CN102266994A - 外加振动能量辅助下的铝合金与镁合金异质半固态钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种外加振动能量辅助下的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法。本发明将铝合金与镁合金焊件装卡在卡具上并在两待焊表面放置Zn-Al或Al-Si系的中温钎料，钎料可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面。加热焊件使中间层钎料处于半固态，调整压力使之与所加振动的振幅相匹配，启动振动装置，振幅为0.01~2mm，其钎料是随两焊件一起振动，根据实际要求振动时间为0.5~3分钟，振动停止,空冷至室温，钎焊过程中始终施加一定压力0.1~5MPa。本发明可实现铝合金与镁合金的高效率、高质量、经济的连接。

Description

外加振动能量辅助下的铝合金与镁合金异质半固态钎焊方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种铝合金与镁合金异质焊接方法。

背景技术

异种金属焊接构件的特点是能够最大限度地利用材料的各自优点，收到“物尽其用”的效果，而且又可获得更好的经济效益。由于Mg的比刚度高，导热、导电性能好，电磁屏蔽、阻尼性能好且价格低廉，因此成为新世纪最有发展潜力的非铁金属材料之一。而铝镁异种材料焊接将镁的高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度与铝的良好的机械强度、良好的耐蚀性能相结合起来。又由于镁和铝在地壳中的含量都很丰富，因此镁铝异种材料若能牢固焊接在一起，将具有十分广阔的应用前景。镁和铝熔焊时，由于两种材料的相互溶解度很小，在焊缝中形成大量的金属间化合物，从而使焊缝变脆，接头性能低。

下面分别对现有的各种方法进行介绍：

1、熔化焊

熔化焊（如TIG焊、激光焊等）是金属材料连接最常用的焊接方法之一，但将其应用于铝镁异种材料的焊接中，在接头熔合区附近存在大量连续的Mg₁₇Al₁₂，Mg₂Al₃等脆性金属间化合物相，这些脆性金属间化合物使得在镁和铝接合处施加很小的力也会开裂，而不能获得性能较好的Mg/Al异种金属焊接接头。

2、钎焊

铝合金表面存在一层致密的氧化膜（Al₂O₃），钎焊过程中如去除不彻底，钎料对表面的润湿铺展能力将被大大降低，严重影响接头的成形及最终性能。目前对于铝合金材料的钎焊采用钎剂，通过化学反应去除氧化膜，或者采用真空的焊接环境以避免厚且致密的氧化膜的生成来实现焊接，或者提高钎焊温度，基体部分软化甚至熔化在某种程度上可得到改善。然而，钎剂的使用一方面是增加了成本，另一方面钎剂一般都具有腐蚀性，如焊后清洗不完全，接头在服役过程中容易出现腐蚀破坏问题；真空环境的焊接限制了焊接的灵活性，结构稍复杂、尺寸稍大的构件的焊接变得困难，且该方法焊接周期长、成本高；钎焊温度过高易引起母材的过烧熔蚀，影响钎焊质量。

3、固相焊

利用摩擦焊焊接Mg/Al异种金属得到焊接接头的组织为两种材料的混合层，由于焊接过程同样存在大的塑性变形和固态流动，使得搅拌区内得到由动态再结晶得到的细晶组织，强度和韧性介于2种材料之间，从而成功地实现了镁合金与异种金属的连接。但搅拌摩擦焊设备较昂贵，成本高，导致搅拌摩擦焊在Mg/Al异种金属的焊接收到限制。

利用真空扩散焊需要通过严格控制加热温度、保温时间和焊接压力，才可以获得界面结合紧密的Mg/Al异种金属扩散焊接头，接头界面过渡区主要是由Mg,Al原子相互扩散形成的，并且界面过渡区呈现界限分明的相层。该方法需要在真空环境下，限制了焊接的灵活性，结构稍复杂、尺寸稍大的构件的焊接变得困难，且该方法焊接周期长、成本高。

综上所述，铝合金与镁合金的焊接性比较特殊，无论采用哪种焊接方法，Mg/Al异种金属焊接接头的结合区均存在高硬度的脆性Mg-Al系金属间化合物相，这对于提高Mg/Al异种金属接头的塑韧性及应用都是不利的。主要原因是由于脆性的铝镁金属间化合物使连接工艺难以控制。

可见，铝合金/镁合金的焊接由于缺乏一种比较通用的、可靠的焊接工艺，其应用与推广受到极大的限制，随着汽车工业及低碳生活的发展，这个问题日益突出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提出一种铝合金与镁合金异质半固态钎焊方法，在焊接过程中外加振动能量进行辅助，通过被焊表面不接触的条件下钎料的液态金属的流变去膜以及焊缝的半固态振动流变成型,实现去膜与成型的分阶段控制，减少Mg-Al系金属间化合物相的产生，并且通过振动使得以生成的Mg-Al系金属间化合物相均匀分布，甚至达到Mg-Al系金属间化合物弥散化，从而,使接头的性能得到较大的改善。

本发明的技术方案如下：

一种外加振动能量辅助下的铝合金与镁合金异质半固态钎焊方法，其是将铝合金和镁合金焊件分别装卡在卡具上，并在两焊件的待焊表面放置、镀或喷涂Zn-Al钎料，放置的钎料可以是片状、箔状。通入保护气体氩气，加热焊件使中间的钎料处于半固态，调整压力使之与所加振动的振幅相匹配（这里之所以要匹配是因为压力与振幅都是焊接参数，如果压力大，振幅也大，则焊接效果差，并且压力与振幅存在一个较佳的范围。同时这个匹配的问题，只要是焊接方面的专家都是了解的），启动振动装置，振幅为0.01~2mm，其钎料是随两焊件一起振动，根据实际要求振动时间为0.5~3分钟，振动停止, 空冷至室温，钎焊过程中始终施加一定压力0.1~5Mpa。

本方法针对的焊件的形状可以是板材、棒料或方柱件。

钎料可以是Zn-Al系或Al-Si系的中温钎料，钎料的液相线温度应小于连接材料的固相线温度。

加热焊件使钎料处于半固态的加热温度为钎料的固相线-液相线之间，固相分数在40~80%之间。

所述振动装置为机械振动装置、电动振动装置或超声振动装置。

加热焊件的加热方式为电阻式、高频感应线圈或火焰加热。

加压的方式采用机械加压、气压或液压。

发明效果

本发明方法解决了现有各种方法所存在的主要关键问题，克服了其成形不良，避免了金属间化合物的连续化，改善接头组织，实现了铝合金与镁合金的高效、高质量焊接。

本方法主要优点及达到的性能指标如下：

1、本方法可在保护气体下实现铝合金与镁合金的焊接，焊接表面无需特殊清理，焊接周期短，高效，成本低，接头可靠，工程意义较为理想。

2、焊接温度低于母材固相线,避免了铝合金及镁合金的软化，克服了熔化焊时母材熔化带来的不良后果，如成型不佳，大量连续的金属间化合物等。

3、在焊接过程中由中间的钎料中的固相部分对铝合金母材表面的冲刷挤压使氧化膜破碎、破碎后的氧化皮将溶解到钎料中，同时使整个焊缝处在一个半固态钎料的液相部分的保护下，基体表面与空气隔离不会二次生成氧化皮，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以去除的问题。

4、在焊接过程中，施加很小的压力将多余的钎料从焊缝中挤出，减小焊缝中的钎料成分。振动促进了焊缝成分的均匀化，提高接头性能。

5、振动还使得连续的金属间化合物破碎，形成非连续金属间化合物，有利于提高接头的综合性能。

6、此种焊接方法继承了钎焊的焊件尺寸变形小，焊接温度低的优点。

附图说明

图1为铝合金与镁合金半固态振动焊接的原理图；

图2为本方法采用的焊接装置的结构示意图；

图3为图2的焊接装置的焊接平台的局部放大图；

图4为焊接过程示意图。

图中1为铝合金、 2为热电偶、3为弹簧、4为压紧螺母、5为钎料、6为镁合金、7为通气管、8为焊接平台、9为加热管、10为振动平台、11为限位弹簧、12为振动平台支柱、13为激振器、14为连接线路、15为接线端、16为激振器控制面板、17为控制箱、18为温度控制面板、19为加速度传感器、20为焊接平台支柱、21为保护气体罩、22为固定锲块、23为滑动锲块、24为调整螺钉、25为调整螺钉安装座。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本方法的实施过程：

本发明方法可以采用图2和图3所示的装置实现，该装置包括焊接部分、振动部分、控制部分和卡具部分。其中：

焊接部分包括焊接平台8、保护气体罩21、热电偶2、加热管9和通气管7；焊接平台8上放置焊件，保护气体罩21罩在焊接平台8上，热电偶2设置在保护气体罩21内，一端与焊件相连，另一端与控制部分的温度控制模块相连。保护气体罩21上接有通气管7。焊接平台8下设置有加热管9。

振动部分包括有振动平台10、弹簧11、振动平台支柱12和激振器13。所述焊接平台8通过焊接平台支柱固定在振动平台10上，振动平台支柱12的连接部位设置弹簧11。激振器13设置在振动平台10的正下方。

控制部分包括连接线路14、激振器控制面板16、控制箱17、温度控制面板18和加速度传感器19。所述控制箱17内安装振动控制模块和温度控制模块，振动控制模块发送信号控制安装在振动平台上的激振器13的转速，振动控制模块上显示加速度传感器19的数值。温度控制模块与加热管9连接，控制加热管的加热功率并显示实时焊接温度。所述加速度传感器19有三个，分别设置在能检测振动平台的X、Y、Z三个方向的振幅的位置上，与振动控制模块相连，将XYZ三个方向的加速度反馈给振动控制模块。

卡具部分包括弹簧3、压紧螺母4、固定锲块22、滑动锲块23、调整螺钉24、调整螺钉安装座25，安装在焊接平台上。弹簧3、压紧螺母4为待焊件提供压力。固定锲块22、滑动锲块23、调整螺钉24和调整螺钉安装座25组成钎缝间隙调整机构，调整螺钉安装座固定焊接平台上，固定锲块固定在调整螺钉安装座一侧并位于焊件下方，所述滑动锲块放置在固定锲块之上，两者锲面接触，调整螺钉水平安装在调整螺钉安装座上，其端部顶住活动锲块的一端。所述夹具部分是将板材装夹在滑动锲块23与焊接平台8上，通过调节安装在调整螺钉安装座25上的调整螺钉24的位置，从而调节滑动锲块23与固定锲块22之间的位置来实现对铝合金1与镁合金6之间的间隙的调整，弹簧3和压紧螺母4起保证在焊接过程中铝合金1与镁合金6的相对位置不发生改变的作用，同时调整弹簧3和压紧螺母4与镁合金6的相对位置来实现压力的变化，并在焊前利用压力测试仪对其压力进行测量。

采用上述装置进行铝合金/镁合金半固态振动焊接的过程如下： 

将热电偶3、加热管9与温度控制面板中的接线端15连接，振动传感器19、激振器13与激振器控制面板中的接线端15连接，将铝合金焊件1和镁合金焊件6装卡在卡具部分上，由弹簧3和压紧螺母4固定，并在两焊件的待焊表面之间放置片状Zn-Al钎料5。调整铝合金1与镁合金6之间的间隙及通过调整弹簧3和压紧螺母4与镁合金6的相对位置来调整压力使之与所加振动的振幅相匹配，通过通气管7向保护气体罩21内通入保护气体氩气，开启温度控制面板18使得加热管9发热从而加热铝合金1与镁合金6使中间的钎料5处于半固态，开启激振器控制面板16启动激振器13，振幅为0.01~2mm，使钎料5随铝合金1与镁合金6一起振动，根据实际要求振动时间为0.5~3分钟，振动停止, 空冷至室温，钎焊过程中始终施加0.1~5Mpa压力。在此过程中，其温度、振动与压力的关系见图4。

本方法的振动焊接原理如图1所示：在镁合金6与铝合金1中间放置半固态Zn-Al钎料5，通过施加适当的振动使半固态合金中固相颗粒D被挤压、破碎以至去除焊件基体氧化膜C,使得半固态合金的晶间液相A与基体发生适当的扩散溶解，以至在镁合金与铝合金基体表面形成溶解液相，从而形成溶解层B。

Claims (8)

1.外加振动能量辅助下的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于将铝合金和镁合金焊件分别装卡在卡具上，并在两焊件的待焊表面之间放置、镀或喷涂Zn-Al系或Al-Si系的中温钎料，通入保护气体氩气，加热焊件使中间的钎料处于半固态，调整焊件之间的压力使之与所加振动的振幅相匹配，启动振动装置，振幅为0.01~2mm，使钎料随两焊件一起振动，振动时间为0.5-3分钟，振动停止后, 空冷至室温，钎焊过程中始终施加0.1~5Mpa压力。

2.根据权利要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于焊件是板材、棒料或方柱件。

3.根据权利要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于所述钎料的液相线温度应小于铝合金和镁合金焊件的固相线温度。

4.根据权利要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于所述钎料是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。

5.根据权利要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于加热焊件使钎料处于半固态的加热温度为钎料的固相线-液相线之间，固相分数在40~80%之间。

6.根据权利要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于所述振动装置为机械振动装置、电动振动装置或超声振动装置。

7.根据权力要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于所述加热焊件的加热方式为电阻式、高频感应线圈或火焰加热。

8.根据权利要求1所述的铝合金与镁合金异质半固态振动钎焊方法，其特征在于所述加压的方式采用机械加压、气压或液压。

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