CN109352160A - 一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)根据上、下电极板的形状和尺寸，准备待连接的镁合金板和铝合金板；2)用砂纸打磨铝、镁合金板的待连接表面，去除表面氧化膜；3)将打磨后的镁合金板和铝合金板放置在高频脉冲连接设备的真空炉内，在真空环境、在线加热和施加压力载荷的条件下进行连接，即制得铝/镁合金复合材料；4)将铝/镁合金复合材料用丙酮清洗、清洁，使表面洁净。在真空环境内结合高频脉冲电场和加压控制系统，实现加热快、真空环境连接，可有效避免铝、镁合金材料待连接表面氧化，有益于铝/镁合金复合材料连接界面的结合，且具有加热速度快、效率高的特点。

Description

一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于有色金属板型材料加工与制造的技术领域，具体涉及一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法。
背景技术
随着航空航天、汽车制造等领域对轻量化需求的不断增大，轻质高强的镁、铝材料其优势逐渐凸显；考虑到镁及镁合金材料由于耐腐蚀性能差的制约因素，制备铝/镁合金复合材料既可以不损失镁材料的轻质高强优势，同时覆铝层可大大改善镁材料耐腐蚀性能差的不足。
目前，主要用于铝/镁合金异质金属材料连接的方法有扩散焊、轧制复合等；其中，扩散焊主要是在一定压力下，通过长时间的加热和保温实现铝/镁复合材料的制备；轧制复合一般需要前期加热炉加热至一定温度，随后在轧机上通过加装一定下压量实现复合材料制备，考虑到镁合金材料属于密排六方晶体结构，室温塑性差，铝/镁合金异质金属轧制连接时需要先在加热炉中将铝、镁金属板预加热至400℃以上，随后再进行轧制复合；该工艺存在以下不足：第一，对于需要热轧的异质复合材料连接时，加热与轧制过程分两步进行，大大降低了加工效率；第二，铝、镁合金材料在加热和轧制过程中，待连接表面暴露在空气中极易形成氧化物进而影响复合材料界面的连接；第三，通过轧制工艺制备的铝/镁合金复合材料，连接界面为机械结合，其结合强度低；因此，本发明提出一种高频脉冲电流在线加热与压力作用相结合，在真空炉内进行铝/镁合金复合材料的制备，本发明为异质金属复合材料连接提供一种高效率的、切实可行的制备方法。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法。本发明以镁合金、铝合金板为原材料，在真空炉内利用高频脉冲电流在线加热与压力相结合的技术保证铝/镁异质界面的冶金结合，进而实现铝/镁合金复合材料的制备。
为实现上述目的，本发明所设计的一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)准备制备复合材料的原材料
根据上下电极板的形状和尺寸，准备待连接的镁合金板和铝合金板；
2)打磨镁合金和铝合金的待连接表面
用砂纸打磨铝、镁合金板的待连接表面，去除表面氧化膜；
3)铝/镁合金复合材料的高频脉冲连接
将步骤2)中打磨后的镁合金板和铝合金板放置在高频脉冲连接设备的真空炉内，在真空环境、在线加热和施加压力载荷的条件下进行连接，即制得铝/镁合金复合材料；
4)清理、清洁
将步骤3)中制得的铝/镁合金复合材料用丙酮清洗、清洁，使表面洁净。
作为优选方案，所述步骤1)中镁合金板的尺寸为φ30mm×4mm，铝合金板的尺寸为φ30mm×1.5mm。
作为优选方案，所述步骤2)中铝、镁合金板待连接表面的粗糙度为Ra1.25～5μm。
作为优选方案，所述步骤3)中炉内压强≤5Pa；在5min中内将炉内温度加热到420℃±5℃，施加压力为25kN。
作为优选方案，所述步骤3)中高频脉冲连接设备包括真空炉、控制系统、冷却水箱和与所述控制系统连接的高频脉冲电源；
所述真空炉外壁设置有外水循环冷却管，所述外水循环冷却管的底部通过冷却水管与所述冷却水箱连接，所述冷却水箱通过导线与所述控制系统连接；
所述真空炉的炉腔内设置有上电极板和下电极板，所述上电极板和下电极板之间分别设置有上石墨垫板和下石墨垫板，所述上电极板的上部与压力电机相连，所述压力电机通过导线与所述控制系统连接；
所述真空炉的下部通过真空管与真空泵连接，所述真空泵通过导线与所述控制系统连接；
所述控制系统上设置有显示所述真空炉内的温度、真空度和加载压力值的显示器，还设置有设备运行的指示灯、电源开关按钮、压力电机控制器开关按钮，真空泵控制器开关按钮，冷却水泵控制器开关按钮和高频脉冲电源开关按钮；
所述高频脉冲电源上设置有显示电流、电压值的显示屏，还设置有电流调节旋钮，电压调节旋钮，频率调节旋钮和占空比调节旋钮；
所述下石墨垫板上设置有热电偶插孔。
作为优选方案，所述真空炉为立式真空炉。
本发明的有益效果是：
第一，本发明是针对易氧化的铝、镁合金材料连接过程中表面易氧化，以及复合材料制备过程中加热、加压过程分离或者扩散连接时间长导致效率低的不足，提出采用高频脉冲连接设备，在真空环境内结合高频脉冲电场和加压控制系统，实现加热快、真空环境连接，可有效避免铝、镁合金材料待连接表面氧化，有益于铝/镁合金复合材料连接界面的结合，且具有加热速度快、效率高的特点；
第二，所述的高频脉冲连接设备制备复合材料，是为了充分利用高频脉冲电流作用的电阻加热效应和在复合材料待连接表面的集肤效应、临近效应，对待连接的复合材料加热至一定温度区间，施加压力载荷，实现铝/镁复合材料的制备；
第三，本发明方法工艺先进，制备效率高，铝/镁复合材料连接界面结合紧密，连接界面达到了冶金结合，且结合率达100％，复合材料的界面微观上呈现波浪状的连接界面。
附图说明
图1为制备本发明复合材料采用的高频脉冲连接设备示意图；
图2为本发明复合材料的宏观形貌图；
图3为本发明复合材料连接界面的金相显微镜图。
图中：1-真空炉，2-炉腔，3-下电极板，4-下石墨垫板，5-镁合金块体，6-铝合金块体，7-上石墨垫板，8-上电极板，9-压力电机，10-导线，11-外水循环冷却管，12-热电偶插孔，13-控制柜，14-显示器，15-指示灯，16-电源开关按钮，17-压力电机控制器开关按钮，18-真空泵控制器开关按钮，19-冷却水泵控制器开关按钮，20-高频脉冲电源开关按钮，21-冷却水管，22-冷却水箱，23-高频脉冲电源，24-显示屏，25-电流调节旋钮，26-电压调节旋钮，27-频率调节旋钮，28-占空比调节旋钮，29-真空泵，30-真空管。
具体实施例
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)根据上、下电极板的形状和尺寸，准备待连接的镁合金板和铝合金板，其中，镁合金板的尺寸为φ30mm×4mm，铝合金板的尺寸为φ30mm×1.5mm；
2)用砂纸打磨铝、镁合金板的待连接表面，去除表面氧化膜，表面的粗糙度为Ra1.25～5μm；
3)将步骤2)中打磨后的镁合金板和铝合金板放置在高频脉冲连接设备的真空炉内，在真空环境、在线加热和施加压力载荷的条件下进行连接，即制得铝/镁合金复合材料；
具体操作步骤是：①打开真空炉，在下电极板上置放下石墨垫板，下石墨垫板上依次置放镁合金块、铝合金块、上石墨垫板，调节上电极板位置使其压住上石墨垫板，并固定，关闭真空炉；
其中，在上、下电极板与铝、镁合金块之间垫石墨垫板的作用是：为了保证高频脉冲电流可以通过电极作用于铝、镁合金块体，同时，避免电场作用下电极与铝、镁合金材料之间的连接；
温度检测是通过在下石墨垫板的热电偶插孔12中插入热电偶，对复合材料制备过程中真空炉内的实时加热温度反馈在控制系统的显示器上显示，进而对加热温度进行监测；
②依次开启水冷系统、真空泵，进行外水循环冷却和炉内空气，使炉内压强≤5Pa；
③调节控制柜上温度设置旋钮，将待连接的铝、镁合金块体制备时的加热温度和时间设置为：温度从室温(25℃)加热至420℃±5℃，时间为5min；
④开启高频脉冲电源，依次调整高频脉冲电源设备上的频率调节旋钮、占空比调节旋钮，输出脉冲方波占空比为0.8、频率为10000Hz的高频脉冲电流；
⑤开启压力电机，通过上电极对铝、镁合金块加压，加载压力为25kN；
⑥关闭高频脉冲电源、关闭压力加载电机，制备的复合材料随炉冷却至室温，开炉取出铝/镁合金复合材料；
4)将步骤3)中制得的铝/镁合金复合材料上、下表面及周边用丙酮清洗、清洁，使表面洁净。
具体地，所述步骤3)中炉内压强≤5Pa；在5min中内将炉内温度加热到420℃±5℃，施加压力为25kN。如图1所示，步骤3)中高频脉冲连接设备包括真空炉1、控制系统13、冷却水箱22和与所述控制系统13连接的高频脉冲电源23；
所述真空炉1外壁设置有外水循环冷却管11，所述外水循环冷却管11的底部通过冷却水管21与所述冷却水箱22连接，所述冷却水箱22通过导线10与所述控制系统13连接；
所述真空炉1的炉腔2内设置有上电极板8和下电极板3，所述上电极板8和下电极板3之间分别设置有上石墨垫板7和下石墨垫板4，所述上电极板8的上部与压力电机9相连，所述压力电机9通过导线10与所述控制系统13连接；
所述真空炉1的下部通过真空管30与真空泵29连接，所述真空泵29通过导线10与所述控制系统13连接；
所述控制系统13上设置有显示所述真空炉1内的温度、真空度和加载压力值的显示器14，还设置有设备运行的指示灯15、电源开关按钮16、压力电机控制器开关按钮17，真空泵控制器开关按钮18，冷却水泵控制器开关按钮19和高频脉冲电源开关按钮20；所述高频脉冲电源23上设置有显示电流、电压值的显示屏24，还设置有电流调节旋钮25，电压调节旋钮16，频率调节旋钮27和占空比调节旋钮28。所述下石墨垫板4上设置有热电偶插孔12。所述真空炉1为立式真空炉。
高频脉冲连接设备的具体连接操作如下：
铝/镁合金复合材料的制备是在高频脉冲连接设备的真空炉1中进行的，真空炉1为立式，铝/镁合金复合材料是将准备的镁合金块5和铝合金块6依次置放于下电极板3上，其中，在下电极板3和镁合金块5之间加下石墨垫板4，铝合金块6和上电极板8之间加上石墨垫板7，上电极板8的上部与压力电机9相连；通过控制柜13上的压力电机控制器17调节压力电机9使上电极板8压住上石墨垫板7，并使之固定，保证高频脉冲电源23输出的电流可以在上电极板8-上石墨垫板7-铝合金块6-镁合金块5-下石墨垫板4-下电极板3之间形成回路，通过高频脉冲电流作用将待制备的铝/镁合金材料加热至预置温度，所述的温度监测是通过将测温热电偶插入下石墨垫板7内置的热电偶插孔12，铝/镁复合材料制备过程中，真空炉1内的实时加热温度反馈在控制柜13上的显示器14上显示；在真空炉1的左侧底部通过导线10与真空泵29相连，真空泵29上的真空管30通入真空炉1的炉腔2，用以监测炉内的真空度；真空炉1的右侧底部与控制柜13相连，在控制柜上设有显示温度、真空度和加载压力值的显示器14，设备运行的指示灯15，电源开关16，压力电机控制器17开关，真空泵控制器18开关，冷却水泵控制器19开关和高频脉冲电源开关20；控制柜13底部通过导线10分别与冷却水箱22和高频脉冲电源23相连；从冷却水箱22的底部引出的冷却水管21与真空炉1的炉体相连，通过炉体上的外水循环冷却管11进行铝/镁复合材料制备过程中的水冷循环；高频脉冲电源23上设有电流、电压值的显示屏24，电流调节旋钮25，电压调节旋钮26，频率调节旋钮27和占空比调节旋钮28。
如图2所示，采用高频脉冲连接方法制备的铝/镁合金复合材料呈现银色金属光泽，沿着厚度方向连接界面结合良好。
如图3所示，采用高频脉冲连接方法制备的铝/镁合金复合材料连接界面形成了厚度为500μm的过渡层，这是由于高频脉冲连接过程中，由于高频电流作用在铝、镁合金待连接界面的集肤效应、临近效应和焦耳热效应，导致了连接界面发生共晶反应实现的冶金结合，且过渡层与铝合金板和镁合金板的连接界面均呈现波浪状。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)准备制备复合材料的原材料
根据上下电极板的形状和尺寸，准备待连接的镁合金板和铝合金板；
2)打磨镁合金和铝合金的待连接表面
用砂纸打磨铝、镁合金板的待连接表面，去除表面氧化膜；
3)铝/镁合金复合材料的高频脉冲连接
将步骤2)中打磨后的镁合金板和铝合金板放置在高频脉冲连接设备的真空炉内，在真空环境、在线加热和施加压力载荷的条件下进行连接，即制得铝/镁合金复合材料；
4)清理、清洁
将步骤3)中制得的铝/镁合金复合材料用丙酮清洗、清洁，使表面洁净。
2.根据权利要求1所述一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中镁合金板的尺寸为φ30mm×4mm，铝合金板的尺寸为φ30mm×1.5mm。
3.根据权利要求1所述一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中铝、镁合金板待连接表面的粗糙度为Ra1.25～5μm。
4.根据权利要求1所述一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中炉内压强≤5Pa；在5min中内将炉内温度加热到420℃±5℃，随后施加压力为25kN。
5.根据权利要求1所述一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中高频脉冲连接设备包括真空炉(1)、控制系统(13)、冷却水箱(22)和与所述控制系统(13)连接的高频脉冲电源(23)；
所述真空炉(1)外壁设置有外水循环冷却管(11)，所述外水循环冷却管(11)的底部通过冷却水管(21)与所述冷却水箱(22)连接，所述冷却水箱(22)通过导线(10)与所述控制系统(13)连接；
所述真空炉(1)的炉腔(2)内设置有上电极板(8)和下电极板(3)，所述上电极板(8)和下电极板(3)之间分别设置有上石墨垫板(7)和下石墨垫板(4)，所述上电极板(8)的上部与压力电机(9)相连，所述压力电机(9)通过导线(10)与所述控制系统(13)连接；
所述真空炉(1)的下部通过真空管(30)与真空泵(29)连接，所述真空泵(29)通过导线(10)与所述控制系统(13)连接；
所述控制系统(13)上设置有显示所述真空炉(1)内的温度、真空度和加载压力值的显示器(14)，还设置有设备运行的指示灯(15)、电源开关按钮(16)、压力电机控制器开关按钮(17)，真空泵控制器开关按钮(18)，冷却水泵控制器开关按钮(19)和高频脉冲电源开关按钮(20)；
所述高频脉冲电源(23)上设置有显示电流、电压值的显示屏(24)，还设置有电流调节旋钮(25)，电压调节旋钮(26)，频率调节旋钮(27)和占空比调节旋钮(28)；
所述下石墨垫板(4)上设置有热电偶插孔(12)。
6.根据权利要求4所述一种高频脉冲连接铝/镁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述真空炉(1)为立式真空炉。
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