間的焊接需要。為了焊接由同種金屬制成的兩金屬焊件，需要將兩金屬焊件分別嵌裝于兩個(gè)焊件壓模6的容置腔17內(nèi)，由導(dǎo)磁載壓體4和中、高頻感應(yīng)加熱線圈13構(gòu)成的加熱裝置可設(shè)置于兩金屬焊件相貼合的焊接面一側(cè)或其中一個(gè)容置腔17的背偵牝從而對(duì)兩金屬焊件進(jìn)行部分加熱而使兩者的焊接面熔化，此時(shí)金屬焊件的其余部分均可通過各自的焊件壓模6內(nèi)開設(shè)的冷卻水道冷卻一直保持固體態(tài)。
[0023]本實(shí)施例在具體實(shí)施時(shí):甲金屬焊件10可以為鋁制金屬件，乙金屬焊件11可以為銅制金屬焊件，此時(shí)中、高頻感應(yīng)加熱線圈13的加熱溫度應(yīng)控制在高于鋁的熔點(diǎn)同時(shí)又低于銅的熔點(diǎn)，即可保證鋁制金屬件的焊接面的局部熔化；一般來(lái)說，該溫度在550°C到700°C之間，最佳溫度在600°C -650°C。
[0024]以甲金屬焊件10是鋁制金屬焊件，乙金屬焊件11是銅制金屬焊件這種焊接兩種由異種金屬制成的金屬焊件為例，由中、高頻感應(yīng)加熱線圈13的磁感應(yīng)線進(jìn)行的加熱可分為以下兩種方式:如圖4所示，磁感應(yīng)線只穿過銅制金屬焊件，由于銅制金屬焊件與鋁制金屬焊件始終保持緊密貼合的接觸且加熱溫度在高于鋁的熔點(diǎn)的同時(shí)又低于銅的熔點(diǎn)，所以通過銅制金屬焊接的熱傳導(dǎo)可使鋁制金屬焊件的焊接面熔化；如圖5所示，磁感應(yīng)線在穿過銅制金屬焊件的同時(shí)，還至少穿過鋁制金屬焊件的焊接面，這樣一來(lái)，雖然同時(shí)加熱兩金屬件，但由于加熱溫度低于銅的熔點(diǎn)，所以只有鋁制金屬焊件的焊接面被熔化。
[0025]而加熱方式的不同可通過兩種途徑進(jìn)行調(diào)整:如圖4、5所示，圖4中示中、高頻感應(yīng)加熱器輸出功率小于圖5中的中、高頻感應(yīng)加熱器的輸出功率，所以上述由磁感應(yīng)線的分布決定的在金屬焊件上加熱區(qū)域的空間位置，可通過調(diào)整中、高頻感應(yīng)加熱器15的輸出功率來(lái)控制磁感應(yīng)線的分布并以此選擇在金屬焊件上的加熱區(qū)域；此外由于磁感應(yīng)線還需穿過隔熱壓塊5，所以還可通過調(diào)整隔熱壓塊5的厚度來(lái)選擇在金屬焊件上加熱區(qū)域的空間位置。
[0026]如圖6、7所示，甲金屬焊件10為一板體，所以其嵌入的容置腔17為與其長(zhǎng)度、寬度相匹配的矩形腔體；而如圖8所示，當(dāng)甲金屬焊件10下部具有復(fù)雜的成形結(jié)構(gòu)18時(shí)，需要將容置腔18的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)置為與其復(fù)雜的成形結(jié)構(gòu)18相匹配的結(jié)構(gòu)，從而使得成形結(jié)構(gòu)18得到冷卻水道的冷卻，避免其受熱變形甚至熔化，這樣一來(lái)，具有復(fù)雜成形結(jié)構(gòu)的金屬焊件的焊接也得以實(shí)現(xiàn)。
[0027]上述實(shí)施例一所依附的焊接裝置為立式，而在應(yīng)用于實(shí)際流水線上時(shí)，可相應(yīng)選擇為臥式或其他一些形式的裝置結(jié)構(gòu)，但都不妨礙本方法的實(shí)施。
[0028]中、高頻感應(yīng)加熱線圈13的截面除了可以是圖1、2、4或5中的方形截面銅管，也可以是圓形截面的銅管。中、高頻感應(yīng)加熱線圈13的匝數(shù)可以是一匝、兩匝或兩匝以上并排的線圈，外部套裝玻璃纖維保護(hù)套管14。
[0029]導(dǎo)磁載壓體4的上、下平面均經(jīng)過精密加工，保證其表面精度和兩平面的平行度，從而保證兩金屬焊件間結(jié)合面的平面度。導(dǎo)磁載壓體4可采用實(shí)施例一、二中的由若干薄硅鋼片3疊放并相互鎖緊連接構(gòu)成，也可以采用軟磁鐵氧體材料或軟磁復(fù)合粉末材料燒結(jié)成型。
[0030]隔熱壓塊5的材料采用低導(dǎo)熱系數(shù)，絕緣，低導(dǎo)磁率的材料制成，可以選擇為:三
氧化二鋁、氮化硅或石英材等。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，用于將兩個(gè)金屬焊件焊接成一體，其特征在于，所述方法包括下列步驟:將至少一個(gè)所述金屬焊件嵌裝在一與其形狀、大小相匹配且腔體深度小于該所述金屬焊件高度的容置腔中；設(shè)置一壓力源，所述壓力源對(duì)兩個(gè)所述金屬焊件持續(xù)施加壓力以將兩個(gè)所述金屬焊件的焊接面緊密貼合；采用具有導(dǎo)磁載壓體的加熱線圈對(duì)至少一個(gè)所述金屬焊件進(jìn)行加熱，加熱溫度不低于其中一個(gè)較低熔點(diǎn)的所述金屬焊件的熔點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:兩個(gè)所述金屬焊件是由異種金屬制成，其中較低熔點(diǎn)的金屬焊件被嵌裝于所述容置腔中；所述加熱溫度高于所述較低熔點(diǎn)的金屬焊件的熔點(diǎn)，同時(shí)低于較高熔點(diǎn)的所述金屬焊件的熔點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:較高熔點(diǎn)的所述金屬焊件位于所述加熱線圈的加熱區(qū)域內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:兩個(gè)所述金屬焊件分別為銅制金屬焊件、鋁制金屬焊件，所述鋁制金屬焊件被嵌裝于所述容置腔中；所述加熱溫度高于所述鋁制金屬焊件的熔點(diǎn)，同時(shí)低于所述銅制金屬焊件的熔點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:兩個(gè)所述金屬焊件是由同種金屬制成，兩個(gè)所述金屬焊件分別被嵌裝于兩個(gè)所述容置腔中，所述加熱溫度高于所述金屬焊件的熔點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:所述容置腔的腔體外圍設(shè)置有冷卻水道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:在所述加熱線圈與所述金屬焊件之間設(shè)置有一隔熱壓塊，通過調(diào)整所述隔熱壓塊的厚度以選擇所述加熱線圈的加熱區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:通過調(diào)整所述加熱線圈的功率大小以選擇所述加熱線圈的加熱區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬液固態(tài)界面熱擠壓焊接方法，其特征在于:所述導(dǎo)磁載壓體可由若干薄硅鋼片疊放并相互鎖緊連接構(gòu)成，也可以采用軟磁鐵氧體材料或軟磁復(fù)合粉末材料燒結(jié)成型。
【文檔編號(hào)】B23K20/22GK103846541SQ201410089408
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】王子延, 劉小稚 申請(qǐng)人:王子延, 劉小稚