CN108526692A - 一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺 - Google Patents

一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁/铝异种金属的激光填丝焊工艺，通过在焊接界面处的镁合金和铝合金之间夹入镍中间层，并添加与铝合金和镍中间层相接触的锌‑铝合金焊料，锌‑铝合金焊料的表面涂覆钎剂，保护气体环境下激光熔钎焊，在镍中间层两侧形成由锌‑镍相、镁‑镍和铝‑镍相组成的镁/铝焊接头。选用锌‑铝合金作填充材料，配合纯镍箔作为中间层；通过调整激光工艺参数，控制中间层的熔化程度；调整中间层的伸出长度，获得焊缝成型美观、无裂纹等缺陷的镁/铝合金焊接接头。这种方法可以有效控制因镁、铝两者冶金反应产物—脆性金属间化合物的产生，提高镁/铝合金焊接接头可靠性，满足镁合金和铝合金异种金属焊接头的使用要求。

Description

一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺，用于镁合金组件和铝合金组件之间的连接。
背景技术
铝合金因具有密度小、比强度高、无磁性、优良的耐腐蚀性、良好的成形性、低温性等优点而被广泛地应用于工业领域，镁合金是一种比铝合金密度更小的金属材料，具有较高的比强度和比刚度，优良电磁屏蔽性能，同样被广泛的应用于工业领域。工业领域中具有广泛应用的镁、铝两种轻质材料的焊接加工是不可避免的。但是，镁合金和铝合金由于其各自的物理和化学性质以及两者之间的性质差异给焊接加工带来了较大的难度。此外，镁/铝异种金属的焊接过程中不可避免的生成具有很大脆性的镁-铝金属间化合物，极大的降低了焊接头的强度，大大阻碍了镁/铝异种轻质构件的工业应用。
采用摩擦焊和超声波焊可实现镁合金和铝合金的焊接，但这两种方法均属于固相连接方法，对被焊件的尺寸要求严格，难以加工复杂组件。如果能够在熔焊条件下实现对铝合金和镁合金的可靠连接，将大大提升镁/铝异种轻质构件的应用前景。
电弧焊是一种常用熔焊手段，但其热输入量大、加热位置难以控制、焊接变形严重的缺点，使得该方法难以应用于镁合金和铝合金的焊接。且，镁合金的沸点较低(1096℃)，在熔焊过程中极其容易挥发，导致接头内出现气孔等缺陷，因此，在焊接过程中必须严格控制热输入和焊件温度场。
故，仍需对镁/铝异种金属的焊接技术作进一步的研究改进，以克服现有镁/铝异种金属焊接的缺陷和局限，提升镁/铝异种轻质构件的工业应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺，该工艺过程控制简便，克服焊接裂纹及气孔等缺陷，提高焊缝的抗裂性和稳定性，形成焊接质量稳定的镁/铝异种金属连接件。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺，步骤包括：在焊接界面处的镁合金和铝合金之间夹入镍中间层，并添加与铝合金和镍中间层相接触的锌-铝合金焊料，锌-铝合金焊料的表面涂覆有钎剂，保护气体环境下激光熔钎焊，在镍中间层两侧形成由锌-镍相、镁-镍和铝-镍相组成的镁/铝焊接头。
具体地，镁合金和铝合金之间重叠搭接，镍中间层部分夹入镁合金和铝合金的重叠搭接部位，镍中间层其余部分伸出镁合金和铝合金的重叠搭接部位并紧贴镁合金；锌-铝合金焊料置于伸出镁合金和铝合金重叠搭接部位的镍中间层上并与铝合金接触，锌-铝合金焊料的表面涂覆有钎剂，保护气体环境下激光熔钎焊，在镍中间层两侧形成由锌-镍相、镁-镍和铝-镍相组成的镁/铝焊接头。镍中间层伸出镁合金和铝合金重叠搭接部位的部分的长度为2～8mm，优选为4～6mm。
所述激光熔钎焊过程中，激光参数为：激光光源为二极管，激光功率1.8～2.6kW，优选为2.6kW；焊机速度0.15～0.30m/min，优选为0.18m/min；气体流量10～18L/min，优选为15L/min。
所述激光熔钎焊过程中，激光聚焦于涂覆有钎剂的锌-铝合金焊料上表面。作为优选方案，激光光束垂直于涂覆有钎剂的锌-铝合金焊料，并聚焦于涂覆有钎剂的锌-铝合金焊料上表面，激光光斑的中心线与涂覆有钎剂的锌-铝合金焊料的中心线对中齐平。所述激光光斑形状可为方形或椭圆形等，优选为矩形，更优选为尺寸1mm×12mm的矩形。
所述锌-铝合金焊料由质量百分比的以下成分组成：Al 21.0％～23.0％，其他元素0.15％，余量为Zn。
所述锌-铝合金焊料为锌-铝合金焊丝、片状锌-铝合金焊料、棒状锌-铝合金焊料或带状锌-铝合金焊料，优选为锌-铝合金焊丝，更优选为直径1.6～2.0mm的锌-铝合金焊丝。
所述镍中间层为镍箔或镍板等，其纯度为99％～99.99％，纯度优选为99.9％；优选为镍箔，更优选为厚度0.2～0.4mm的镍箔。
锌-铝合金焊料表面涂覆钎剂的方法包括：先将粉状钎剂与有机溶剂混合制成钎剂溶液，再将钎剂溶液涂覆在锌-铝合金焊料表面。所述钎剂溶液优选为介于膏状与悬浮液之间的溶液形式。所述有机溶剂包括乙醇、甲醇或丙三醇等，优选为乙醇。锌-铝合金焊料表面涂覆的钎剂厚度为30～50μm。
所述钎剂由质量百分比的以下成分组成：LiCl 35％～40％，KCl 30％～35％，NaF10％～21％，NaCl 8％～13％，ZnCl2 6％～10％。
所述保护气体为氩气、氮气或者氩氮混合气等，优选为氩气，更优选为纯度大于99.99％的氩气。
所述铝合金在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将铝合金置于氢氧化钠溶液中浸泡，冲洗，干燥。具体包括：(1)将铝合金置于60℃～70℃的10％～15％氢氧化钠溶液中浸泡后，冷水冲洗；(2)将经步骤(1)处理的铝合金置于30％氢氧化钠溶液中浸泡后，热水冲洗，干燥。步骤(1)的浸泡时间为2～3分钟，步骤(2)的浸泡时间为2～3分钟，步骤(2)的干燥方式为吹干。
所述镁合金在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将镁合金置于铬酸溶液中浸泡，冲洗，干燥。所述铬酸溶液为质量浓度2.5％的铬酸溶液，浸泡时间为2～3分钟，冲洗方式为热水冲洗，干燥方式为吹干。
所述镍中间层在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将镍中间层置于丙酮中浸泡，晾干。浸泡时间为2～3分钟。
所述锌-铝合金焊料在焊接前进行表面清理去除表面杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将锌-铝合金焊料置于丙酮中浸泡，晾干。浸泡时间为2～3分钟。
该镁/铝异种金属的激光填料焊工艺还包括激光熔钎焊后的冷却和清理，具体为：激光熔钎焊结束后，自然冷却至室温，再置于温水中洗刷。所述温水的温度为45℃～55℃。自然冷却至室温，可降低焊接裂纹风险；温水中洗刷，以去除镁/铝接头表面钎剂。
本发明从镁合金和铝合金的冶金性能入手，在焊接界面处插入镍中间层，尤其是纯镍中间层，阻挡熔化的镁合金和铝合金之间的相互混合和扩散，抑制两者的冶金反应；同时，镍和镁合金之间具有良好的冶金特性，反应产物Mg-Ni相的脆性大大低于Mg-Al相；从铝合金和镍的冶金特性出发，考虑添加Zn-Al合金作为填充材料，Zn-Al合金与Al合金冶金相容性良好，反应产物为连续固溶体，且Zn-Al合金与Ni反应产物为Zn-Ni相和Al-Ni相，其脆性也远远低于Mg-Al相；依此调控焊缝组织及界面组织形貌，降低镁/铝接头的开裂风险。
本发明的有益效果是：本发明镁/铝合金异种金属的激光填料焊工艺，选用锌-铝合金作为填充材料，配合镍箔作为中间层；通过调整激光焊接工艺参数，控制焊接热输入，控制中间层的熔化程度；通过添加适当填充材料，可将焊缝和界面组织合金化，降低焊缝反应产物的脆性，控制镁元素的挥发，获得焊缝成型美观、无裂纹、少气孔的焊接接头；还可通过调整镍中间层伸出镁合金和铝合金重叠搭接部位的长度，获得焊缝成型美观、无裂纹等缺陷的焊接接头。本发明方法成本低，操作方便灵活，焊接效率高，获得满足使用要求的镁合金与铝合金异种金属焊接接头。
附图说明
图1为本发明镁合金和铝合金重叠搭接激光焊示意图。图1中，1-铝合金板，2-镁合金板，3-镍箔，4-锌-铝合金焊丝，5-钎剂涂覆层，6-激光二极管，7-保护气出口，8-激光熔钎焊后的镁/铝异种金属焊接缝。
图2为实施例1、实施例2和实施例3制备的镁合金和铝合金焊接接头的断裂载荷测试结果。
图3为实施例1制备的镁合金和铝合金焊接接头的截面扫描电镜图。
图4为实施例1制备的镁合金和铝合金焊接接头的镍/镁反应界面扫描电镜图。
图5为实施例1制备的镁合金和铝合金焊接接头的镍/锌-铝反应界面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施并不限于以下各实施例。
实施例1
一、焊材和中间层的选取
镁合金板(ZEK100)：尺寸60mm×50mm，厚度1.5mm；
铝合金板(AA5182)：尺寸60mm×50mm，厚度1.5mm；
镍箔：尺寸50mm×10mm，厚度0.2mm，纯度99.9％；
Zn-Al系合金焊丝：直径1.6～2.0mm，焊丝中化学元素的质量百分比为：Al 21.0％～23.0％，其他元素0.15～0.2％，余为Zn；其中，其它元素为符合标准的Zn-Al系合金焊丝中所允许出现的其它成分，对主成份锌和铝的焊接反应无影响。
钎剂：Superior No.20(Superior Flux&Mfg.Co.)，其成分质量百分比为：LiCl35％～40％，KCl 30％～35％，NaF 10％～21％，NaCl 8％～13％，ZnCl26％～10％。
二、焊前准备
(1)表面清理和钎剂溶液制备
铝合金板的表面清理：(1)将铝合金板置于温度为60℃～70℃的10％～15％氢氧化钠溶液中浸泡2～3分钟，冷水冲洗；(2)经步骤(1)处理后的铝合金板再置于30％氢氧化钠溶液中浸泡2分钟，热水冲洗，吹干。
镁合金板的表面清理：将镁合金板置于质量浓度2.5％铬酸溶液中浸泡2～3分钟，热水冲洗，吹干。
Zn-Al系合金焊丝的表面清理：将Zn-Al系合金焊丝置于丙酮中浸泡2分钟，晾干。
镍箔的表面清理：将镍箔置于丙酮中浸泡2分钟，晾干。
钎剂溶液制备：将粉状Superior No.21钎剂与纯乙醇混合制成介于膏状与悬浮液之间的溶液形式，待用。
(2)搭接
如图1所示，将铝合金板1置于镁合金板2上方，分别沿镁合金板2和铝合金板1的长度为60mm的长边方向上重叠搭接，铝合金板1和镁合金板2重叠搭接的长度为10mm；在镁合金板2和铝合金板1的重叠搭接部位插入镍箔3，沿镍箔3长度为10mm的宽边方向上插入镍箔，其中，8mm插入镁合金板2和铝合金板1的重叠搭接部位，剩余2mm伸出镁合金板2和铝合金板1的重叠搭接部位，镍箔3伸出镁合金板2和铝合金板1重叠搭接部位的下表面紧贴镁合金板2，上表面暴露于空气中；此时，镍箔3长度为50mm的长边与镁合金板2和铝合金板1的长度为50mm的宽边平行，镍箔3长度为10mm的宽边与镁合金板2和铝合金板1的长度为60mm的长边平行。
用丙酮擦拭伸出镁合金板2和铝合金板1重叠搭接部位的镍箔3表面，以去除镍箔表面的油脂及氧化物等，待干后，将直径为1.6～2.0mm的单根Zn-Al系合金焊丝4沿镍箔50mm的长边方向，放置于镍箔3的伸出镁合金板2和铝合金板1重叠部位的暴露于空气中的上表面；最后用刷子蘸少许钎剂溶液涂抹该单根Zn-Al系合金焊丝4，保证Zn-Al系合金焊丝4表面的钎剂涂覆层5的干燥厚度为30～50μm。
三、施焊
出光焊接前，用氩气对焊接的正面和侧面同时保护1～2分钟；出光焊接时，氩气按照图1所示的气体方向由保护气出口7喷出，同样确保激光旁轴辅助氩气保护，氩气纯度大于99.99％。
激光二极管6形成的激光光束沿图1所示的焊接方向(从右至左)实施焊接，焊接过程中，激光光束垂直于上述涂覆有钎剂的单根Zn-Al系合金焊丝4，光束不倾斜或不偏移，激光聚焦于上述涂覆有钎剂的单根Zn-Al系合金焊丝4的上表面，激光聚焦平面光斑的中心线与涂覆有钎剂的单根Zn-Al系合金焊丝4的中心线对中齐平；激光参数为：二极管光源，激光功率2.6kW，焊接速度0.18m/min，气体流量15L/min；聚焦平面光斑为尺寸1mm×12mm的矩形光斑。
停止出光收尾后，连接镁合金板2和铝合金板1的焊缝继续用氩气保护1～2分钟，形成如图1所示的激光熔钎焊后的镁/铝异种金属焊接缝8。
四、焊后处理
(1)焊后冷却
激光焊接完成后，将镁合金和铝合金焊件静置冷却至室温，可降低开裂风险。
(2)焊后清理
将冷却至室温的镁合金和铝合金焊件置于50℃温水中洗刷，去除焊接表面的残余钎剂。
五、结果测试
采用万能拉伸试验机测试镁合金和铝合金焊接接头的拉伸强度，结果如图2所示，当镍箔伸出镁合金板和铝合板金重叠搭接部位2mm时，所得镁合金和铝合金焊接接头的断裂载荷约为51N，明显低于伸出长度4mm和6mm时的断裂载荷。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的截面扫描电镜图如图3所示，镍箔中间层很好的阻挡了镁合金和铝合金之间的混合和扩散，抑制两者的冶金反应，避免生成性能差的镁-铝金属间化合物。镁合金与镍箔之间、锌-铝合金焊料与镍箔之间形成良好的冶金连接，锌-铝合金焊料与铝合金母材之间形成连续固溶体。所得镁合金和铝合金焊接接头无裂纹，完好成形。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的镍/镁反应界面扫描电镜图如图4所示，镁/镍反应界面的上部为镍箔，镁/镍反应界面的下部为镁熔化区，在镍箔和镁熔化区之间形成含有MgNi2的中间层，在镁/镍反应界面的镁熔化区形成新的物相成分AlNi和α-Mg+Mg2Ni共晶(eutectic)，因此，镁/镍反应界面形成的物相成分有MgNi2、AlNi和α-Mg+Mg2Ni共晶(eutectic)，在镁/镍反应界面生成Mg-Ni相和Al-Ni相，不存在Mg-Al金属间化合物，进一步说明镍箔中间层阻挡了镁合金和铝合金之间的冶金反应。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的镍/锌-铝反应界面扫描电镜图如图5所示，镍/锌-铝反应界面的上部为锌-铝熔化区，镍/锌-铝反应界面的下部为镍箔，在锌-铝熔化区和镍箔之间形成含有Ni5Zn21物相成分的Zn-Ni相中间层，不存在Mg-Al金属间化合物，进一步说明镍箔中间层阻挡了镁合金与铝合金之间的冶金反应。
实施例2
一、焊材和中间层的选取
与实施例1相同。
二、焊前准备
(1)表面清理和钎剂溶液制备
表面清理方法和钎剂溶液制备方法与实施例1相同。
(2)搭接
搭接方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：镍箔插入镁合金板和铝合金板的重叠搭接部位的长度为6mm，剩余4mm伸出镁合金板和铝合金板的重叠搭接部位。
三、施焊
施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光功率2.4kW，焊接速度0.24m/min。
四、焊后处理
(1)焊后冷却：方法同实施例1。
(2)焊后清理：方法同实施例1。
五、结果测试
采用万能拉伸试验机测试镁合金和铝合金焊接接头的拉伸强度，结果如图2所示，当镍箔伸出镁合金板和铝合金板重叠搭接部位4mm时，所得镁合金和铝合金焊接接头的断裂载荷约为252N，明显高于伸出长度2mm时的断裂载荷，且断裂载荷增强幅度大；但低于伸出长度为6mm时的断裂载荷。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的截面扫描电镜图结果与实施例1相似。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的镍/镁反应界面扫描电镜图结果与实施例1相似。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的镍/锌-铝反应界面扫描电镜图结果与实施例1相似。
实施例3
一、焊材和中间层的选取：与实施例1相同。
二、焊前准备
(1)表面清理和钎剂溶液制备：表面清理方法和钎剂溶液制备方法与实施例1相同。
(2)搭接
搭接方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：镍箔插入镁合金板和铝合金板的重叠搭接部位的长度为4mm，剩余6mm伸出镁合金板和铝合金板的重叠搭接部位。
三、施焊
施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光功率2.0kW，焊接速度0.28m/min。
四、焊后处理
(1)焊后冷却：方法同实施例1。
(2)焊后清理：方法同实施例1。
五、结果测试
采用万能拉伸试验机测试镁合金和铝合金焊接接头的拉伸强度，结果如图2所示，当镍箔伸出镁合金板和铝合金板重叠搭接部位6mm时，所得镁合金和铝合金焊接接头的断裂载荷约为403N，明显高于伸出长度2mm和4mm时的断裂载荷，且断裂载荷增强幅度大。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的截面扫描电镜图结果与实施例1相似。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的镍/镁反应界面扫描电镜图结果与实施例1相似。
本实施例所得镁合金和铝合金焊接接头的镍/锌-铝反应界面扫描电镜图结果与实施例1相似。
综上，在焊接界面处的镁合金和铝合金之间夹入镍中间层，可有效阻挡镁合金和铝合金之间的混合和扩散，抑制两者的冶金反应；同时在镍中间层两侧各自生成冶金性能和力学性能更好的锌-镍相、镁-镍和铝-镍相，改善镁合金和铝合金焊接接头的成形性，提高镁合金和铝合金焊接接头的力学性能；且随着伸出镁合金和铝合金重叠部位的镍箔中间层的长度增加，所得镁合金和铝合金焊接接头的断裂载荷强度也随之增强，且断裂载荷的增强幅度大。
需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项目技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁/铝异种金属的激光填料焊工艺，其特征在于，步骤包括：在焊接界面处的镁合金和铝合金之间夹入镍中间层，并添加与铝合金和镍中间层相接触的锌-铝合金焊料，锌-铝合金焊料的表面涂覆有钎剂，保护气体环境下激光熔钎焊，在镍中间层两侧形成由锌-镍相、镁-镍和铝-镍相组成的镁/铝焊接头。
2.根据权利要求1所述的激光填料焊工艺，其特征在于，步骤包括：镁合金和铝合金之间重叠搭接，镍中间层部分夹入镁合金和铝合金的重叠搭接部位，镍中间层其余部分伸出镁合金和铝合金的重叠搭接部位并紧贴镁合金；锌-铝合金焊料置于伸出镁合金和铝合金重叠搭接部位的镍中间层上并与铝合金接触，锌-铝合金焊料的表面涂覆有钎剂，保护气体环境下激光熔钎焊，在镍中间层两侧形成由锌-镍相、镁-镍和铝-镍相组成的镁/铝焊接头。
3.根据权利要求2所述的激光填丝焊工艺，其特征在于，镍中间层伸出镁合金和铝合金重叠搭接部位的部分的长度为2～8mm。
4.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，所述激光熔钎焊过程中，激光聚焦于涂覆有钎剂的锌-铝合金焊料上表面，激光参数为：激光光源为二极管，激光功率1.8～2.6kW，焊机速度0.15～0.30m/min，气体流量10～18L/min。
5.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，所述锌-铝合金焊料由质量百分比的以下成分组成：Al 21.0％～23.0％，其他元素0.15％～0.2％，余量为Zn。
6.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，所述钎剂由质量百分比的以下成分组成：LiCl 35％～40％，KCl 30％～35％，NaF 10％～21％，NaCl 8％～13％，ZnCl2 6％～10％。
7.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，锌-铝合金焊料表面涂覆钎剂的方法包括：先将粉状钎剂与有机溶剂混合制成钎剂溶液，再将钎剂溶液涂覆在锌-铝合金焊料表面。
8.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，所述保护气体为氩气、氮气或者氩氮混合气。
9.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，所述铝合金在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将铝合金置于氢氧化钠溶液中浸泡，冲洗，干燥；
所述镁合金在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将镁合金置于铬酸溶液中浸泡，冲洗，干燥；
所述镍中间层在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将镍中间层置于丙酮中浸泡，晾干；
所述锌-铝合金焊料在焊接前进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理的方法为：将锌-铝合金焊料置于丙酮中浸泡，晾干。
10.根据权利要求1或2所述的激光填料焊工艺，其特征在于，还包括激光熔钎焊结束后的冷却和清洗。
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