CN109648185B - 一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，中间层选用Al/Zn/Ni/Zn复合结构，目的在于防止Mg‑Al系脆性金属间化合物的生成，提高连接效率(降至数秒)，实现大气环境下Mg/Al异种金属的连接。得到的Mg/Al连接接头剪切强度最高范围为90‑100Mpa，在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡4‑8小时后其剪切强度变为85‑95Mpa，说明其耐腐蚀性能优异，对Mg/Al异种金属的应用推广具有重要的意义。

Description

一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连 接方法

技术领域

本公开涉及Mg/Al异种金属连接技术，具体为一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

镁合金是工业使用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比性能好、减震性好、导电导热性良好、工艺性良好等优点，其在汽车、电子仪器、航空航天、国防军工等获得了广泛的应用。而铝合金是工业中使用最普遍的一类有色金属结构材料，铝合金比强度较高，具备优异的导电性、导热性和抗蚀性、低温下力学性能良好等特点，在航空、航天、汽车、机械加工与制造、船舶及化学工业中也已普遍应用。因此由于镁合金和铝合金在应用领域上的交叉性和广泛性，为了满足某些特定场合的需求，实现两者的牢固连接具有重要的应用价值。然而，在Mg/Al异种金属的焊接过程中往往存在熔化和结晶的过程，而且生成的脆性金属间化合物会降低焊接接头强度，并且其连接接头极易被腐蚀，限制了Mg/Al异种金属的应用与推广。

发明内容

本公开的目的是为克服上述问题，提出一种Al/Zn/Ni/Zn四层复合结构钎料，通过将这种Al/Zn/Ni/Zn复合结构材料夹在镁铝合金的待焊接面并施加压紧力后进行超声辅助瞬间液相扩散焊，以得到由Al/Zn/Ni/Zn四层复合结构钎料直接焊接的Mg/Al合金的高强耐腐蚀连接接头。

本公开的具体技术方案如下：

在本公开的第一个方面，提供一种Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料，该复合结构钎料依次包括：Al层、Zn层、Ni层和Zn层，其中，Al层的厚度为15～25μm，Zn层的厚度为45～55μm，Ni层的厚度为15～25μm。

在本公开的第二个方面，提供所述Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料在制备高强耐腐蚀Mg/Al连接接头中的应用。

在本公开的第三个方面，提供一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，该方法包括以下步骤：

以所述的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料为中间层，上下为Mg、Al母材，在490℃～510℃时以沿垂直于试样的方向在Mg侧或Al侧施加超声波以实现Mg/Al异种金属的有效连接。

在本公开的第四个方面，提供采用上述方法制备得到的高强耐腐蚀Mg/Al连接接头。

在本公开的第五个方面，提供包含上述高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的Mg/Al异种金属产品。

与本发明人知晓的相关技术相比，本公开其中的一个技术方案具有如下有益效果：

(1)本公开提供的Al/Zn/Ni/Zn四层复合结构钎料，结合超声辅助瞬间液相扩散连接，可以阻隔Mg、Al之间的直接接触，避免了Mg/Al脆性金属间化合物的生成，并且由于Ni中间层的加入，Ni、Al元素起到了增强相的作用，提高Mg/Al连接接头的剪切强度和耐腐蚀性。

(2)本公开提供的高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，实现了在大气环境下正常连接，没有了传统钎焊真空环境下的限制，并且其将传统钎焊的焊接时间60-120分钟降低至数秒，大大提高生产效率。

(3)利用本公开提供的焊接方法可以实现大气环境下无钎剂、快速、高强度、高耐腐蚀性的Mg/Al异种金属连接，其Mg/Al连接接头剪切强度最高范围为90-100Mpa，在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡4-8小时后其剪切强度变为85-95Mpa，说明其耐腐蚀性能优异，对Mg/Al异种金属的应用推广具有重要的意义。

(4)采用本公开的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，工艺简单，成本低，易于实现。

附图说明

构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开超声辅助TLP焊接装置示意图。

图2为本公开实施例4所获得的经过耐腐蚀性方法处理后的连接接头光学显微镜照片。

图3为本发明实施例4所获得的经过耐腐蚀性方法处理后的连接接头电子显微镜照片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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、操作和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，目前需要提供一种耐腐蚀性较好并且强度较高的Mg/Al异种金属连接接头及其焊接方法，为此，在本公开的第一个典型的实施方式中，提供一种用于超声辅助瞬间液相扩散连接Mg/Al异种金属的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料，该复合结构钎料依次包括：Al层、Zn层、Ni层和Zn层，其中，Al层的厚度为15～25μm，Zn层的厚度为45～55μm，Ni层的厚度为15～25μm。

本公开中所述的Al层、Zn层、Ni层可以采用铝箔、锌箔和镍箔，其中，铝箔的纯度≥99.99w/w％，锌箔的纯度≥99.99w/w％，镍箔的纯度≥99.95w/w％。

本公开设计的Al/Zn/Ni/Zn四层复合结构钎料的机理为：因为Mg/Al直接连接易生成脆性金属间化合物，为了阻止它的生成以及考虑到提高连接接头的耐腐蚀性，我们采用以Ni为中间层阻隔Mg、Al直接接触，然而Ni、Al之间的二元共晶温度为640℃，为了降低其焊接温度以及形成与母材差异较小的腐蚀电位，我们在Ni、Al添加一层Zn箔以降低其连接温度。同理，我们也在Mg、Ni之间加入Zn箔以降低其连接温度，然而Mg、Zn共晶反应温度低，在340-360℃范围内，在连接温度500℃时，Mg/Zn产物在超声的作用极易飞溅，影响连接接头的综合性能。为此我们通过在Mg、Zn之间加入一层Al箔来减弱Mg/Zn产物的飞溅，原因是Al箔的添加可以将反应温度提升至437℃，提高了反应温度，避免了Mg/Zn界面接触所发生的低温反应。最终，我们发明了一种采用Al/Zn/Ni/Zn复合中间层超声辅助瞬间液相扩散连接Mg/Al异种金属的方法，经过试验验证，相比于其他钎料，本公开的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料的所获得连接接头的强度和耐腐蚀性能更加突出。

不同Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料以及各个层的厚度会影响Mg/Al异种金属的焊接效果，经过试验验证，Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料的厚度适宜在120～160μm，其中，Al层的厚度为15～25μm，Zn层的厚度为45～55μm，Ni层的厚度为15～25μm，其耐腐蚀性和剪切强度均较优异。经试验发现，不合适的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料的厚度会使得组织结构不均匀，降低了耐腐蚀性能以及剪切强度。进一步的，在本公开的一个或一些实施方式中，所述Al层的厚度为20μm，Zn层的厚度为50μm，Ni层的厚度为20μm。

该Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料在连接Mg/Al异种金属时，放置顺序为：Mg/Al/Zn/Ni/Zn/Al。

在本公开的第二个典型的实施方式中，提供所述Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料在制备高强耐腐蚀Mg/Al连接接头中的应用。

在本公开的第三个典型的实施方式中，提供一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，该方法包括以下步骤：以Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料为中间层，上下为Mg、Al母材，在490℃-510℃时以沿垂直于试样的方向在Mg侧或Al侧施加超声波以实现Mg/Al异种金属的有效连接。

Al层在Mg母材和中间层Zn之间，其作用是Mg/Zn共晶反应温度为340℃，在500℃高温下，Mg/Zn共晶产物在超声的作用下易大量飞溅，Al的添加可以提高其连接温度，防止飞溅。并且Al与Mg、Zn、Ni扩散及共晶反应生成的物质还可以提高焊接接头的剪切强度，形成十分均匀的组织结构，使得连接接头的耐腐蚀性能得以提高。

Zn层在母材与中间层Ni之间，其作用是母材与Ni的反应温度高，Zn可以降低连接温度，促使母材和中间层Ni反应。

Ni中间层的作用是在连接高温中，Ni中间层不熔化且与两侧合金发生扩散及共晶反应，有效阻隔Mg、Al直接接触，避免生成Mg-Al系脆性金属间化合物，提高了焊接接头的强度和耐腐蚀性。

本公开中的镁母材是指以镁为基础加入其他元素组成的合金，针对本申请而言，镁的含量≥96w/w％，包括AZ31、AZ61、AZ91、WE43、WE54、WE94、MB8等；铝母材是指以铝为基础加入其他元素组成的合金或纯铝，铝的含量≥94w/w％，包括4004、4032、4047、4104、5005、5010、5013、5014、5016、2A12等。

在本公开的一个或多个实施方式中，将镁母材、铝母材以及Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料进行预处理；

预处理的方法为：将镁母材、铝母材以及Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料采用砂纸打磨，去除母材、钎料表面的氧化膜；然后放入丙酮中进行超声波清洗，再放入酒精中进行超声波清洗，去除母材、钎料表面的油脂和杂质。

为得到优异的耐腐蚀性和较高的剪切强度的连接接头，在本公开的一个或多个实施方式中，施加的压力为0.1～0.2MPa；优选为0.15MPa。

为得到优异的耐腐蚀性和较高的剪切强度的连接接头，在本公开的一个或多个实施方式中，超声波频率为25～35kHz，功率为600-2000W，振幅为7μm-20μm。

进一步的，所述超声波频率为30kHz，功率为700W，振幅为10μm。

为得到优异的耐腐蚀性和较高的剪切强度的连接接头，在本公开的一个或一些实施方式中，采用感应加热设备进行加热处理，加热速度为50～60℃/min；优选为60℃/min。

在本公开的一个或一些实施方式中，提供一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接具体方法，包括以下步骤：

将镁母材、铝母材以及Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料进行预处理；将预处理后的镁母材、铝母材以及Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料组装成Mg/Al/Zn/Ni/Zn/Al结构放置在工装夹具行，通过控制工具头的升降，在镁母材上施加压力，使得母材之间紧密接触；设定好焊接温度，打开感应加热设备，以50～60℃/min的速度加热，当到达设定好的焊接温度时，对试样施加高频振荡的超声波，随即关闭感应加热设备，让其在空气中自然冷却。

本公开中所有连接过程均在大气环境下完成。

本公开中提到的压力是指单向压力，加载方向垂直于连接表面。

该方法可以采用如示意图1所示的设备，该设备为本领域所常规知晓。

在本公开的第四个典型的实施方式中，提供采用上述方法制备得到的高强耐腐蚀Mg/Al连接接头。

最终制备的连接接头含有以下物相：Mg侧生成MgZn、MgZn₂、Al₃Ni、Mg₂Ni、和AlMg₄Zn₁₁等产物，中间有Ni中间层阻隔，Al侧生成Al₃Ni和AlZn。Ni中间层不熔化且与两侧合金发生扩散及共晶反应，有效阻隔Mg、Al直接接触，避免生成Mg-Al系脆性金属间化合物，提高了焊接接头的强度，增强了Mg/Al连接接头的耐腐蚀性能。

最终制备的连接接头的剪切强度为90-100Mpa，在3.5w/w％NaCl溶液中浸泡4-8小时后其剪切强度变为85-95Mpa，接头断裂在Mg侧。

采用本申请所述的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料以及超声辅助瞬间液相扩散焊接的方法，获得的Mg/Al连接接头的耐腐蚀性能十分优异，而且剪切强度高。

在本公开的第五个典型的实施方式中，提供包含上述高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的Mg/Al异种金属产品。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与实验例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

一种用于超声辅助瞬间液相扩散连接Mg/Al异种金属的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料，该复合结构钎料依次包括：Al层、Zn层、Ni层和Zn层，其中，Al层的厚度为15μm，Zn层的厚度为45μm，Ni层的厚度为15μm。

实施例2

一种用于超声辅助瞬间液相扩散连接Mg/Al异种金属的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料，该复合结构钎料依次包括：Al层、Zn层、Ni层和Zn层，其中，Al层的厚度为20μm，Zn层的厚度为50μm，Ni层的厚度为20μm。

实施例3

一种用于超声辅助瞬间液相扩散连接Mg/Al异种金属的Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料，该复合结构钎料依次包括：Al层、Zn层、Ni层和Zn层，其中，Al层的厚度为25μm，Zn层的厚度为55μm，Ni层的厚度为25μm。

以下实施例中的采用的镁合金为MB8镁合金，铝合金为2A12铝合金，选用的大小为20mm×20mm×3mm。

实施例4

一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，包括以下步骤：

(1)试验前，镁合金、铝合金和实施例2的中间层先后用200#、400#、600#、800#、1000#砂纸进行打磨，去除母材表面的氧化膜。随后放入丙酮中超声波清洗10min，再放入酒精中超声波清洗10min，去除母材、中间层表面的油脂和杂质。

(2)试样处理好之后，将铝合金、镁合金、实施例2的中间层组成Mg/Al/Zn/Ni/Zn/Al结构放在工装夹具上，通过控制工具头的升降，在镁合金上施加0.15MPa的压力，使得母材之间紧密接触。设定好焊接温度，打开感应加热设备，以60℃/min的速度加热，当到达设定好的焊接温度500℃时，对试样施加高频振荡的超声波12s，超声波频率为30kHz，功率为700W，振幅10μm，随即关闭感应加热设备，让其在空气中自然冷却。

(3)通过扫描电子显微镜(SEM)观察焊缝组织的微观组织结构，发现Ni中间层完美的阻隔了Mg/Al之间的接触，防止了脆性金属间化合物Al₁₂Mg₁₇的产生，界面连接良好，没有气孔的生成，获得了高强度的连接接头，光学显微镜照片如图2所示，电子显微镜照片如图3所示。

表1图3标定区域的化学成分

实施例5

当试样到达设定好的焊接温度500℃时，对试样施加高频振荡的超声波9s。

其余内容与实施例4相同。

实施例6

当试样到达设定好的焊接温度500℃时，对试样施加高频振荡的超声波15s。

其余内容与实施例4相同。

设置实验例1，将中间层替换为Zn-15Al，中间层厚度为140μm，连接温度为380℃，施加超声时间为12s，其余内容与实施例1相同。设置实验例2，在母材Mg上先预涂覆上Zn-15Al，涂层厚度为140μm，而后进行Mg/Al连接，连接温度为380℃，施加超声时间为12s，其余内容与实施例1相同。设置实验例3，在母材Al上先预涂覆上Zn-15Al，涂层厚度为140μm，而后进行Mg/Al连接，连接温度为380℃，施加超声时间为12s，其余内容与实施例1相同。对各组连接材料用万能拉伸机，测试接头的剪切强度，并设置接头耐腐蚀性试验，将接头在3.5w/w％NaCl溶液中分别浸泡4小时和8小时，洗净后吹干测试腐蚀后的剪切强度，得到以下结果：

表2为实施例和实验例经耐腐蚀性方法处理前后剪切强度对比

通过表2中数据可以看出，本发明中常规强度和耐腐蚀性能优异。改变中间层材料，会影响母材之间的结合强度，进而影响接头强度和其耐腐蚀性能。

上述实施例为本公开较佳的实施方式，但本公开的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本公开的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的超声辅助瞬间液相扩散连接方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

以Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料为中间层，上下为Mg、Al母材，在490℃～510℃时以沿垂直于试样的方向在Mg侧或Al侧施加超声波以实现Mg/Al异种金属的有效连接；

所述Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料，依次包括：Al层、Zn层、Ni层和Zn层，其中，Al层的厚度为15～25μm，Zn层的厚度为45～55μm，Ni层的厚度为15～25μm；

Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料在连接Mg/Al异种金属时，放置顺序为：Mg/Al/Zn/Ni/Zn/Al。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述Al层的厚度为20μm，Zn层的厚度为50μm，Ni层的厚度为20μm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，将镁母材、铝母材以及Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料进行预处理；

预处理的方法为：将镁母材、铝母材以及Al/Zn/Ni/Zn复合结构钎料采用砂纸打磨，去除母材、钎料表面的氧化膜；然后放入丙酮中进行超声波清洗，再放入酒精中进行超声波清洗，去除母材、钎料表面的油脂和杂质。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，施加的压力为0.1～0.2MPa。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，施加的压力为0.15MPa。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是，超声波频率为25～35kHz，功率为600-2000W，振幅为7μm-20μm。

7.采用权利要求1～6中任一项所述的方法制备得到的高强耐腐蚀Mg/Al连接接头。

8.如权利要求7所述的高强耐腐蚀Mg/Al连接接头，其特征是，所述高强耐腐蚀Mg/Al连接接头含有以下物相：Mg侧生成MgZn、MgZn₂、Al₃Ni、Mg₂Ni、和AlMg₄Zn₁₁产物，中间有Ni中间层阻隔，Al侧生成Al₃Ni和AlZn。

9.包含权利要求7所述高强耐腐蚀Mg/Al连接接头的Mg/Al异种金属产品。

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