CN102284758A

CN102284758A - 镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法

Info

Publication number: CN102284758A
Application number: CN2011101882481A
Authority: CN
Inventors: 许惠斌; 罗泉祥; 张小彬; 周博芳; 杜长华; 曾友亮; 孙汇彬
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102284758B

Abstract

镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，分别将镁合金和铝合金焊件装卡在卡具上并在两个待焊表面处放置Zn-Sn或Zn-Al-Sn系等钎料，加热焊件，加热温度在350~450℃之间,同时加压力，压力范围为0.1~1MPa，使中间层钎料处于半固态状态，启动旋转装置，转速为65~1500r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为10~300秒。旋转停止后，温度按一定的升温速率上升，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解一定厚度的母材，保温温度在400~480℃之间，保温时间在1~5分钟。随后，加压力，压力范围为0.1~1MPa，再次启动旋转装置（二次旋转），转速为65~600r/min，待旋转3~60秒之后，停止旋转，到保温5~30分钟后，随炉冷却。本发明可实现镁合金与铝合金的高效率、高质量、经济的连接。

Description

镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法

技术领域

本发明涉及是一种镁合金与铝合金异质焊接方法。

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2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。另外，外加振动能量辅助下的铝合金/镁合金异质半固态钎焊方法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。故此工艺的将镁合金与铝合金异质的半固态焊接引入机械旋转，实现镁合金与铝合金的经济、高效的，同时具有以上特征的半固态连接技术国内外未见有报道。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术存在的不足和需要，提供一种镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，在被焊表面不接触的条件下，通过半固态金属的流变去膜以及焊缝的半固态旋转流变成型,在旋转过程中实现去膜与成型，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：

一种镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其步骤如下：

（1）分别将镁合金与铝合金待焊件装卡在卡具上并在两个待焊表面处放置钎料；

（2）对待焊件加压力并保持恒定值，压力范围为0.1~1Mpa，并同时加热待焊件，加热温度在300~450℃之间，使中间层钎料处于半固态状态，其钎料固相率的范围在10~80%；

（3）通过旋转装置使待焊件旋转，转速为65~1500r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为10~300秒；旋转停止后，使温度按一定的升温速率上升，升温速率在0.1~5℃/s，使钎料溶解一定厚度（5~200μm）的母材即待焊件材料，并保温，保温温度在480~520℃之间，保温时间在1~5分钟。

（4）再加压力，压力范围为0.1~1MPa，再次启动旋转装置进行二次旋转，转速为65~600r/min，待旋转3~60秒之后，停止旋转，保温1~30分钟，后随炉冷却。

本方法使用的钎料是Zn-Sn系或Zn-Al-Sn系的钎料，钎料的液相线温度应小于待焊件材料的固相线温度。

待焊件的形状可为棒件、厚板件和方柱件。钎料是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。

待焊件的旋转方式为单一待焊件旋转或是两个待焊件相对旋转。加压方式可采用气压加压或液压加压。加热待焊件采用高频感应线圈或火焰加热。

本发明方法可以解决现有技术的各种方法所存在的主要关键问题，实现镁合金与铝合金异质的低成本、高效、高质量焊接。本方法主要的优点及达到的性能指标如下：

1、本方法可在大气环境和无需钎剂条件下，实现镁合金与铝合金异质焊接，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，在500℃以下，避免了材料的软化，克服了熔化焊时母材熔化带来的不良后果，如成型不佳，金属间化合物连续性等。

3、在整个连接过程中的第一次旋转中，上下试件表面始终不接触，氧化膜破碎是通过半固态钎料金属对母材表面的冲刷及固态颗粒对母材表面的挤压来完成的，解决了诸如钎焊、扩散焊中氧化膜难以去除的问题。

4、一次旋转后的升温及保温阶段，通过中间层中Zn、Sn在母材晶间及增强相与基体间界面的扩散，从而导致母材晶粒的局部融化。最终在母材一侧形成固液共存的半固态区。

5、在焊接过程中的第二次旋转时，通过旋转流变进程，从焊缝中挤出多余的钎料金属及一次旋转形成的孔洞。从而，缩短焊缝与母材成分均匀化所需的时间，进一步提高了接头的性能。

6、适合精密及较大焊接表面镁合金与铝合金异质构件的焊接。

7、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,而得到了近似瞬间液相扩散焊的接头性能。

附图说明

图1是镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法的原理图，

图2A是焊件相对旋转方式示意图，

图2B是焊件单件旋转方式示意图；

图3是镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法连接原理示意图，

图4是非真空半固态旋转辅助钎焊过程示意图。

具体实施方式

以下结合图

实施例1:

参见图1和图2A，分别将AZ31B镁合金待焊件6与2024铝合金焊件8装卡在卡具5上，待焊件间的间隙为500μm。并在两个待焊件6与焊件8的焊接表面放置Zn-Al27中温钎料3，钎料可以是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。利用气缸1对待焊件6与焊件8间加压力并保持恒定值，加载压力为0.3MPa，同时利用高频线圈4加热待焊件，加热温度在350℃之间,使中间层钎料3熔化。启动旋转平台2，旋转方式为双焊件旋转，旋转方向相反，转速为300r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为30秒。旋转停止后，温度按一定的升温速率上升，升温速率为0.5℃/s，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解厚度为20~200μm的母材，保温温度在380℃，保温时间在1分钟。随后，加载压力为0.2MPa，再次启动旋转平台2装置（二次旋转），转速为150r/min，待旋转20秒之后，停止旋转，到保温5分钟后，随炉冷却。

实施例2：

参见图1和图2B，分别将AZ91D镁合金待焊件6与6061铝合金待焊件8装卡在卡具5上，焊件间的间隙为600μm。并在两待焊表面放置Zn-Al12中温钎料3，钎料可以是片状，箔状，镀层或事先喷涂在待焊表面。利用气缸1向焊件间加压力并保持恒定值，加载压力为0.2MPa，同时加热焊件6与待焊件8，加热温度在380℃,使中间层钎料3处于半固体。启动旋转平台2装置，旋转方式为单焊件旋转，转速为300r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为40秒。旋转停止后，温度按一定的升温速率上升，升温速率为1℃/s，并且在预定的温度下保温，使钎料溶解厚度为20~200μm的母材，保温温度在400℃之间，保温时间在1分钟。随后，加载压力为0.1MPa，再次启动旋转平台2装置（二次旋转），转速为200r/min，待旋转10秒之后，停止旋转，到保温5分钟后，随炉冷却。

本发明的工作原理见附图3，在两个圆棒带焊件6和8中间放置半固态钎料3，通过施加适当的旋转力场使半固态合金中固相颗粒B挤压、破碎以至去除焊件基体氧化膜D,使得半固态合金的晶间液相E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A，从而形成溶解层C。

本发明的工艺过程见附图4，当焊接温度达到所设温度时，开启气缸，使得焊件之间保持一定的压力，启动旋转装置，保持一定时间后，停止旋转装置及加载压力；随后按照一定升温速率进行升温，当达到所设温度时，开启气缸，使得焊件之间保持一定的压力，再次启动旋转装置，保持一定时间后，停止旋转装置及加载压力，并进行一定时间的保温，随后将焊件空冷。

Claims

1.镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于其步骤如下：

（1）将镁合金及铝合金待焊件装卡在卡具上并在两个待焊件的焊接表面处放置、镀或者喷涂钎料；

（2）对两个待焊件加压力并保持恒定值，压力范围为0.1~1Mpa，并同时加热待焊件，加热温度在300~450℃之间，使钎料处于半固态状态，其钎料固相率的范围在10~80%；

（3）通过旋转装置使待焊件旋转，转速为65~1500r/min，在旋转过程中温度恒定不变，旋转时间为10~300秒；旋转停止后，使温度按一定的升温速率上升，升温速率在0.1~5℃/s，使钎料溶解厚度5~200μm的母材即待焊件材料，并保温；

（4）待保温时间结束后，施加压力，压力范围为0.1~1MPa，再次启动旋转装置进行二次旋转，转速为65~600r/min，待旋转3~60秒之后，停止旋转，并保温1~30分钟后，随炉冷却。

2.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于钎料是Zn-Sn系或Zn-Al-Sn系的钎料，钎料的液相线温度应小于待焊件材料的固相线温度。

3.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于所述步骤（3）的保温温度在480~520℃之间，保温时间在1~5分钟。

4.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于所述步骤（4）的保温时间1~30分钟。

5.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于焊件的形状可为棒件、厚板件和方柱件。

6.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于钎料是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。

7.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于所述待焊件的旋转方式为单一待焊件旋转或是两个待焊件相对旋转。

8.根据权利要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于加压方式可采用气压加压或液压加压。

9.根据权力要求1所述的镁合金与铝合金异质非真空机械强迫旋转半固态钎焊方法，其特征在于加热待焊件采用高频感应线圈或火焰加热。