本發(fā)明屬于材料焊接技術(shù)及成形制造領(lǐng)域，涉及一種正混合焓異質(zhì)金屬材料的焊接方法。

背景技術(shù)：

焊接是一種將材料永久連接，成為具有給定功能的結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸的巨輪到不足1克的微電子元件，在生產(chǎn)中都不同程度地依賴焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命，以及生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，不同材料之間的焊接組合不斷增多，對焊接結(jié)構(gòu)件的要求也不斷提高。異種金屬焊接能夠充分利用各種材料的優(yōu)異性能，如強(qiáng)度、比強(qiáng)度、耐腐蝕性、導(dǎo)電性等，因而在工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、航空航天等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

對于具有正混合焓的異種金屬，例如Fe-Cu、Fe-Mg、Fe-Zn、Cu-Zn、Mg-Ti等異質(zhì)金屬，由于其在室溫下互相固溶度低，不能形成金屬間化合物，利用傳統(tǒng)的熔化焊接方法很難得到高質(zhì)量的焊接接頭，如紫銅-鋼熔焊時溫度不均、產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊后接頭有裂紋及嚴(yán)重的泛鐵現(xiàn)象，最終產(chǎn)生焊接接頭力學(xué)性能降低等缺陷。盡管國內(nèi)外學(xué)者圍繞Cu-Fe連接問題研究出很多不同的焊接方法如：熔化焊接、釬焊以及爆炸焊接等等。但均不可避免地存在加工成本高、焊前試件準(zhǔn)備工作復(fù)雜、焊接條件苛刻或安全性低等諸多問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種正混合焓異質(zhì)金屬材料的焊接方法及產(chǎn)品，其通過電磁焊接技術(shù)，對具有正混合焓的異質(zhì)金屬實(shí)現(xiàn)冶金焊接，可制備/成形得到焊接性能良好、接頭無明顯結(jié)構(gòu)缺陷的焊接制品。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種正混合焓異質(zhì)金屬材料的焊接方法，其包括如下步驟：

(1)焊接材料預(yù)處理

首先，分別將兩種正混合焓異質(zhì)金屬材料進(jìn)行退火處理，消除加工殘余應(yīng)力；

其次，將金屬材料機(jī)械研磨，然后用金剛石拋光膏完成機(jī)械拋光；

之后，對拋光后的金屬材料進(jìn)行溶液腐蝕，以便完成在光學(xué)顯微鏡上表征或晶粒形貌檢測；

(2)磁脈沖焊接

將待焊接的兩種正混合焓異質(zhì)金屬材料置于電磁成形系統(tǒng)中，通電后電磁成形系統(tǒng)中的線圈將通過高幅值的瞬時電流并產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，在脈沖強(qiáng)磁場作用下電磁成形系統(tǒng)中的集磁器外表面同時產(chǎn)生感應(yīng)電流；

所述感應(yīng)電流從外表面?zhèn)鲗?dǎo)進(jìn)入內(nèi)表面后，使得靠近集磁器外表面的第一異質(zhì)金屬材料外表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，集磁器內(nèi)表面感應(yīng)磁場和銅管外表面感應(yīng)磁場之間的洛倫茲力的相互排斥作用使得所述第一異質(zhì)金屬材料瞬間獲得沖擊動能，高速撞擊第二異質(zhì)金屬材料，從而實(shí)現(xiàn)兩種異質(zhì)金屬材料的焊接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，兩種異質(zhì)金屬材料焊接時之間的間隙不大于2mm，優(yōu)選1.0-1.5mm，最優(yōu)選是1.4mm.

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩種異質(zhì)金屬材料的組合可以為Fe-Cu、Fe-Mg、Fe-Zn、Cu-Zn或Mg-Ti。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述兩種異質(zhì)金屬材料優(yōu)選為銅管和鋼管。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述銅管和鋼管的焊接端同軸套接，其中所述銅管為外管。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，磁脈沖焊接實(shí)驗(yàn)放電電壓為15kV。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)正混合焓體系異種材料在不加入中間層材料情況下，可以通過脈沖電磁成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)焊接。

(2)脈沖電磁焊接方法高能率、周期短、無接觸等優(yōu)異特點(diǎn)可以獲得結(jié)構(gòu)完整，性能良好的焊接件。

附圖說明

圖1為按照本發(fā)明實(shí)施例的焊接方法對應(yīng)的金屬管材磁脈沖焊接裝置示意圖；

圖2為按照本發(fā)明實(shí)施例的焊接方法中的透射電鏡(TEM)制樣過程圖；

圖3為按照本發(fā)明實(shí)施例的焊接方法中的焊接試樣掃描電鏡(SEM)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

按照本發(fā)明實(shí)施例的正混合焓異質(zhì)金屬材料焊接方法，應(yīng)用磁脈沖方法實(shí)現(xiàn)正混合焓體系鐵銅焊接。本實(shí)施例中，優(yōu)選異質(zhì)金屬材料為銅管和鐵管，但本發(fā)明的異質(zhì)金屬材料并不限于此，實(shí)際上只要是正混合焓異質(zhì)金屬材料均可適用本方法，例如可以是Fe-Cu、Fe-Mg、Fe-Zn、Cu-Zn或Mg-Ti等。

本實(shí)施例的焊接方法用于實(shí)現(xiàn)銅管和鐵管的焊接，具體地該方法步驟如下：

(1)焊接材料準(zhǔn)備：

焊接實(shí)驗(yàn)優(yōu)選純銅和低碳鋼20#鋼管材。優(yōu)選銅管外徑Ф20mm，壁厚1mm，鋼管外徑Ф16mm，壁厚4mm。該實(shí)施例中的尺寸僅是一種優(yōu)選，但本發(fā)明中對于金屬材料種類以及尺寸并不限于此。

焊接材料20#鋼和純銅分別進(jìn)行退火處理消除加工殘余應(yīng)力。并進(jìn)行金相觀察，利用線切割方法從合金管材上切取試樣，機(jī)械研磨至例如2000#SiC砂紙，然后再用金剛石拋光膏完成機(jī)械拋光。拋光后的20#鋼試樣在5vol.％的硝酸酒精溶液中腐蝕約30s后即可在光學(xué)顯微鏡上完成表征。純銅用10％的過硫酸銨溶液腐蝕30-60s以便完成晶粒形貌檢測。20#鋼晶粒組織由等軸狀的鐵素體(亮區(qū))和珠光體(暗區(qū))組成，平均尺寸約20μm，熱處理后的純銅內(nèi)有大量退火孿晶產(chǎn)生，晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約80μm。

(2)磁脈沖焊接實(shí)驗(yàn)

如圖1所示是本實(shí)施例的焊接方法優(yōu)選的一種電磁成形系統(tǒng)，如圖1，該電磁成型系統(tǒng)包括電源裝置、脈沖電容組、圓柱形集磁器和螺旋線圈。其中，電源裝置與脈沖電容組以及螺旋線圈依次電連接，電源裝置用于給脈沖電容組供電，當(dāng)電容器組C充電結(jié)束后，閉合大電流開關(guān)K，線圈將通過高幅值的瞬時電流并產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場。如圖1所示，本實(shí)施例中的電磁成形系統(tǒng)最大放電電壓25kV，電容80μF，電感200μH。集磁器呈中空的環(huán)形體結(jié)構(gòu)，線圈套在集磁器環(huán)形體外表面，在脈沖強(qiáng)磁場作用下集磁器外表面同時產(chǎn)生感應(yīng)電流，并從外表面?zhèn)鲗?dǎo)進(jìn)入內(nèi)表面。待焊接的異質(zhì)金屬即銅管和鋼管的焊接端同軸套裝在該環(huán)形體內(nèi)部中空空間，內(nèi)表面的感應(yīng)電流會使得銅管外表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，集磁器內(nèi)表面感應(yīng)磁場和銅管外表面感應(yīng)磁場之間的相互排斥作用(洛倫茲力)使得銅管瞬間獲得沖擊動能，高速撞擊20#鋼管材實(shí)現(xiàn)焊接。

本實(shí)施例中，優(yōu)選銅管和鐵管的焊接區(qū)長度10mm，內(nèi)外管間隙1.4mm，磁脈沖焊接實(shí)驗(yàn)放電電壓為15kV。

將高壓脈沖電容器貯存的電能通過放電回路轉(zhuǎn)化為磁場能，金屬材料受脈沖磁場作用產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在脈沖強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生幅值巨大的磁場力，后者驅(qū)動金屬連接件與被連接件產(chǎn)生高速碰撞、實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

在一個實(shí)施例中，在焊接過程中，優(yōu)選導(dǎo)電性能較好的銅管材作為外管，鋼管作內(nèi)管。

在一個實(shí)施例中，為保證良好的焊接性能，焊接實(shí)驗(yàn)前在鋼管上通過機(jī)械加工預(yù)制4°的搭接角。

在一個實(shí)施例中，管件焊接區(qū)經(jīng)砂紙打磨處理去除氧化層后用酒精清洗避免雜質(zhì)在焊接過程中卷入焊接界面。

在一個實(shí)施例中，采用放電電壓為15kV下實(shí)現(xiàn)焊接，焊接接頭性能良好無縫隙等缺陷。

進(jìn)一步地，以對焊接試樣SEM分析。本實(shí)施例中，如圖3所示，磁脈沖焊接界面的微觀組織觀察在FEI Quanta200掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)上完成的。SEM試樣制備的流程：在焊接區(qū)用線切割方法沿管材軸向切取試樣，然后將試樣用環(huán)氧樹脂進(jìn)行冷鑲固定，冷鑲好的試樣分別用SiC砂紙和金剛石拋光膏進(jìn)行機(jī)械研磨和拋光即得到符合SEM觀察的試樣。

在微區(qū)分析試樣制備，由于中間層厚度均在微米量級，常規(guī)的TEM試樣制備方法制樣難度較大。在一個實(shí)施例中，用FEI Quanta 3D FEG高性能聚焦離子束(Focused Ion Beam,FIB)系統(tǒng)完成透射電鏡試樣的制備。

在一個實(shí)施例中，如圖2所示，對焊接試樣進(jìn)行TEM分析，焊接界面中間過渡層的表征在加速電壓300kV的FEI Tecnai G2F30場發(fā)射掃描透射電子顯微鏡(Scanning Transmission Electron Micoscope,STEM)上進(jìn)行。STEM-EDS進(jìn)行成分分布分析，確定焊接中間層位置。焊接界面與母材連接區(qū)TEM明場像和母材衍射圖，左側(cè)襯度較暗的區(qū)域?yàn)?0#鋼(bcc)母材，右邊襯度較暗的區(qū)域?yàn)榧冦~(fcc)母材，中間層位于兩種母材之間。與焊接前的原始組織相比，銅側(cè)焊接界面區(qū)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶使的晶粒得到細(xì)化，而20#鋼焊接界面區(qū)內(nèi)則產(chǎn)生高位錯密度纏結(jié)結(jié)構(gòu)。中間層選區(qū)電子衍射確定結(jié)構(gòu)fcc結(jié)構(gòu)，高分辨像和傅里葉變換和EDS點(diǎn)成分確定中間層物質(zhì)銅在鐵中的過飽和固溶體Fe(Cu)和納米晶顆粒。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。