异种金属原子扩散焊接方法及异种金属焊接件

技术领域

本申请涉及金属焊接领域，特别是涉及一种异种金属原子扩散焊接方法。

背景技术

随着科技发展，对金属制品的性能要求越来越高，同时人们又希望金属制品的成本能够做到更低；而两种以上材料焊接而成的金属制品，通过在性能要求较高的作业部位采用高性能材料，而其余非作业部位采用一般材料(例如采用高速钢与钨钢焊接制成的钨钢刀具等)，可以使其达到上述目的，因而具有广阔的市场前景。

相关技术中，是在保持较高压力压紧两种不同的金属件的状态下，然后通过向两种不同金属件通脉冲电流的形式，以实现不同金属件之间焊接的；这种焊接方式，在焊接过程中，通过对待焊接的两种金属件进行施压，有利于两种金属件之间贴合的更加紧密，从而便于焊接；并且，在焊接过程的冷却阶段中，由于不同金属材料之间的热膨胀系数以及相变导致的体积变化等不同，施加于金属件的适当的压力还可以在一定程度上阻止金属件因相变及温度变化而带来的收缩(主要是垂直于工件施压方向上的)，进而在一定程度上可以减小因不同金属件收缩率不同而带来的焊接缺陷问题，例如减少因收缩残留应力导致的裂纹等。

但是，在这种焊接方式中，由于焊接过程金属件的温度变化很大，在金属件温度升高时，压紧结构施加给金属件的压力将逐步增大，因而会超过想要加载的设定压力值，而当两种金属件之间的焊接面达到焊接温度时，由于压力过大，焊接面位置的金属很可能会沿焊接面向外侧流动，从而在焊接位置的外侧形成焊疤，进而影响焊接成品的质量；而且，在焊接过程的冷却阶段，由于金属件的收缩等，压紧结构施加给金属件的压力又将逐步减小，因而又有可能会小于想要加载的设定压力值，从而起不到缓解因冷却收缩不同而产生焊接缺陷影响的作用。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种异种金属原子扩散焊接方法，其能够有效提升不同金属之间的焊接质量，减少焊接缺陷。

本申请还提出了一种异种金属焊接件。

根据本申请第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法，包括以下步骤：

施压，通过第一压紧结构和第二压紧结构向不同材质的两个待焊接的金属件施压，以使两个所述金属件之间挤压接触；

通电焊接，在保持向两个所述金属件施压的状态下，向两个所述金属件通电进行焊接，通电过程中实时监测施加给两个所述金属件的压力值，并依据监测到压力值，实时调整所述第一压紧结构和所述第二压紧结构之间的距离，以使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内；

冷却，在保持向两个所述金属件施压的状态下，使焊接后的两个所述金属件冷却至室温，冷却过程中实时监测施加给两个所述金属件的压力值，并依据监测到压力值，实时调整所述第一压紧结构和所述第二压紧结构之间的距离，以使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内。

根据本申请第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法，至少具有如下有益效果：通过在通电焊接的过程中，实时监测施加给两个金属件的压力值，可以实时了解两个金属件之间的压力变化，并在两个金属件出现升温膨胀时，通过逐渐增大第一压紧结构和第二压紧结构之间的距离，即可使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内，进而使得两个金属件之间的压力基本保持稳定，从而避免出现压力过大而导致的焊疤等缺陷；而且，在冷却过程中，同样通过实时监测施加给两个金属件的压力值，当金属件出现降温收缩时，通过逐渐缩小第一压紧结构和第二压紧结构之间的距离，既可使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内，从而冷却过程同样可以使得两个金属件之间的压力基本保持稳定，避免压力下降，进而避免因冷却收缩不同而产生的焊接缺陷问题。

在本申请的一些实施例中，在所述施压步骤之前，还包括有以下步骤：将两个所述金属件的焊接端面进行打磨。

在本申请的一些实施例中，在所述施压步骤之前，还包括有以下步骤：对两个所述金属件的焊接端面进行清洗，以去除油污杂质。

在本申请的一些实施例中，在所述施压步骤之前，还包括有以下步骤：将两个所述金属件以焊接端面相对的方式装夹于焊接治具；将装夹有两个所述金属件的焊接治具置于所述第一压紧结构和所述第二压紧结构之间。

在本申请的一些实施例中，所述通电焊接及所述冷却步骤均在真空度高于50Pa的真空环境下进行。

在本申请的一些实施例中，所述向两个所述金属件通电进行焊接，包括有以下步骤：控制通电电流的大小，以使两个所述金属件以一定的升温速率升温至设定温度；达到所述设定温度后，控制通电电流的大小，以使两个所述金属件在设定时间内保持在设定温度。

在本申请的一些实施例中，所述向两个所述金属件通电进行焊接，包括有以下步骤：对两个所述金属件的温度进行实时检测，并依据监测到的温度值，实时控制调整通电电流的大小。

在本申请的一些实施例中，所述通电电流为脉冲电流，且电流大小在0KA到2.5KA之间。

在本申请的一些实施例中，所述第一压紧结构包括有上电极和第一电极驱动装置，所述第一电极驱动装置用于驱动所述上电极上下移动，所述第二压紧结构包括有下电极和第二电极驱动装置，所述下电极与所述上电极相对设置且分别与电源的两极电连接，所述第二电极驱动装置用于驱动所述下电极上下移动，所述上电极和下电极用于向两个所述金属件施压和通电。

根据本申请第二方面实施例的异种金属焊接件。采用上述第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法焊接而成。

根据本申请第二方面实施例的异种金属焊接件，至少具有如下有益效果：由于采用上述第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法焊接而成，因此焊疤及裂纹等焊接缺陷发生的概率更低，焊接质量更佳。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例；在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、左、右、前、后等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本实施例本申请第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法，包括以下步骤：

施压，通过第一压紧结构和第二压紧结构向不同材质的两个待焊接的金属件施压，以使两个所述金属件之间挤压接触；

通电焊接，在保持向两个所述金属件施压的状态下，向两个所述金属件通电进行焊接，通电过程中实时监测施加给两个所述金属件的压力值，并依据监测到压力值，实时调整所述第一压紧结构和所述第二压紧结构之间的距离，以使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内；

冷却，在保持向两个所述金属件施压的状态下，使焊接后的两个所述金属件冷却至室温，冷却过程中实时监测施加给两个所述金属件的压力值，并依据监测到压力值，实时调整所述第一压紧结构和所述第二压紧结构之间的距离，以使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内。

通过在通电焊接的过程中，实时监测施加给两个金属件的压力值，可以实时了解两个金属件之间的压力变化，并在两个金属件出现升温膨胀时，通过逐渐增大第一压紧结构和第二压紧结构之间的距离，即可使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内，进而使得两个金属件之间的压力基本保持稳定，从而避免出现压力过大而导致的焊疤等缺陷；而且，在冷却过程中，同样通过实时监测施加给两个金属件的压力值，当金属件出现降温收缩时，通过逐渐缩小第一压紧结构和第二压紧结构之间的距离，既可使施加给两个所述金属件的压力保持在设定范围内，从而冷却过程同样可以使得两个金属件之间的压力基本保持稳定，避免压力下降，进而避免因冷却收缩不同而产生的焊接缺陷问题。

可以理解的是，在所述施压步骤之前，还包括有以下步骤：将两个所述金属件的焊接端面进行打磨。具体地，对两个金属件的焊接端面进行打磨，可以改善两个金属件的焊接端面的平整度，从而在施压后两个金属件之间的焊接端面能够更加贴合，进而改善焊接效果。

可以理解的是，在所述施压步骤之前，还包括有以下步骤：对两个所述金属件的焊接端面进行清洗，以去除油污杂质。在焊接过程中，如果两个金属件之间的焊接端面上存在油污或其他杂质，将会影响到后续的焊接，进而出现焊接不牢靠等问题，通过清洗去除油污杂质可以避免上述问题的出现；具体地，清洗可以采用酒精等有机溶剂。

可以理解的是，在所述施压步骤之前，还包括有以下步骤：将两个所述金属件以焊接端面相对的方式装夹于焊接治具；将装夹有两个所述金属件的焊接治具置于所述第一压紧结构和所述第二压紧结构之间。如单纯的将两个金属件置于第一压紧结构和第二压紧结构之间，两个金属件之间的相对位置将难以得到有效保证，进而可能导致焊接后两个金属件之间出现错位等缺陷，通过借助焊接治具可以对两个金属件之间的相对位置起到很好地矫正作用，从而避免出现错位。

如果直接在常规的大气环境下进行焊接，由于焊接温度较高，待焊接的工件被氧化而形成氧化层，处于焊接端面的氧化层将会影响两个金属件之间的焊接，进而影响后续的焊接质量，使得焊接效果不佳，例如出现焊接强度达不到预期要求等。为解决这一问题，可以理解的是，所述通电焊接及所述冷却步骤均在真空度高于50Pa的真空环境下进行。具体地，可以将两个金属件置于真空箱内，在通电焊接及冷却步骤之前，先通过真空泵等设备对真空箱内抽真空，直至真空度高于50Pa，例如达到真空箱内气压45Pa等，然后保持这一真空状态，然后进行后续的通电焊接及冷却步骤，直至工件冷却至室温后，再破真空并取出真空箱内的焊接完成的工件。

可以理解的是，所述向两个所述金属件通电进行焊接，包括有以下步骤：升温阶段，控制通电电流的大小，以使两个所述金属件以一定的升温速率升温至设定温度；保温阶段，达到所述设定温度后，控制通电电流的大小，以使两个所述金属件在设定时间内保持在设定温度。并且，可以理解的是，所述向两个所述金属件通电进行焊接，还包括有以下步骤：对两个所述金属件的温度进行实时检测，并依据监测到的温度值，实时控制调整通电电流的大小。

具体地，为了实时了解两个金属件的温度情况，在焊接前可设置温度传感器，并使温度传感器的测温点对准两个金属件；在向两个金属件通电进行焊接的同时，通过温度传感器实时监测两个所述金属件的温度。当两个金属件处于升温阶段时，实时判断升温速率是否超过或未达到预设的升温速率；当超过预设的升温速率，则控制系统控制电源相应地减小通电电流；当未到达预设的升温速率，则控制系统控制电源相应地增大通电电流。当两个金属件处于保温阶段时，实时判断温度是否超过或未达到设定温度；当超过设定温度，则控制系统控制电源相应地减小通电电流；当未达到设定温度，则控制系统控制电源相应地增大通电电流。

可以理解的是，所述通电电流为脉冲电流，通电电流根据所处的通电焊接阶段(即升温阶段还是保温阶段等)和所需焊接的材料不同而有所差异，且电流大小在0KA到2.5KA之间。

可以理解的是，对于某些材质的两种金属件，在保温阶段完成后，可以让两个金属件焊接形成的工件自然冷却至室温；而有些材质的两种金属件，在保温阶段完成后，则可以保持向工件通电，以使工件以一定的降温速率进行冷却，并在其冷却到一定温度后，再让其自然冷却至室温。

可以理解的是，所述第一压紧结构包括有上电极和第一电极驱动装置，所述第一电极驱动装置用于驱动所述上电极上下移动，所述第二压紧结构包括有下电极和第二电极驱动装置，所述下电极与所述上电极相对设置，且分别与电源的两极电连接，所述第二电极驱动装置用于驱动所述下电极上下移动，所述上电极和下电极用于向两个所述金属件施压和通电。通过设置第一电极驱动装置和第二电极驱动装置，既可以驱动上电极和下电极给两个金属件施压，同时通过控制第一电极驱动装置和第二电极驱动装置中的至少一个带动上电极或下电极移动，即可实现对上电极和下电极之间距离的调节，从而实现对施加给两个金属件压力的调整。同时，通过借助上电极和下电极直接给两个金属件施压，使得上电极和下电极既可以实现向两个金属件通电，又可以实现施压，从而也有利于简化焊接设备的结构。

以下描述本申请第二方面实施例的异种金属焊接件，其采用上述第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法焊接而成。由于采用上述第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法焊接而成，因此焊疤及裂纹等焊接缺陷发生的概率更低，焊接质量更佳。

以下以S45C碳素结构钢及SUS304奥氏体不锈钢两种材质的两个金属件为焊接对象，具体描述本申请第一方面实施例的异种金属原子扩散焊接方法。

S100打磨，对两个金属件的焊接端面进行打磨，改善焊接端面的平整度。

S200清洗，将两个金属件用酒精清洗，以去除焊接端面的油污和杂质。

S300装夹，将两个金属件以焊接端面相对的形式装夹于焊接治具上，将装夹有两个金属件的焊接治具放入真空箱内，且置于上电极与下电极之间。

S400抽真空，通过真空泵对真空箱进行抽真空，使得真空箱内的气压在50Pa以下，例如在40Pa左右。

S600施压，第一电极驱动装置和第二电极驱动装置驱动上电极和下电极相互靠近，以向两个金属件施压，并使施加的压力值达到8000N±2％的范围。

S700通电焊接，在保持向两个金属件施压的状态下，电源通过上电极和下电极向两个金属件通电进行焊接；

首先，使得两个金属件以一定的速率升温至950℃；在此过程中，将实时监测施加给两个金属件的压力值，由于金属件受热膨胀，两个金属件之间施加的压力将有增大趋势，依据监测到压力值，控制系统将控制第一电极驱动装置带动上电极逐步上移，以逐步加大上电极和下电极之间的距离，以使得给两个金属件施加的压力在8000N±2％的范围内；

然后，再继续向两个金属件通电，并减小通电电流，以使两个金属件的温度以较缓的速度继续上升设定温度1100℃，在此过程中将实时监测施加给两个金属件的压力值，由于金属件受热膨胀加剧，两个金属件之间施加的压力仍然具有增大趋势，依据监测到压力值，控制系统将控制第一电极驱动装置带动上电极继续逐步上移，以继续逐步加大上电极和下电极之间的距离，以使得给两个金属件施加的压力仍然保持在8000N±2％的范围内；

最后，继续向两个金属件通电，并使两个金属件的温度保持在设定温度1100℃左右，并保持10s的时间；在此过程，两个金属件的温度及两个金属件之间施加的压力也将存在一定的波动，同样通过控制通电电流的大小，及控制调整上电极和下电极之间的距离来进行调整，以使得温度能够保持在1100°左右和压力值在8000N±2％的范围。

S800冷却，在保持向两个所述金属件施压的状态下，使焊接后的两个金属件自然冷却至室温；

在此过程中，实时监测施加给两个所述金属件的压力值，由于两个金属件冷却收缩，两个金属件之间施加的压力具有下降的趋势，依据监测到压力值，控制系统将控制第一电极驱动装置带动上电极逐步下移，以逐步减小第一压紧结构和第二压紧结构之间的距离，以使施加给两个金属件的压力保持在8000N±2％的范围内。

S900取出工件，工件冷却至室温后，第一电极驱动装置和第二电极驱动装置驱动上电极和下电极相互远离，然后破除真空箱内的真空，打开真空箱的箱门，取出焊接治具，并将焊接好的工件从焊接治具上拆下，完成焊接。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。