CN106270878A - 一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，适用于异种金属焊接领域，用于解决现有镁/钛之间熔点差异较大以及不发生冶金反应的问题，该方法首先在酸洗后的钛板上电镀镍作为中间层，然后采用镁板在上、钛板在下的搭接形式，同时使用高纯氩气进行正反面保护，通过填充镁合金焊丝实现镁/钛的连接，本发明有效地提高了镁合金在钛板上的润湿铺展能力，可获得无明显缺陷的接头，拉伸强度可达到243 N/mm，接头效率为镁板的90%，具有较高的实用价值。

Description

一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种通过电镀方式添加中间层的镁/钛激光焊接方法。

背景技术

人类越来越重视对资源和环境的保护，轻量化是实现节能减排和推动可持续发展的一条重要途径。钛合金作为结构件在航空工业上已有广泛应用，实现镁/钛两者之间的可靠连接既是轻量化应用的前提，也为镁合金扩大在航空航天领域的应用奠定基础。但是镁、钛之间的熔点差异较大，分别为649℃和1678℃，而镁的沸点为1091℃远低于钛的熔点，因此传统的熔化焊方法在熔化钛的同时会在成镁合金的剧烈蒸发。另外，由于镁、钛之间的溶解度非常小，几乎不发生冶金反应，因此就需要一种能够与母材发生反应或者在母材中有较大固溶度的元素来作为中间元素，实现镁/钛之间的冶金连接。

激光熔钎焊可以避免低熔点金属在焊接过程的大量蒸发，适用于熔点相差较大的异种材料的连接。但目前对于镁/钛异种材料的激光焊接研究较少，缺乏一种可以有效改善镁/钛连接效果以及调控界面反应的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决镁/钛异种金属焊接时存在熔点差异较大、难以发生冶金反应以及接头强度低等问题，而提出了一种采用镍镀层辅助进行镁/钛激光熔钎焊接的方法。

本发明采用镍镀层辅助进行镁/钛激光熔钎焊接的方法是通过以下步骤实现的：

(1) 板材处理：将钛板使用酸洗液去除氧化膜后用酒精冲洗并烘干；用角磨机打磨镁板以去除氧化膜；

(2) 钛板电镀过程：按质量浓度190 g/L ≤ NiSO₄·6H₂O ≤ 220 g/L，8 g/L ≤NaCl

≤ 12 g/L，25 g/L ≤ H₃BO₃ ≤ 35 g/L，60 g/L ≤ Na₂SO₄ ≤ 80 g/L，50 g/L ≤MgSO₄·7H₂O ≤ 70 g/L配备电镀液，电镀时pH值控制在4.0 ~ 6.0，优选地pH值控制在4.5~ 5.5，温度20 ℃ ~ 50 ℃，电流密度0.8 A/dm² ~ 1.5 A/dm²；

(3) 焊接过程：使用丙酮擦洗镁板和步骤（2）中镀镍钛板的待焊部位采用正离焦模式进行焊接，将镁板和钛板装配成镁板在上，钛板在下的搭接接头，其中激光束、送丝喷嘴和保护气喷嘴固定在同一平面内，焊丝与钛板的夹角在30 ~ 50°之间，保护气采用氩气，流量为10 L/min ~ 20 L/min。

本发明步骤(1)中酸洗方法为：使用质量分数为36 ~ 38%的盐酸、质量分数为40%的氢氟酸、蒸馏水配制成酸洗液，酸洗液中盐酸、氢氟酸和蒸馏水的体积分数分别为15%、5%、80%，，使用上述酸洗液清洗钛板2 ~3min。配备时应注意在塑料容器内按照先后顺序依次加入相应体积分数的蒸馏水、盐酸和氢氟酸。

进一步，电镀时间将直接影响镀层的厚度，镀层厚度将进一步影响界面反应的程度。本发明步骤(2)中的电镀时间控制在10 ~ 180 min，优选110 ~ 130 min。

进一步，本发明步骤(3)使用的焊丝为镁合金焊丝，直径在0.8 ~ 2.5 mm之间，激光功率P = 1000 ~ 2000 W，优选1300 ~ 1500 W，离焦量∆F = 20 ~ 30 mm，焊接速度0.3~ 0.8 m/min，送丝速度1.5 ~ 4.0 m/min。

在上述技术方案中，本发明通过采用正离焦的散焦模式，可以提高激光热源的作用范围，进而降低了激光与焊丝的对中精度要求，利于焊丝在钛板表面的润湿铺展。

为了进一步提高电镀的质量，本发明步骤(2)中的电镀使用的钛板应在酸洗后12h内完成电镀，避免钛板过度氧化。另外电镀结束后首先及时用清水冲洗镀镍钛板上残余的电镀液，再用酒精冲洗后烘干，以免附着的电镀液影响钛板的外观质量。

进一步，本发明步骤（2）中电镀时使用磁力搅拌器对电镀液进行搅拌，搅拌速度为150 ~ 500 r/min。搅拌可以加速溶液的流动，促进电镀液中物质的传递过程，在消除浓差极化的同时可以使镀液温度趋于一致。但是当搅拌速度过高时，阳极产生的阳极泥或渣会在较强搅拌力的作用下沉积在镀件，易造成镀层粗糙、多孔。

进一步，本发明步骤（2）中的镀层厚度为1.5 ~ 6.5 μm。镍镀层可以与镁、钛发生反应，进而实现接头的冶金结合。镀层较薄时，参与反应的镍含量较低，易致界面反应不充分，影响连接效果。而镀层过厚则会在界面处生成大量脆性金属间化合物，对接头的强度有害。

进一步，步骤（2）中电镀时pH值控制在4.5 ~ 5.5。

本发明中添加镍镀层的镁/钛激光熔钎焊接的基本原理如下：在焊接时将镁板与镀镍钛板装配成镁板在上、钛板在下的搭接形式，精确控制热输入量即通过调节激光离焦量、功率、焊接速度、送丝速度等参数，保证镁板熔化而钛板不熔，使焊丝与镁板之间形成熔焊连接，焊丝与钛板之间形成钎焊连接。同时由于添加的镍镀层与镁和钛都可以发生反应，生成连接用的反应层，进而实现了镁/钛的冶金连接。

本发明的有益效果是：激光熔钎焊可以有效降低熔点较低金属在焊接过程中的蒸发，获得良好的焊缝成形。本发明提供的电镀镍方法来添加中间层，简单有效、成本低廉，相比于添加夹层的方式可以显著节省装配时间，并且镍镀层与钛板的紧密结合可以有效防止钛板在焊前的氧化，有效改善镁合金在钛板上的润湿铺展性，并使镁/钛之间形成冶金结合。同时相对于中间夹层，通过改变电镀时长可以灵活获取不同厚度的镀层，方便对界面反应进行调控。焊接过程中采用正离焦的散焦模式，相比于常见的穿透焊模式，增大了光斑面积，可以降低光束与焊丝的对中要求，利于焊丝的润湿铺展。

附图说明

图1是本发明中钛板上电镀镍的示意图。

图2是本发明中镁/钛的激光熔钎焊接示意图。

图3是采用本发明方法获得的不同镀层厚度下镀镍钛板横截面扫描电镜照片。

图4是采用本发明方法获得的典型镁/钛接头截面照片。

图5是采用本发明方法获得的典型镁/钛接头界面显微组织照片。

具体实施方式

图1和图2中：1表示电镀槽，2表示电镀液，3表示钛板，4表示直流电源，5表示镍板，6表示焊缝，7表示镁板，8表示送气喷嘴，9表示激光束，10表示焊丝，11表示焊接方向。

图3中（a）~（f）依次表示采用本发明方法获得的镀层厚度为1.5μm，2.0μm，2.5μm，4.0μm，5.8μm，6.5μm的镀镍钛板横截面扫描电镜照片。

本发明提出一种采用镍镀层辅助进行镁/钛激光熔钎焊接的方法，具体实施的步骤如下：

(1)板材处理：将钛板使用酸洗液去除氧化膜后用酒精冲洗并烘干；用角磨机打磨镁板以去除氧化膜；

(2)钛板电镀过程：按质量浓度190 g/L ≤ NiSO₄·6H₂O ≤ 220 g/L，8 g/L ≤ NaCl≤ 12 g/L，25 g/L ≤ H₃BO₃ ≤ 35 g/L，60 g/L ≤ Na₂SO₄ ≤ 80 g/L，50 g/L ≤MgSO₄·7H₂O ≤ 70 g/L配备电镀液，镍板做阳极，钛板做阴极，电镀时pH值控制在4.0 ~6.0，温度20℃ ~ 50℃，磁力搅拌器转速150 ~ 500 r/min，电流密度0.8 ~ 1.5 A/dm²，电镀时间10 ~ 180 min(优选110 ~ 130 min)。钛板应在步骤（1）酸洗完成后12h内完成电镀，避免钛板过度氧化，电镀结束后首先及时用清水冲洗镀镍钛板上残余的电镀液，再用酒精冲洗后烘干，以免附着的电镀液影响钛板的外观质量；

(3)焊接过程：使用丙酮擦洗镁板和步骤（2）中镀镍钛板的待焊部位采用正离焦模式进行焊接，将镁板和钛板装配成镁板在上、钛板在下的搭接接头，其中激光束、送丝喷嘴和保护气喷嘴固定在同一平面内，焊丝与钛板的夹角在30 ~ 50°之间，保护气采用氩气，流量为10 ~ 20 L/min，镁合金焊丝直径在0.8 ~ 2.5 mm之间，激光功率P = 1000 ~ 2000 W(优选1300 ~ 1500 W)，离焦量∆F = 20 ~ 30 mm，焊接速度0.3 ~ 0.8 m/min，送丝速度1.5 ~4.0 m/min。

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是本发明的保护范围局不限于所述实施例。

实施例1：母材为AZ31B镁合金和Ti-6Al-4V钛合金，尺寸为100×50×1 mm。

(1)板材处理：使用质量分数为36 ~ 38%的盐酸、质量分数为40%的氢氟酸配备体积分数为15%盐酸、5%氢氟酸、80%蒸馏水的酸洗液，清洗钛板2 ~3min，随后用酒精冲洗并烘干待用；用角磨机打磨镁板以去除氧化膜；

(2)钛板电镀过程：按质量浓度NiSO₄·6H₂O 200 g/L，NaCl 10 g/L，H₃BO₃ 32 g/L，Na₂SO₄ 72 g/L，MgSO₄·7H₂O 60 g/L配备电镀液，镍板做阳极，钛板做阴极，电镀时pH值控制在5.0，温度35℃，磁力搅拌器转速250 r/min，电流密度1 A/dm²，电镀时间120 min。电镀结束后首先及时用清水冲洗镀镍钛板上残余的电镀液，再用酒精冲洗后烘干，以免附着的电镀液影响钛板的外观质量。

(3)焊接过程：将镁板和钛板装配成镁板在上、钛板在下的搭接接头采用正

离焦模式进行焊接，其中激光束、送丝喷嘴和保护气喷嘴固定在同一平面内，焊丝与钛板的夹角为45°，保护气采用氩气，流量为16 L/min，选用直径1.6 mm的AZ92镁合金焊丝，激光功率P = 1300 W，离焦量∆F = 20 mm，焊接速度0.5 m/min，送丝速度2.5 m/min。

本实施例得到的镍镀层厚度约为4 μm，镀镍钛板横截面扫描电镜照片如图3中（d）部分所示，镁/钛接头的拉伸试验结果表明断裂发生在焊缝上，接头强度为243 N/mm。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是电镀时间为60 min，其它与实施例1相同。得到的镍镀层厚度约为2 μm，镀镍钛板横截面扫描电镜照片如图3中（b）部分所示，镁/钛接头的拉伸试验结果表明断裂发生在界面处，接头强度为211 N/mm。

实施例3

本实施例与实施例1至2不同的是电镀时间为180 min，其它与实施例1至2相同。得到的镍镀层厚度约为6.5 μm，镀镍钛板横截面扫描电镜照片如图3中（f）部分所示，镁/钛接头的拉伸试验结果表明断裂发生在焊缝上，接头强度为220 N/mm。

实施例4

本实施例与实施例1不同的是激光功率为1100 W，其它与实施例1相同。镁/钛接头的拉伸试验结果表明断裂发生在界面上，接头强度为163 N/mm。

实施例5

本实施例与实施例1和4不同的是激光功率为1700 W，其它与实施例1和4相同。镁/钛接头的拉伸试验结果表明断裂发生在界面上，接头强度为191 N/mm。

Claims (10)

1.一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）板材处理：将钛板使用酸洗液去除氧化膜后用酒精冲洗并烘干；用角磨

机打磨镁板以去除氧化膜；

（2）钛板电镀过程：按质量浓度190 g/L ≤ NiSO₄·6H₂O ≤ 220 g/L，8 g/L ≤ NaCl

≤ 12 g/L，25 g/L ≤ H₃BO₃ ≤ 35 g/L，60 g/L ≤ Na₂SO₄ ≤ 80 g/L，50 g/L ≤MgSO₄·7H₂O ≤ 70 g/L配备电镀液，镍板做阳极，钛板做阴极，电镀时pH值控制在4.0 ~6.0，温度20℃ ~ 50℃，电流密度0.8 ~ 1.5 A/dm²；

（3）焊接过程：使用丙酮擦洗镁板和步骤（2）中镀镍钛板的待焊部位采用正离焦模式进行焊接，将镁板和钛板装配成镁板在上、钛板在下的搭接接头，其中激光束、送丝喷嘴和保护气喷嘴固定在同一平面内，焊丝与钛板的夹角在30 ~ 50°之间，保护气采用氩气，流量为10 ~ 20 L/min。

2.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤(1)中酸洗方法为：使用质量分数为36 ~ 38%的盐酸、质量分数为40%的氢氟酸、蒸馏水配制酸洗液，酸洗液中盐酸、氢氟酸和蒸馏水的体积分数分别为15%、5%、80%，清洗钛板2 ~ 3min。

3.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤(2)中的电镀时间在10 ~ 180 min。

4.根据权利要求3所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤(2)中的电镀时间在110 ~ 130 min。

5.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤(3)使用的焊丝为镁合金焊丝，直径在0.8 ~ 2.5 mm之间，激光功率P = 1000 ~ 2000 W，离焦量∆F = 20 ~ 30 mm，焊接速度0.3 ~ 0.8 m/min，送丝速度1.5 ~ 4.0 m/min。

6.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤(2)中的电镀使用的钛板应在酸洗后12 h内完成电镀，电镀结束后首先及时用清水冲洗镀镍钛板上残余的电镀液，再用酒精冲洗后烘干。

7.根据权利要求1或5所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤(3)中激光功率为1300 ~ 1500 W。

8.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤（2）中电镀时使用磁力搅拌器对电镀液进行搅拌，搅拌速度为150 ~ 500 r/min。

9.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤（2）中的镀层厚度为1.5 ~ 6.5 μm。

10.根据权利要求1所述的一种镍镀层辅助的镁/钛激光熔钎焊接方法，其特征在于：步骤（2）中电镀时pH值控制在4.5 ~ 5.5。