CN102284760B - 镁合金及其复合材料非真空半固态机械辅助旋转钎焊方法 - Google Patents

Abstract

镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，将镁合金或其复合材料焊件装卡在卡具上并在两个待焊表面处放置Zn-Sn系或Zn-Al-Sn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及其复合材料的高效率、高质量、经济的连接。

Description

镁合金及其复合材料非真空半固态机械辅助旋转钎焊方法

技术领域

本发明涉及是一种镁合金及铝基复合材料焊接方法。

背景技术

镁合金及其复合材料以其成本低、制备容易、耐磨性好、性能和功能可设计性强等突出优点脱颖而出，成为金属基复合材料中研究的主流之一，而且其在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景，被认为是二十一世纪最有希望的复合材料之一。但是，镁合金及其复合材料欲在航天、武器装备及民品上进一步推广应用，就必须解决其二次加工技术问题，特别是一些复杂构件的连接技术远远落后于其它技术的研究，成为该种材料走向实用化的瓶颈，因此深入研究镁合金及其复合材料焊接中的科学问题是非常必要的。

镁合金及其复合材料的焊接研究之所以远远落后于其它二次加工技术是因为该材料的特殊结构特点导致其焊接性很差，增强相与基体在物理和化学性质方面的差异是当前焊接的主要难点。目前，国内外在镁合金及镁基复合材料焊接方面开展了大量的研究工作，如电弧焊、激光焊、钎焊、扩散焊、瞬时液相焊等。存在以下的一些问题：

（1）物理相容性问题：液态熔池中的部分固态SiC等增强相严重地影响到了熔池中的传热及传质过程，使熔池表现为粘度高、流动差，对气孔、未熔合和未焊透等缺陷的敏感性高；熔池中的镁基复合材料与添充材料难于混合均匀，且稀释率低、成型困难；同时，液态金属凝固时增强相的偏聚破坏了它原有的分布特点从而使接头性能恶化；另外，由于增强相与基体线胀系数相差较大，在焊接的加热和冷却过程中较大的内应力会残留在接头中，需要进一步的热处理；同时镁合金基体和增强相（如SiC）熔点相差很大，在钎焊温度下增强体不熔化，导致钎料流动性变差，由于固态增强相的存在钎料在母材上的润湿与铺展受到严重阻碍；加入某些合金元素及提高钎焊温度在某种程度上可得到改善，但温度过高又易引起母材的过烧熔蚀，给钎焊过程带来很大困难。

（2）镁合金及其复合材料表面易生成氧化膜，且MgO熔点很高，严重影响钎料在母材上的润湿与铺展，成为镁基复合材料钎焊的主要障碍之一。同时它严重阻碍两个连接表面之间的扩散结合。用机械或化学清理后又立即生成，即使在高真空条件下，这层氧化膜也难于破碎，影响原子间扩散。为破坏基体连接表面的氧化膜的连续性就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或在连接界面上施加很大的压力。这会使连接件产生较大的塑性变形。

与现有的在真空条件下添加半固态中间层进行加压来完成连接的工艺（中国专利：00107491.1）相比，此工艺中由于引入旋转进程大大提高了连接过程中动态去膜能力，降低工艺对焊接表面和焊接氛围的严格要求，最终可实现材料的非真空条件下高效连接。另外，申请人在专利号为200610010098.4的“铝合金及其复合材料非真空半固态振动流变连接方法”，提出通过半固态钎料的振动流变的方式，成功地破碎基体表面的氧化膜。然而进一步的结果表明连接过程中振动引起的周期性压缩－拉伸效应容易使焊缝产生气孔，极大地限制了焊缝强度的提高。申请人在专利“一种无保护低温焊接铝基复合材料的方法”(公开号：CN1326836A)，该方法主要是依靠不锈钢钢丝刮磨涂有Zn-Al基钎料的工件表面，使焊件表面氧化层破坏，从而使熔化的钎料渗入母材中而实现连接。焊接过程中需要钢丝对工件表面进行刮磨，破除氧化层不彻底且不易实现自动化，同时刮磨的过程中容易卷入气体，使焊缝极易产生气孔。

与已经实现的振动液相摩擦、旋转液相摩擦去除氧化膜工艺相比，此焊接过程中高粘度的半固态合金钎料始终保持在待焊表面，既为钎料与母材的扩散溶解提供了合适的浓度梯度，而且还在整个焊接过程中保护了待焊表面不被二次氧化，同时半固态机械旋转连接下无气孔和非枝晶焊缝组织的获得，也是此工艺非常突出的一个特点。

镁合金及其复合材料的焊接性比较特殊，各种连接方法都在一定程度上适合于该种材料的连接，但连接难度大。主要原因是由于增强相与基体物理、化学性能的巨大差异使连接工艺难以控制，增强相与基体之间良好界面的结合也难以得到。相比之下，扩散焊接比熔化焊更具潜力。特别是瞬间液相（TLP）连接技术在连接镁合金及其复合材料时得到了令人鼓舞的结果。但目前镁合金及其复合材料大量的焊接工作还是在实验室中进行，更具实际应用意义的TLP焊接工艺尚需做出进一步的努力。与以上工艺相比，此工艺具有以下两个突出特点。其一，半固态中间夹层的引入，使连接可在母材的固相线温度以下进行，进一步降低了焊接温度，同时也减少了母材软化倾向。其二，在连接过程中只对半固态钎料层进行旋转搅拌，而母材无明显的形变，可实现母材的精密连接。综上所述，此工艺的将镁合金及其复合材的半固态焊接引入机械旋转，实现镁合金及其复合材的经济、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，提供一种镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，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：

一种镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其步骤如下：

（1）将镁合金或其复合材料待焊件装卡在卡具上并在两个待焊件的焊接表面处放置、镀或喷涂钎料；

（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350~450℃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400~480℃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，实现镁合金及其复合材料低成本、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，实现镁合金及其复合材料的焊接，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，在500℃以下，避免了镁合金及其复合材料的软化，克服了熔化焊时母材熔化带来的不良后果，如成型不佳，增强相偏析，增强相／基体有害反应等。

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，氧化膜破碎是通过熔化的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、颗粒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。而且，通过旋转的介入，使溶解的母材中的颗粒进入焊缝，从而形成具有复合接头的焊缝。从而，进一步提高了接头的性能。

 6、适合精密及较大焊接表面铝基复合材料构件的焊接。

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是镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊的方法过程示意图，

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是镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊连接原理示意图，

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，将AZ31B镁合金待焊件6装卡在卡具5上，待焊件间的间隙为500μm。并在两待焊件6的焊接表面放置Zn-Sn系钎料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400℃，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，将AZ91D铝合金待焊件6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-Al-Sn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向焊件加压力并保持恒定值，加载压力为0.2MPa，同时加热焊件6，加热温度在360℃,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410℃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，在两个圆棒待焊件6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，以至在镁合金及其复合材料基体表面形成溶解液相A，从而形成溶解层C，此时在溶解层中的SiC颗粒F在搅拌头的作用下进入焊缝中。

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，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 (8)

1.镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于其步骤如下：

（1）将镁合金或其复合材料待焊件装卡在卡具上并在两个待焊件的焊接表面处放置、镀或喷涂钎料；

（2）对待焊件施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350~450℃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，对焊件施加压力，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所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于钎料是Zn-Al-Sn系或Zn-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所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于所述步骤（3）的保温温度在400~480℃之间，保温时间在1~5分钟。

4.根据权利要求1所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于焊件的形状为棒件、厚板件或方柱件。

5.根据权利要求1所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于钎料是片状、箔状、镀层或事先喷涂在待焊表面。

6.根据权利要求1所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，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。

7.根据权利要求1所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于所述加压采用气压加压或液压加压。

8.根据权利要求1所述的镁合金及其复合材料非真空半固态旋转辅助钎焊方法，其特征在于加热待焊件采用高频感应线圈或火焰加热。

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