CN109773294B - 一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，它涉及一种铝合金与镁合金的焊接方法。本发明的目的是要解决传统铝合金与镁合金的焊接方法存在焊接温度高，导致产生硬脆的金属间化合物，而利用中间层得焊接方法需要真空或气体保护环境，且焊接效率较低的问题。超声辅助半固态焊接方法：一、钎料成分选择；二、钎料制备；三、前处理，得到待焊接组件：四、达到焊接温度后施加超声波振动，在超声空化作用下进行焊接。有益效果：一、提高铝镁的焊接效率、消除焊缝内部金属间化合物；二、钎料的选择灵活。三、钎料的成分配比灵活。四、焊接时温度较低。五、超声的施加位置灵活。六、成本低，适应性强。本发明主要用于铝合金与镁合金的焊接。

Description

一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金与镁合金的焊接方法。

背景技术

目前世界范围的环境恶化和能源危机等问题使得轻质合金，如铝合金、镁合金等的应用越发广泛。汽车制造、电子产品等行业的诸多零部件都会涉及到铝镁异种合金的焊接。然而，由于铝、镁具有不同的原子半径、电负性等，使得这两种材料的焊接接头中容易产生硬脆的金属间化合物。金属间化合物一般具有较低的韧性，在接头承受外力时易产生裂纹，成为接头失效的源头。因此，发明一种能够消除铝镁接头中金属间化合物的焊接方法，对促进铝镁接头的广泛应用有很大的促进作用。目前常用的铝镁异种合金的焊接方法有搅拌摩擦焊，爆炸焊，钨极气体保护焊等。

中国专利CN105522246B发明了一种半固态焊接方法，它先将焊料熔化，而后在焊料冷却过程中施加半固态搅拌并保温(使得焊料液相率为50～60％)，最后对母材施加振动并注入焊料，而后对焊缝施压完成焊接。利用该方法可以获得力学性能高、使用性能好的构件，这种方法具有可焊材料范围广，生产效率高等优点。

中国专利CN104400170A发明了一种铝合金超声半固态涂覆钎焊方法，它将Sn-Pb-Zn-Ag-Cu钎料升温至270-300℃后对铝合金表面进行超声辅助涂覆，而后将镀好的铝合金冷却至180～210℃的半固态状态，最后在半固态条件下进行施压和保温，完成钎焊。这种钎焊方法适合大面积铝合金的钎焊，工艺简单，可保证良好的钎焊公益性和接头力学性能，是一种具有良好的应用前景且简单实用的铝用低温钎焊技术方案。

中国专利CN102861986A提出了一种含复合中间层的镁合金与铝合金的扩散连接方法，它利用铝薄膜和镍箔作为复合中间层，采用真空扩散焊接实现对铝合金和镁合金的焊接。铝薄膜层和镍箔的加入改变了镁/铝界面物相组成和显微结构，避免了界面处高硬度脆性镁铝金属间化合物的生成。该方法可实现不同种类的镁合金与铝合金的可靠焊接，工艺简单，平行精度高，焊接件变形小。

中国专利CN103586574B发明了一种镁铝合金复合板的爆炸焊接成型方法，采用铵油炸药，在地面砂粒基座上进行远距离瞬时爆炸成型，此焊接方法成型速度快，焊缝牢固，焊缝组织致密性好，结合率高，界面剪切强度高，焊接过程安全可靠，是制备镁铝合金复合板的可靠有效方法。

中国专利CN103372710A发明了一种镁、铝异种金属冷金属过渡熔-钎焊连接方法，采用一种冷金属过渡焊，保护气体为氩气，过渡金属为镀锌钢板，焊丝采用两种，铝侧采用铝硅焊丝，镁侧采用镁铝锌焊丝。焊枪分别正对铝、镁边缘，镁铝之间夹高熔点过渡金属，来阻止液态镁和液态铝的相互接触，使得镁熔化焊焊缝、铝熔化焊焊缝分别与过渡金属(镀锌钢板)之间实现熔钎焊连接，最终间接实现铝合金与镁合金板异种金属连接。

中国专利CN105149769B提出了一种使用叠层复合中间层焊接镁合金与铝合金的方法。首先在镁合金与铝合金表面沉积CuNi合金薄膜作为防止铝镁基体表面氧化及金属间化合物生成的阻隔中间层，然后在CuNi合金薄膜层之间添加Ag降低CuNi中间层的连接温度，构成CuNi-Ag-CuNi叠层复合中间层，再将该复合中间层的镁合金与铝合金待连接件的装配，并在一定温度条件下保温。这种方法利用复合中间层避免了连接界面脆性的Mg/Al系金属间化合物以及其它金属间化合物的产生；采用电场活化连接技术，在真空下实现了镁合金与铝合金低温、快速、高强焊接，降低了连接温度、缩短连接工艺周期、提高了连接接头的可靠性。

由以上材料可见，铝镁的焊接仍然是现代制造业的一个热点问题。广大学者们使用了多种方法对铝镁进行焊接期望得到缺陷少、强度高的接头。但由于焊接温度一般较高，焊后接头中易产生硬脆的金属间化合物。虽利用中间层可避免金属间化合物的产生，但其焊接过程一般需要真空或气体保护环境，且需要一定的保温时间，焊接效率较低。因此，发明一种低温、在大气环境中可进行、且无需保温的高效、快捷的焊接方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是要解决传统铝合金与镁合金的焊接方法存在焊接温度高，导致产生硬脆的金属间化合物，而利用中间层得焊接方法需要真空或气体保护环境，且焊接效率较低的问题，而提供一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法。

一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、钎料成分选择：钎料成分的选择原则为不与镁或铝反应生成硬脆的金属间化合物；

二、钎料制备：根据合金相图，按照步骤一的钎料成分以钎料的固液相区间端点差值不低于20℃确定钎料组份，并制备钎料，且焊接温度在钎料的固液相区间选取，得到钎料；

三、前处理：依次使用砂纸和超声波分别对铝合金和镁合金的表面进行打磨和清洗，再放在焊接所用夹具上，布置方式为对接或搭接，将步骤二得到的钎料放置铝合金和镁合金两板中间，且在铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力，得到待焊接组件：

四、焊接：对待焊接组件加热，至达到焊接温度，然后施加超声波振动，在超声空化作用下进行焊接，焊接结束后，冷却至室温，即完成铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接。

本发明的机理为，当钎料的温度在固液相区间内时，钎料中既有固相，也有液相。此时施加超声波振动，钎料液相中会产生声空化现象，空化泡的溃灭会产生局部达到几千度的高温，也会产生速度很高的微射流，利用这两个现象可以去除铝合金/镁合金表面的氧化膜，从而形成接头。另外，空化泡的溃灭也可以破碎钎料中残留的固相，起到细化晶粒的作用。由于钎料是半固态状态，液相比例有限，空化强度较低，因此在去除母材表面的氧化膜之后，较弱的空化作用也可避免母材较大程度的空蚀。在半固态时焊接铝镁异种合金，较弱的空化可使得镁合金轻微溶解，如此可避免大量镁扩散进接头，形成金属间化合物。

本发明有益效果：

一、本发明一种超声波辅助的半固态焊接铝镁的方法，省略传统焊接所需的真空或保护气体的复杂环境和保温时间，提高铝镁的焊接效率(在5s内可形成焊接接头)、消除焊缝内部金属间化合物；

二、钎料的选择灵活。可选择任意不与铝镁产生硬脆金属间化合物的钎料。

三、钎料的成分配比灵活。在配比钎料时，钎料的成分比例处在有较大固液相区间的范围即可。

四、焊接时温度较低。半固态焊接时，钎料的固液相区间内温度较钎料熔化时低。

五、焊接过程中，超声波可以加载在铝合金或镁合金上，也可以施加在夹具上，超声的施加位置灵活。

六、成本低，适应性强。在大气环境下即可完成焊接，几乎不受周围施工环境的影响，且焊后不需保温。

七、本发明的使用范围广，使用于各种板厚，各种复杂件等。

附图说明

图1是实施例1焊接装配结构示意图，图中1表示镁合金，2表示铝合金，3表示钎料，4表示夹具，5表示加热器，6表示超声波振动器，7表示紧固螺栓；

图2是实施例1得到的铝合金/镁合金接试件的焊缝SEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、钎料成分选择：钎料成分的选择原则为不与镁或铝反应生成硬脆的金属间化合物；

二、钎料制备：根据合金相图，按照步骤一的钎料成分以钎料的固液相区间端点差值不低于20℃确定钎料组份，并制备钎料，且焊接温度在钎料的固液相区间选取，得到钎料；

三、前处理：依次使用砂纸和超声波分别对铝合金和镁合金的表面进行打磨和清洗，再放在焊接所用夹具上，布置方式为对接或搭接，将步骤二得到的钎料放置铝合金和镁合金两板中间，且在铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力，得到待焊接组件：

四、焊接：对待焊接组件加热，至达到焊接温度，然后施加超声波振动，在超声空化作用下进行焊接，焊接结束后，冷却至室温，即完成铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接。

本实施方式省略传统焊接所需的真空或保护气体的复杂环境和保温时间，提高铝镁的焊接效率(在5s内可形成焊接接头)、消除焊缝内部金属间化合物；

钎料的选择灵活。可选择任意不与铝镁产生硬脆金属间化合物的钎料。

钎料的成分配比灵活。在配比钎料时，钎料的成分比例处在有较大固液相区间的范围即可。

焊接时温度较低。半固态焊接时，以钎料的固液相区间温度较钎料熔化时低。

焊接过程中，超声波可以加载在铝合金或镁合金上，也可以施加在夹具上，超声的施加位置灵活。

成本低，适应性强。在大气环境下即可完成焊接，几乎不受周围施工环境的影响，且焊后不需保温。

本实施方式的使用范围广，使用于各种板厚，各种复杂件等。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的钎料为Sn-Zn钎料或Zn-Al基钎料。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤二中当钎料为Sn-Zn钎料时，且Sn-Zn钎料为Sn-30Zn，焊接温度为200～300℃；当钎料为Zn-Al基钎料时，且Zn-Al基钎料为Zn-20Al，焊接温度为420～470℃。其他与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤三中在铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力为0.1MPa～10MPa，保证钎料夹紧在铝合金和镁合金两板中间。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤四中所述超声波的功率为100W～2000W，超声波的振幅为0.1μm～100μm，超声波的频率为15kHz～50kHz。其他与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤四中所述超声波的施加形式为持续施加或间隙施加。其他与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：所述持续施加具体操作过程如下：当达到焊接温度后，施加超声波振动至焊接结束为止，持续施加超声波的焊接时间为0.1s～100s。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：所述间隙施加具体操作过程如下：间隙施加超声波的焊接时间≥1.2s，以每次施加超声波时间为0.1s～100s、间歇时间为1s～100s的形式间隙施加超声波振动，至焊接结束为止。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八的不同点是：所述间隙施加超声波的焊接时间为1.2s～100s。其他与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤四中采用水冷方式或空冷方式冷却至室温。其他与具体实施方式一至九相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

采用下述试验验证本发明效果

实施例1：结合图1，一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、钎料成分选择：钎料成分的选择原则为不与镁或铝反应生成硬脆的金属间化合物，钎料成分为Zn和Al；

二、钎料制备：根据合金相图，按照步骤一的钎料成分以钎料的固液相区间端点差值不低于20℃确定钎料组份，并制备钎料，且焊接温度在钎料的固液相区间选取，得到钎料；钎料为Zn-20Al，焊接温度为420℃；

三、前处理：依次使用砂纸和超声波分别对铝合金和镁合金的表面进行打磨和清洗，再放在焊接所用夹具上，布置方式为对接，将步骤二得到的钎料放置铝合金和镁合金两板中间，且在铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力为1MPa，保证钎料夹紧在铝合金和镁合金两板中间，得到待焊接组件：

四、焊接：对待焊接组件加热，至达到焊接温度，然后持续施加超声波振动至焊接结束为止，在超声空化作用下进行焊接，焊接时间为5s，焊接结束后，空冷方式冷却至室温，即完成铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接，得到铝合金/镁合金接试件。

本实施例步骤四中所述超声波的功率为1000W，超声波的振幅为6μm，超声波的频率为20kHz。

图1是实施例1焊接装配结构示意图，图中1表示镁合金，2表示铝合金，3表示钎料，4表示夹具，5表示加热器，6表示超声波振动器，7表示紧固螺栓，铝合金2与镁合金1对接，钎料放置在铝合金2与镁合金1之间，铝合金2与镁合金1置于夹具4中，两个紧固螺栓7穿过夹具4分别与铝合金和镁合金的外侧接触，夹具4外侧布置加热器5中，超声波振动器6的超声波作用在铝合金2上；将铝合金2与和镁合金1以对接形式放入夹具4中，并将钎料3放置铝合金2和镁合金1两板中间，利用紧固螺栓7对铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力，压力为1MPa；启动加热器5加热至420℃，然后启动超声波振动器6，在超声空化作用下进行焊接，焊接时间为5s。

对实施例1得到的铝合金/镁合金接试件的焊缝处进行电镜扫描，如图2所示，图2是实施例1得到的铝合金/镁合金接试件的焊缝SEM图，通过图2可以明显看出焊缝内部明显不存在金属间化合物。

Claims (6)

1.一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：

一、钎料成分选择：钎料成分的选择原则为不与镁或铝反应生成硬脆的金属间化合物；

二、钎料制备：根据合金相图，按照步骤一的钎料成分以钎料的固液相区间端点差值不低于20℃确定钎料组份，并制备钎料，且焊接温度在钎料的固液相区间选取，得到钎料；

三、前处理：依次使用砂纸和超声波分别对铝合金和镁合金的表面进行打磨和清洗，再放在焊接所用夹具上，布置方式为对接或搭接，将步骤二得到的钎料放置铝合金和镁合金两板中间，且在铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力，得到待焊接组件：

四、焊接：对待焊接组件加热，至达到焊接温度且焊接温度在钎料的固液相区间，然后施加超声波振动，在超声空化作用下进行焊接，焊接结束后，冷却至室温，即完成铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接；步骤四中所述超声波的功率为100W～2000W，超声波的振幅为0.1μm～100μm，超声波的频率为15kHz～50kHz；步骤四中所述超声波的施加形式为持续施加或间隙施加；所述持续施加具体操作过程如下：当达到焊接温度后，施加超声波振动至焊接结束为止，持续施加超声波的焊接时间为0.1s～100s；所述间隙施加具体操作过程如下：间隙施加超声波的焊接时间≥1.2s，以每次施加超声波时间为0.1s～100s、间歇时间为1s～100s的形式间隙施加超声波振动，至焊接结束为止。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，其特征在于步骤一中所述的钎料为Sn-Zn钎料或Zn-Al基钎料。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，其特征在于步骤二中当钎料为Sn-Zn钎料时，且Sn-Zn钎料为Sn-30Zn，焊接温度为200～300℃；当钎料为Zn-Al基钎料时，且Zn-Al基钎料为Zn-20Al，焊接温度为420～470℃。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，其特征在于步骤三中在铝合金和镁合金两板外侧施加相向压力为0.1MPa～10MPa，保证钎料夹紧在铝合金和镁合金两板中间。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，其特征在于所述间隙施加超声波的焊接时间为1.2s～100s。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金与镁合金的超声辅助半固态焊接方法，其特征在于步骤四中采用水冷方式或空冷方式冷却至室温。

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