CN107745179A - 一种镁合金与铝合金的连接方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镁合金与铝合金连接方法，并针对该方法设计了一种相匹配的装置，本发明采用磁控溅射技术对试样待连接的部位进行溅射一层微米级别的非晶薄膜作为连接介质，不仅避免了连接部位的氧化，也避免了镁铝金属间化合物的产生，同时，镁、铝合金的连接区与镁铝合金之间不存在气孔及宏观裂纹等缺陷，且非晶薄膜作为中间层可大幅度减小过渡层中的残余应力，非晶薄膜的过渡区小，对镁铝合金整体性能影响较小，显著提高镁铝连接接头的结合强度，使得镁铝之间的连接更加牢固。

Description

一种镁合金与铝合金的连接方法及其装置

技术领域

本发明属于镁合金与铝合金连接领域，特别涉及一种镁合金与铝合金的连接方法及其装置。

背景技术

铝合金作为工程结构材料，具有密度低、强度离，塑性好，可加工成各种型材，因又具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，被广泛地用在汽车、轮船、火车、航天飞机等交通工具上。随着镁合金价格的下降，镁合金因良好的加工性、抗震性、质量轻等优点，被越来越多地应用在汽车等行业。镁合金和铝合金应用领域交叉，就不可避免地遇到连接问题。解决镁合金和铝合金的连接问题，充分发挥镁合金和铝合金各自的优势，镁与铝异种金属的连接价值将远远超过同种金属的连接价值。

近年来，镁合金、铝合金在各行业中应用迅速增长，人们越来越重视它们的连接问题，但由于两种金属的晶体结构、线膨胀系数、热导率、导电率相差很大，很难实现可靠的连接，因此镁合金以及铝合金的应用受到了极大的制约。目前镁合金与铝合金的连接主要采用焊接的方式，铝镁异种金属的焊接方法主要分为熔焊，固相焊和钎焊三种，每种焊接方法又有不同的细分。近年来，研究人员将非晶合金应用到了镁铝合金的连接领域，例如，本发明发明人此前提出了一种以非晶块作为中间层将镁合金与铝合金通过热挤压进行连接起来的工艺(申请号：201611024343.7)，并设计了挤压模具装置；该发明是一种利用电加热设备和挤压模具对镁铝合金进行单向挤压并实现镁铝合金连接的方法，其中镁铝合金之间添加锆基非晶合金片作为中间过渡层。但发明人发现该方法采用了较大的挤压比，使得镁铝合金连接处变形较大，界面成形不美观；另外，非晶合金片的厚度大，挤压后会形成较大的中间过渡层；又由于非晶合金的强度高，要实现镁合金、非晶合金片、铝合金之间的连接，需要很大的挤压力，这样很容易导致非晶晶化，非晶晶化后硬度提高，塑性降低，降低了镁铝合金的连接强度，不利于铝镁合金的连接；另外，该专利申请中对试样的表面没有进行镀膜处理，很容易氧化，且利用加热棒和加热模具对试样进行加热，速度慢(1-2h)，效率低；为此，发明人提出了一种结合磁控溅射镀膜技术，通过加热加压的方式将镁合金与铝合金连接起来的新方法，以克服该专利申请中存在的不足。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种镁合金与铝合金连接方法，并针对该方法设计了一种相匹配的装置，本发明采用磁控溅射技术对镁铝合金的待连接表面进行预处理，在镁铝合金的待连接表面形成一层非晶薄膜作为连接介质，不仅可以阻止镁铝合金连接过程中镁、铝元素的扩散，避免镁铝金属间化合物的产生，还能够防止待连接面被氧化，从而提高镁铝合金的连接强度。

本发明的目的之一是提供一种镁合金与铝合金的连接装置。

本发明的目的之二是提供一种镁合金与铝合金的连接方法。

本发明的目的之三是提供上述镁合金与铝合金的连接方法及其连接装置的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种镁合金与铝合金的连接装置，所述连接装置主要包括：液压加压装置和电加热装置。所述液压加压装置主要包括：液压缸、固定底座、绝缘材料。其中，液压加压系统通过液压缸对固定底座进行施加压力，固定底座再通过夹具对待连接镁合金、铝合金进行加压；绝缘材料用于对加热试样之外的部分进行绝缘保护，防止漏电，避免通电情况下对设备和人造成危害；夹具可根据镁合金与铝合金的形状进行改变，本发明不做限定，例如，圆柱的镁合金或铝合金可采用V型块、三角卡盘等进行固定。

所述电加热装置包括第一环形加热电极、第二环形加热电极、温控模块、加热电源、红外测温仪、保温材料。其中，温控模块用于对镁合金与铝合金加热的调控；环形加热电极用于对镁合金与铝合金待连接面的加热；红外测温仪用于对加热温度的实时测量，方便温控模块对加热温度的控制；保温材料用于对镁合金、铝合金进行保温，防止热量的散失。

所述液压缸、固定底座、绝缘材料、夹具依次相连，镁合金或铝合金固定于夹具上；第一环形加热电极和第二环形加热电极分别套在镁合金或铝合金表面。

所述第一环形加热电极、第二环形加热电极分别和温控模块相连，温控模块与电源相连。

所述保温材料包裹在镁合金、铝合金、第一环形加热电极、第二环形加热电极的表面，起到隔热和保温的作用。

所述红外测温仪对准镁合金和铝合金待连接面处设置，以实时监控连接面处镁合金和铝合金的温度。

其次，本发明公开了利用上述连接装置的一种镁合金与铝合金的连接方法，具体包括如下步骤：

1)对铝合金与镁合金的待连接表面进行清洁处理，使待连接表面光洁无污染；

2)利用磁控溅射设备对步骤1)中经过清洁处理的铝合金与镁合金的待连接表面进行镀膜处理，在待连接表面镀一层非晶薄膜；

3)将步骤2)中待连接表面镀有非晶薄膜的铝合金与镁合金固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将保温材料包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，然后固定好红外测温仪，使得激光打在镁、铝合金待连接处，启动电源，对镁合金、铝合金进行加热，并保温，使待加热区域的温度均匀化；

4)对步骤3)中加热完成后的镁合金、铝合金进行加压连接，并保压，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

步骤1)中，所述清洁处理包括打磨，抛光。

步骤2)中，所述溅射的靶材采用锆基非晶。

步骤2)中，所述非晶薄膜的厚度为500nm～4μm。

优选的，所述非晶薄膜的厚度为2μm。

步骤3)中，所述保温材料为隔热棉，隔热棉的厚度为5mm。

优选的，所述保温材料的层数为2层。

步骤3)中，所述加热的温度为400～500℃，保温的时间为5～10min。

步骤4)中，所述加压的压力为5～10KN，保压时间为30～60min。

最后，本发明还公开了上述镁合金与铝合金的连接方法及其连接装置的应用，所述应用包括用于镁合金、铝合金、铜合金、锌合金中的任意两种或多种异种合金之间的连接。

需要说明的是，和本发明发明人此前提出了一种以非晶块作为中间层将镁合金与铝合金通过热挤压进行连接起来的工艺(申请号：201611024343.7，以下简称“在先申请”)相比，区别在于：(1)本发明是利用磁控溅射技术镀在镁合金和铝合金待连接表面的非晶薄膜作为中间连接介质，而不是以非晶合金块作为连接介质；(2)本发明为加压，实质是一种加压扩散连接，而在先申请中是挤压，其实质是一种超塑性连接，挤压所需的压力远大于加压所需的压力。本发明之所以采用非晶薄膜作为中间连接介质，然后通过加热加压的方法对镁合金和铝合金进行连接，主要是基于以下考虑：首先，受制于现有技术，非晶合金片的厚度一般在毫米级别，而非晶薄膜的厚度在纳米和微米级别，两者的数量级相差1000倍以上；其次，非晶合金的强度很高。这就意味着要实现镁合金、非晶合金片、铝合金之间的连接，需要很大的挤压力(40-100KN)，这样才能为非晶合金中的原子提供足够的原子扩散动力，但在这种情况下，大挤压力很容易导致非晶晶化，非晶晶化后硬度提高，塑性降低，降低了镁铝合金的连接强度，不利于铝镁合金的连接；如果降低挤压力，又容易导致非晶合金中原子扩散动力不足，最终扩散不充分，结合力差；另外，由于非晶合金的厚度大，会在连接界面处形成较大的中间过渡层，过渡层区域的晶体结构与铝镁合金基体的差别很大，对连接件整体的导电、导热等性能影响大；且过渡层区域存在大量的微孔，裂纹等缺陷，这会导致连接件结合强度降低；除此之外，过大的挤压力容易引起镁合金和铝合金内部产生缺陷，甚至变形，尤其是镁合金，由于其为密排六方结构，滑移系少，即使是在较高的温度下，其变形能力也较差，过大的挤压力容易导致镁合金内部产生裂纹等缺陷；同时，挤压力越大、耗能也越大，对设备各方面的要求也高，而采用非晶薄膜，再加上本发明针对这种方法专门设计的加压装置，完全可以很好地克服上述问题，同时，由于非晶薄膜的存在，在连接过程中不仅避免了连接部位氧化现象的出现，也避免了镁铝金属间化合物的产生，另外，由于非晶薄膜的厚度只有几个微米，在连接界面处形成的过渡区很小，对镁铝合金整体性能影响要比非晶合金小得多，使镁、铝合金之间的连接更加牢固。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明采用磁控溅射技术对试样待连接的部位进行溅射一层微米级别的非晶薄膜作为连接介质，不仅避免了连接部位的氧化，也避免了镁铝金属间化合物的产生，同时，镁、铝合金的连接区与镁铝合金之间不存在气孔及宏观裂纹等缺陷，且非晶薄膜作为中间层可大幅度减小过渡层中的残余应力，非晶薄膜的过渡区小，对镁铝合金整体性能影响较小，使镁铝之间的连接更加牢固，显著提升了镁铝连接强度。

(2)本发明采用电极加热的方式对试样待连接的部位进行局部加热，加热速度快，效率高；同时，本发明采用灵敏性更好的温控设备对加热试样进行更好的温度调节，使加热过程更加快速均匀，同时，本发明并对试样进行了隔热处理，不仅保证了在后续加压连接时使镁合金和铝合金能够保持所需的温度，还减少了加热过程中热量的散失，节约能源。

(3)本发明的加压装置采用液压加压装置，压力可实现连续可调，加压装置可采用多种夹头实现对不同形状的镁合金与铝合金进行固定加压连接；对镁铝合金的连接面尺寸要求不高，既可用于小型件的连接，也适用于大面积的界面连接。

(4)本发明的加压装置采用双向同时加压的方式对镁、铝合金两端同时加压，压力大小适中，镁、铝合金的变形小或者无变形，镁铝连接界面成形美观，连接精度高，可用于生产精密镁铝异种金属连接件。

(5)本发明不仅可用于镁铝合金连接，对于镁合金与铜合金，铝合金与铜合金等异种金属之间的连接都适用，应用范围广泛。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为连接前(a)和连接后(b)的镁铝合金实物图(左侧为镁合金，右侧为铝合金，d＝10mm，L＝10mm)。

图2为本发明镁合金与铝合金的连接装置示意图。

图3为环形加热电极示意图。

其中，所述附图标记分别代表：液压加压装置-A，电源-B，固定底座-1，夹具-2，镁合金或铝合金-3，第一环形加热电极-4，第二环形加热电极-5，铝合金或镁合金-6，绝缘材料-7；液压缸-1a，红外测温仪-2a，保温材料-3a，温控模块-4a。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，采用非晶合金作为连接介质对镁铝合金进行连接存在诸多问题，为了解决上述问题，本发明提供了一种镁合金与铝合金的连接方法及其装置，下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

(1)将直径为10mm，长30mm的镁合金棒(AZ31B)和铝合金棒(7075)的端面进行打磨、抛光；

其中，镁铝合金的打磨指：依次使用400^#砂纸、600^#砂纸、800^#砂纸、1200^#砂纸、1500^#砂纸将镁铝合金的表面打磨至光亮，再将表面光亮的镁合金置于酒精中超声清洗15min～20min，取出后用吹风机吹干；

镁铝合金的抛光指：将打磨好的试样依次用粒度为W2.5、W1.5和W0.5的金刚石抛光剂进行抛光，将打磨好的试样抛光至镜面效果，然后用酒精清洗后吹干，最后密封于试样袋里。

(2)然后利用磁控溅射设备对打磨好的镁、铝合金棒端面进行溅射镀膜，使镁、铝合金棒端面行程一层非晶薄膜，镀膜的靶材为锆基非晶LM1B，非晶薄膜后度为500nm。

(3)将溅射镀膜完成后的镁、铝合金棒固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将2层5mm厚的隔热棉包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，固定好红外测温仪，使得激光打在镁铝合金连接处，启动电源，将镁合金、铝合金进行加热到400℃，并保温10min。

(4)对步骤(3)中加热完成后的加热好的镁合金、铝合金进行加压连接，并5KN的压力下保压60min，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

实施例2：

(1)将直径为20mm，长30mm的镁合金棒(AZ31B)和长30mm、宽20mm、高20mm的铝合金(7075)的端面按照实施例1中的方法进行打磨、抛光。

(2)然后利用磁控溅射设备对打磨好的镁、铝合金棒端面进行溅射镀膜，使镁、铝合金棒端面行程一层非晶薄膜，镀膜的靶材为锆基非晶LM1B，非晶薄膜后度为1μm。

(3)将溅射镀膜完成后的镁、铝合金棒固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将2层5mm厚的隔热棉包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，固定好红外测温仪，使得激光打在镁铝合金连接处，启动电源，将镁合金、铝合金进行加热到420℃，并保温8min。

(4)对步骤(3)中加热完成后的加热好的镁合金、铝合金进行加压连接，并10KN的压力下保压30min，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

实施例3：

(1)将直径为20mm，长30mm的镁合金棒(AZ31B)和铝合金棒(7075)的端面按照实施例1中的方法进行打磨、抛光。

(2)然后利用磁控溅射设备对打磨好的镁、铝合金棒端面进行溅射镀膜，使镁、铝合金棒端面行程一层非晶薄膜，镀膜的靶材为锆基非晶LM1B，非晶薄膜后度为2μm。

(3)将溅射镀膜完成后的镁、铝合金棒固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将2层5mm厚的隔热棉包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，固定好红外测温仪，使得激光打在镁铝合金连接处，启动电源，将镁合金、铝合金进行加热到450℃，并保温6min。

(4)对步骤(3)中加热完成后的加热好的镁合金、铝合金进行加压连接，并6KN的压力下保压50min，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

实施例4：

(1)将直径为10mm，长20mm的镁合金棒(AZ31B)和长20mm、宽10mm、高10mm的铝合金(7075)的端面按照实施例1中的方法进行打磨、抛光。

(2)然后利用磁控溅射设备对打磨好的镁、铝合金棒端面进行溅射镀膜，使镁、铝合金棒端面行程一层非晶薄膜，镀膜的靶材为锆基非晶LM1B，非晶薄膜后度为3μm。

(3)将溅射镀膜完成后的镁、铝合金棒固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将2层5mm厚的隔热棉包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，固定好红外测温仪，使得激光打在镁铝合金连接处，启动电源，将镁合金、铝合金进行加热到470℃，并保温8min。

(4)对步骤(3)中加热完成后的加热好的镁合金、铝合金进行加压连接，并8KN的压力下保压40min，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

实施例5：

(1)将直径为10mm，长30mm的镁合金棒(AZ31B)和铝合金棒(7075)的端面按照实施例1中的方法进行打磨、抛光。

(2)然后利用磁控溅射设备对打磨好的镁、铝合金棒端面进行溅射镀膜，使镁、铝合金棒端面行程一层非晶薄膜，镀膜的靶材为锆基非晶LM1B，非晶薄膜后度为4μm。

(3)将溅射镀膜完成后的镁、铝合金棒固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将2层5mm厚的隔热棉包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，固定好红外测温仪，使得激光打在镁铝合金连接处，启动电源，将镁合金、铝合金进行加热到500℃，并保温5min。

(4)对步骤(3)中加热完成后的加热好的镁合金、铝合金进行加压连接，并7KN的压力下保压40min，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

将实施例1～5中得到的镁铝合金做成试样，并测试其力学性能，结果如表1所示。

表1

实施例	1	2	3	4	5
						连接面处剪切强度/MPa	79	84	76	87	81

从表中可以看出，本发明以非晶薄膜作为镁铝合金的连接介质，使镁铝合金的剪切强度平均达到81MPa，远高于现有技术中使用Ag、Cu薄膜得到的镁铝合金的连接强度(参见中国专利文献CN 102732849 A、CN 105149769 A)，与使用Ag、Ni这些金属薄膜作为连接介质相比，本发明的连接介质成本更低，且性能更好。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁合金与铝合金的连接装置，其特征在于：所述连接装置主要包括：液压加压装置和电加热装置；

所述液压加压装置主要包括：液压缸、固定底座、绝缘材料；

所述电加热装置包括第一环形加热电极、第二环形加热电极、温控模块、加热电源、红外测温仪、保温材料；

所述液压缸、固定底座、绝缘材料、夹具依次相连，镁合金或铝合金固定于夹具上；第一环形加热电极和第二环形加热电极分别套在镁合金或铝合金表面；

所述第一环形加热电极、第二环形加热电极分别和温控模块相连，温控模块与电源相连。

2.如权利要求1所述的连接装置，其特征在于：所述液压加压系统通过液压缸对固定底座进行施加压力，固定底座再通过夹具对待连接镁合金、铝合金进行加压。

3.如权利要求2所述的连接装置，其特征在于：所述温控模块用于对镁合金与铝合金加热的调控；所述环形加热电极用于对镁合金与铝合金待连接面的加热；所述红外测温仪用于对加热温度的实时测量；所述保温材料用于对镁合金、铝合金进行保温。

4.如权利要求3所述的连接装置，其特征在于：所述保温材料包裹在镁合金、铝合金、第一环形加热电极、第二环形加热电极的表面；所述红外测温仪对准镁合金和铝合金待连接面处设置。

5.一种镁合金与铝合金进行的连接方法，其特征在于：所述连接方法包括如权利要求1-4任一项所述的连接装置，所述连接方法具体包括如下步骤：

1)对铝合金与镁合金的待连接表面进行清洁处理，使待连接表面光洁无污染；

2)利用磁控溅射设备对步骤1)中经过清洁处理的铝合金与镁合金的待连接表面进行镀膜处理，在待连接表面镀一层非晶薄膜；

3)将步骤2)中待连接表面镀有非晶薄膜的铝合金与镁合金固定在夹具上，将环形电极放置铝合金与镁合金待加热的区域，将保温材料包裹在镁合金、铝合金、环形加热电极的表面，然后固定好红外测温仪，使得激光打在镁、铝合金待连接处，启动电源，对镁合金、铝合金进行加热，并保温；

4)对步骤3)中加热完成后的镁合金、铝合金进行加压连接，并保压，保压结束后空冷，即完成镁合金与铝合金的连接。

6.如权利要求5所述的连接方法，其特征在于：步骤1)中，所述清洁处理包括打磨，抛光。

7.如权利要求5所述的连接方法，其特征在于：步骤2)中，所述溅射的靶材采用锆基非晶；所述非晶薄膜的厚度为500nm～4μm；优选的，非晶薄膜的厚度为2μm。

8.如权利要求5所述的连接方法，其特征在于：步骤3)中，所述保温材料为两层隔热棉，隔热棉的厚度为5mm；所述加热的温度为400～500℃，保温的时间为5～10min。

9.如权利要求5所述的连接方法，其特征在于：步骤4)中，所述加压的压力为5～10KN，保压时间为30～60min。

10.如权利要求1-4任一项所述的装置和/或如权利要求6-8任一项所述的连接方法在镁合金、铝合金、铜合金、锌合金中的任意两种或多种异种合金之间的连接中的应用。