CN101920393A - 镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法 - Google Patents

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沈强
张建
罗国强
李美娟
张联盟
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Abstract

本发明是一种镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，该方法包括如下步骤：(1)工件表面清理步骤：将镁合金片、铝合金片加工到规定尺寸，除去它们待焊面的氧化层；(2)工件组装步骤：将中间层——锡锌合金箔置于铝合金片与镁合金片之间，上下各置一层阻焊层，构造被焊接工件；(3)工件装卡入炉焊接步骤：将被焊接工件放入真空扩散焊接炉内，加热、保温，当保温开始时对被焊接工件施加轴向压力，保温结束后卸除压力。本发明能够克服现有技术无法实现Mg合金与Al合金的高质量焊接，适合不同种类的镁合金和铝合金之间的可靠焊接，特别适用于镁合金薄板与铝合金薄板的焊接，并且焊件平面性好，平行精度高，整体致密。

Description

镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法
技术领域
本发明属于异种合金的扩散焊接方法，具体涉及一种镁合金与铝合金的焊接方法，特别适合镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法。
背景技术
铝合金一直是国防工业中应用最广泛的金属材料之一。因铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，可制成各种截面的型材、管材、板材等，所以，铝合金是构件轻量化首选的轻质结构材料。铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框和长梁等；在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器的重要构件材料。
作为一种迅速崛起的新型绿色工程结构材料，Mg合金在航空航天、国防、汽车工业、电子通讯等领域都具有广阔的应用前景。而镁合金的发展及应用离不开连接问题，良好的连接是简化产品设计、降低产品成本的有效措施之一，因此连接技术的发展将直接影响Mg合金的广泛应用。目前在各种轻金属工程结构中Al仍占据主导地位，而如果将Mg与Al结合起来实现Mg/Al异种金属结构的焊接，获得界面牢固的焊接接头，充分发挥镁、铝各自的性能优势，将会进一步扩大镁合金和铝合金作为结构件在高新技术领域的应用。
Mg/Al异种金属焊接的技术难度非常大，镁具有较大的热脆性，采用常规的焊接方法难以获得满足使用性能要求的焊接接头；同时由于Mg、Al元素的活性，镁和铝之间极易形成金属间化合物，从而使得接头的性能大幅度下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种镁合金与铝合金的焊接方法，以克服现有技术镁合金与铝合金直接扩散焊接的不足，实现镁合金与铝合金之间的可靠连接，特别适用于镁合金薄板与铝合金薄板的扩散焊接。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：该方法包括工件表面清理、工件组装、工件装卡入炉焊接步骤。具体如下：
（1）工件表面清理步骤：
采用平面磨的机械方法将镁合金片、铝合金片加工到规定的几何尺寸，用砂纸打磨它们的待焊面，以除去氧化层，并且用有机溶剂超声清洗；
（2）工件组装步骤：
按照自下而上顺序组装，在WC硬质合金下压头上放置石墨阻焊层，镁合金片放置于石墨阻焊层上，然后放置锡锌箔，在锡锌箔上放置铝合金片，在铝合金片上放置起阻焊作用的石墨阻焊层，往上是WC硬质合金上压头，形成组装好的工件；
（3）工件装卡入炉焊接步骤：
将工件套上WC硬质合金外套后放在真空压力焊机的下压头上面，置于真空扩散焊接炉内的上压头和下压头之间，关闭真空室门，抽真空；当真空度优于1.0×10-2Pa时，开始加热，加热至400℃～450℃，保温10min～60min，在保温开始前对被焊接工件施加0.1MPa～1MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。
在上述工件表面清理步骤中，所述镁合金片、铝合金片加工后的平行度优于0.05mm，用粒度1000#、1200＃和05、06号金相砂纸逐级打磨光滑，除去氧化层，用有机溶剂超声清洗1～10min后转入有机溶剂中存放。
所述镁合金片为MB2镁合金或AZ31B镁合金。所述铝合金片为2A12（LY12为旧牌号）铝合金或1060铝合金。
在上述工件装卡入炉步骤中：所述锡锌箔厚度为5~50μm、Sn/Zn比为1﹕1~9。所加锡锌箔可用有机溶剂超声清洗1～10min，然后转入有机溶剂中存放。所述阻焊层为石墨片。
所述有机溶剂为丙酮或乙醇。
在上述真空扩散焊接步骤中，加热时，先按5℃～10℃/min的升温速率升温至300℃～350℃，然后以2℃～10℃/min的升温速率升至400℃～450℃。
本发明采用锡锌箔中间层，利用真空扩散焊接的方法实现了镁合金片和铝合金片的可靠且精密焊接，一方面，可防止镁合金与铝合金直接连接时脆性金属间化合物的生成，提高接头的结合强度；另一方面，锡、锌都只与铝形成固溶体，因而能有效提高接头强度，满足镁-铝异种复合构件的使用要求。
利用本发明的制备方法，可以实现多种镁、铝合金的高强度连接，平面度优于0.05mm，平行度优于0.1mm，断口连接紧密，焊件平面性好，平行精度高，整体致密，特别适用于镁合金薄板与铝合金薄板的扩散焊接。
本发明操作简便、成本低、适用性强、便于推广应用。
附图说明
图1是本发明装配示意图。
图2是本发明加入Sn/Zn比为1: 9，厚30μm锡锌箔中间层后在焊接温度450℃，保温时间10min，焊接压力1MPa下扩散焊接镁合金和铝合金的连接界面的显微结构图。
图中：1. WC硬质合金上压头； 2.铝合金片； 3.锡锌箔； 4.镁合金片； 5.石墨阻焊层； 6.WC硬质合金下压头； 7.真空压焊机上压头； 8.真空压焊机下压头； 9. WC硬质合金外套； 10.反应中间层； 11.铝基体侧； 12.镁基体侧。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接，其中：镁合金片4为直径Φ29mm MB2镁合金片，铝合金片2为直径Φ29mm 2A12铝合金片。扩散连接工艺条件是：焊接温度400℃，保温时间60min，焊接压力0.1MPa。
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接的具体步骤如下：
焊前准备：中间层材料为厚5μm的锡锌箔3（Sn/Zn比为1: 1），将锡锌箔3加工成直径与镁合金片4与铝合金片2相同直径的圆片，用丙酮溶液超声清洗10min。用平面磨床将镁合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。
按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层5，镁合金片4放置于石墨阻焊层5上，然后放置锡锌箔3，在锡锌箔3上放置铝合金片2，在铝合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层5，往上是WC硬质合金上压头1，形成组装好的工件。
工件装卡入炉焊接：将工件套上WC硬质合金外套9后放在真空压力焊机的下压头8上面。然后在真空度优于1.0×10-2Pa的条件下，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至300℃，然后以5℃/min升至350℃，再以2℃/min升至400℃，保温60min，当温度升至350℃时施加0.1MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的镁/铝圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。
实施例2：
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接，其中：镁合金片4为直径Φ29mm MB2镁合金片，铝合金片2为直径Φ29mm 2A12铝合金片。扩散连接工艺条件是：焊接温度450℃，保温时间10min，焊接压力1 MPa。
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接的具体步骤如下：
焊前准备：中间层材料为厚30μm的锡锌箔3（Sn/Zn比为1: 9），将锡锌箔3加工成直径与镁合金片4与铝合金片2相同直径的圆片，用丙酮溶液超声清洗10min；用平面磨床将镁合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。
按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层5，镁合金片4放置于石墨阻焊层5上，然后放置锡锌箔3，在锡锌箔3上放置铝合金片2，在铝合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层5，往上是WC硬质合金上压头1，形成组装好的工件。
工件装卡入炉焊接：将工件套上WC硬质合金外套9后放在真空压力焊机的下压头8上面。然后在真空度优于1.0×10-2Pa的条件下，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以2℃/min升至450℃，保温10min，当温度升至350℃时施加1MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的镁/铝圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。
实施例3：
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接，其中：镁合金片4为直径Φ29mm AZ31B镁合金片，铝合金片2为Φ29mm 1060铝合金片。 扩散连接工艺条件是：焊接温度400℃，保温时间30min，焊接压力0.5MPa。
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接的具体步骤如下：
焊前准备：中间层材料为厚50μm的锡锌箔3（Sn/Zn比为1: 5），将锡锌箔3加工成直径与镁合金片4与铝合金片2相同直径的圆片，用丙酮溶液超声清洗10min；用平面磨床将镁合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。
按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层5，镁合金片4放置于石墨阻焊层5上，然后放置锡锌箔3，在锡锌箔3上放置铝合金片2，在铝合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层5，往上是WC硬质合金上压头1，形成组装好的工件。
工件装卡入炉焊接：将工件套上WC硬质合金外套9后放在真空压力焊机的下压头8上面。然后在真空度优于1.0×10-2Pa的条件下，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至300℃，然后以5℃/min升至350℃，再以2℃/min升至400℃，保温30min，当温度升至300℃时施加0.5MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的镁/铝圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。
实施例4：
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接，其中：镁合金片4为直径Φ29mm MB2镁合金片，铝合金片2为Φ29mm 1060铝合金片。 扩散连接工艺条件是：焊接温度450℃，保温时间45min，焊接压力0.5MPa。
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接的具体步骤如下：
焊前准备：中间层材料为厚15μm的锡锌箔3（Sn/Zn比为1: 7），将锡锌箔3加工成直径与镁合金片4与铝合金片2相同直径的圆片，用丙酮溶液超声清洗10min；用平面磨床将镁合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。
按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层5，镁合金片4放置于石墨阻焊层5上，然后放置锡锌箔3，在锡锌箔3上放置铝合金片2，在铝合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层5，往上是WC硬质合金上压头1，形成组装好的工件。得到的镁/铝圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。
工件装卡入炉焊接：将工件套上WC硬质合金外套9后放在真空压力焊机的下压头8上面。然后在真空度优于1.0×10-2Pa的条件下，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至350℃，然后以5℃/min升至400℃，再以2℃/min升至450℃，保温45min，当温度升至350℃时施加0.5MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。
实施例5：
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接，其中：镁合金片4为直径Φ29mm AZ31B 镁合金片，铝合金片2为Φ29mm 2A12铝合金片。 扩散连接工艺条件是：焊接温度430℃，保温时间25min，焊接压力0.8MPa。
将镁合金片4与铝合金片2进行扩散连接的具体步骤如下：
焊前准备：中间层材料为厚30μm的锡锌箔3（Sn/Zn比为1: 3），将锡锌箔3加工成直径与镁合金片4与铝合金片2相同直径的圆片，用丙酮溶液超声清洗10min；用平面磨床将镁合金片和铝合金片加工出平行度优于0.05mm的圆薄片，焊前用1000#、1200#和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，用丙酮溶液超声清洗10min。
按照自下而上顺序组装：在WC硬质合金下压头6上放置石墨阻焊层5，镁合金片4放置于石墨阻焊层5上，然后放置锡锌箔3，在锡锌箔3上放置铝合金片2，在铝合金片2上放置起阻焊作用的石墨阻焊层5，往上是WC硬质合金上压头1，形成组装好的工件。
工件装卡入炉焊接：将工件套上WC硬质合金外套9后放在真空压力焊机的下压头8上面。然后在真空度优于1.0×10-2Pa的条件下，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至330℃，然后以5℃/min升至380℃，再以2℃/min升至430℃，保温25min，当温度升至300℃时施加0.8MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。得到的镁/铝圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。
图2是本发明加入锡锌箔中间层后在焊接温度450℃，保温时间10min，焊接压力1MPa下扩散焊接镁合金和铝合金的连接界面的显微结构，其中，编号10、11和12分别为反应中间层、铝基体侧、镁基体侧。由图2可知：焊接接头界面清晰、平整，形变量小，得到的镁/铝圆片结合紧密，平行性好，平面精度高。
上述实施例中，所述丙酮可以由乙醇替换。

Claims (8)

1.镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，包括工件表面清理、工件组装、工件装卡入炉焊接步骤，其特征是一种含中间层镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，具体是：
（1）工件表面清理步骤：
采用平面磨的机械方法将镁合金片（4）、铝合金片（2）加工到规定的几何尺寸，用砂纸打磨它们的待焊面，以除去氧化层，并且用有机溶剂超声清洗；
（2）工件组装步骤：
按照自下而上顺序组装，在WC硬质合金下压头（6）上放置石墨阻焊层（5），镁合金片（4）放置于石墨阻焊层（5）上，然后放置锡锌箔（3），在锡锌箔（3）上放置铝合金片（2），在铝合金片（2）上放置起阻焊作用的石墨阻焊层（5），往上是WC硬质合金上压头（1），形成组装好的工件；
（3）工件装卡入炉焊接步骤：
将工件套上WC硬质合金外套（9）后放在真空压力焊机的下压头（8）上面，置于真空扩散焊接炉内的上压头和下压头之间，关闭真空室门，抽真空；当真空度优于1.0×10-2Pa时，开始加热，加热至400℃～450℃，保温10min～60min，在保温开始前对被焊接工件施加0.1MPa～1MPa轴向压力，保温结束之后完全卸除压力；随炉冷却。
2.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：在所述工件表面清理步骤中，所述镁合金片（4）、铝合金片（2）加工后的平行度优于0.05mm，用粒度1000#、1200＃和05、06号金相砂纸逐级打磨光滑，除去氧化层，用有机溶剂超声清洗1～10min后转入有机溶剂中存放。
3.如权利要求1或2所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述镁合金片（4）为MB2镁合金或AZ31B镁合金；所述铝合金片（2）为2A12铝合金或1060铝合金。
4.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述工件装卡入炉步骤中，所述锡锌箔厚度为5~50μm、Sn/Zn比为1﹕1~9。
5.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述工件装卡入炉步骤中，所加锡锌箔用有机溶剂超声清洗1～10min，然后转入有机溶剂中存放。
6.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述工件装卡入炉步骤中，所述阻焊层为石墨片。
7.如权利要求1或2或５所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述有机溶剂为丙酮或乙醇。
8.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的低温扩散焊接方法，其特征在于：所述真空扩散焊接步骤中，加热时，先按5℃～10℃/min的升温速率升温至300℃～350℃，然后以2℃～10℃/min的升温速率升至400℃～450℃。
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