CN110948109A - 一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，该方法包括：一、选取与待焊接镁基板材、待焊接铝基板材的成分相同的镁基板材、铝基板材经处理后爆炸复合得到镁基‑铝基异种金属复合板材粗品；二、将镁基‑铝基异种金属复合板材粗品退火，得到镁基‑铝基异种金属复合板材并截取金属过渡层；三、将待焊接镁基板材、待焊接铝基板材与金属过渡层焊接，得到镁基‑铝基异种金属板材。本发明在镁基、铝基异种金属板材之间添加与对应待焊接板材材质相同的金属板组成的金属过渡层，避免了其它合金元素的引入，减少了镁基、铝基异种金属板与金属过渡层在焊接过程中发生反应生成硬脆的金属间化合物，保证了镁基‑铝基异种金属板材的力学性能。

Description

一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法。
背景技术
铝合金具有密度低、耐蚀性好及加工性能良好等优点，广泛应用于航空航天和交通运输领域。镁合金是比铝合金密度更低的一种金属结构材料，具有较高的比强度和比刚度、良好的铸造性能、优异的阻尼性能和电磁屏蔽能力，被誉为21世纪绿色工程材料。其中，铝合金和镁基板材因其具有优异性能在工业中广泛应用。
随着铝合金板材和镁合金板材应用范围越来越广，这两种金属的焊接不可避免。但是，镁铝异种金属焊接的主要问题在于镁铝之间会发生反应在焊缝中生成大量硬脆的Mg17Al12金属间化合物，一方面会降低了焊接接头的力学性能，另一方面会严重降低接头塑性，使焊接后的板材难以进行进一步塑性加工(如弯折和冲压等)。
直接熔焊方法(如氩弧焊、激光焊和钎焊等)比较灵活，生产效率较高，但无法避免异种金属之间发生反应生成Mg17Al12金属间化合物。近几年兴起的搅拌摩擦焊接技术能够在固相线以下对异种金属进行焊接，但是搅拌头摩擦会产生大量热量，焊缝中心仍会生成大量Mg17Al12金属间化合物，此外设备成本较高，且无法对2mm以下的薄板材进行焊接。为了避免Mg17Al12金属间化合物的生成，国内外学者尝试采用添加中间层的方法，目前中间层主要为纯金属或合金片材，如纯金属Cu、Zn-Al合金和 Sn-Zn合金等，但是中间层与待焊接板材的性能差异较大，且会引入其他合金元素，另一方面镁和铝虽然无法直接接触发生反应，但一般会与中间层金属发生反应生成新的硬脆的金属间化合物，这些均会降低焊接后板材的力学性能。
铝合金和镁合金板材广泛应用于各种工业领域，解决目前镁/铝异种金属焊接板材的强度低塑性差的问题，对扩大镁/铝异种金属焊接板材的应用范围意义重大，但是传统工艺无法避免焊接过程中生成大量的硬脆的金属间化合物，因此需要进一步对焊接技术进行创新与升级。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法。该方法通过在镁基、铝基异种金属板材之间添加与对应待焊接板材的材质相同的金属板组成的金属过渡层，避免了其它合金元素的引入，进而极大地减少了镁基-铝基异种金属板材中镁基和铝基异种金属板与中间层的金属过渡层在焊接过程中发生反应生成硬脆的金属间化合物，保证了镁基-铝基异种金属板材的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、分别选取与待焊接镁基板材、待焊接铝基板材的成分相同的镁基板材、铝基板材依次进行打磨，清洗和烘干，然后以烘干后的镁基板材为基层，以烘干后的铝基板材为复层进行爆炸复合，得到镁基-铝基异种金属复合板材粗品；
步骤二、将步骤一中得到的镁基-铝基异种金属复合板材粗品进行退火处理，出炉后空冷至室温，然后进行板形校平处理，得到镁基-铝基异种金属复合板材，采用线切割法沿垂直于镁基-铝基异种金属复合板材平铺的方向截取一段板材作为金属过渡层；
步骤三、对步骤二中得到的金属过渡层的表面进行打磨，然后将待焊接镁基板材沿厚度方向与金属过渡层中的过渡镁基板的宽度方向对接并进行焊接，将待焊接铝基板材沿厚度方向与金属过渡层中的过渡铝基板的宽度方向对接并进行焊接，再依次经焊缝打磨和清洗，得到镁基-铝基异种金属板材。
本发明通过添加金属过渡层的方法对镁基板材和铝合金异种金属板进行焊接成形，由于金属过渡层由与待焊接镁基板材和待焊接铝基板材成分相同的镁基板材和铝基板材爆炸复合而成，且待焊接镁基板材与金属过渡层中的过渡镁基板焊接相连，待焊接铝基板材与金属过渡层中的过渡铝基板焊接相连，即待焊接板材的材质分别与金属过渡层中直接连接的板材的性能完全相同，避免了其它合金元素的引入，进而极大地减少了镁基- 铝基异种金属板材中镁基和铝基异种金属板与中间层的金属过渡层在焊接过程中发生反应生成硬脆的金属间化合物，保证了镁基-铝基异种金属板材的力学性能。
上述的一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法法，其特征在于，步骤一中所述镁基板材的厚度不小于20mm，铝基板材的厚度为3mm～5mm。在后续爆炸复合中，镁基板材为基层，铝基板材为复层，优选厚度不小于 20mm的镁基板材避免了基层过薄在爆炸复合过程中开裂，优选厚度为 3mm～5mm的铝基板材避免了复层过厚不容易进行爆炸复合以及过薄开裂。
上述的一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤一中所述打磨后的镁基板材和铝基板材表面的粗糙度均不大于2.5μm；所述清洗采用无水乙醇为清洗剂。优选的粗糙度有利于后续爆炸复合的顺利进行。
上述的一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤二中所述退火处理的温度为150℃～200℃，时间为0.5h～2h。上述退火温度避免了镁基-铝基异种金属复合板材粗品中的镁基金属板与铝基金属板的界面中因高温生成大量金属间化合物，导致其力学性能下降，同时减少了退火时间，提高了退火效率。
上述的一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤二中所述金属过渡层的宽度与待焊接镁基板材、待焊接铝基板材的厚度相同。该优选条件有利于金属过渡层与待焊接镁基板材、待焊接铝基板材的充分连接稳固，进一步保证了镁基-铝基异种金属板材的力学性能。
上述的一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，采用 2000#砂纸对步骤三中所述金属过渡层的表面进行打磨至使其表面暴露出明显的金属光泽。该优选金属过渡层表面的打磨程度有利于待焊接镁基板材与金属过渡层中的过渡镁基板、待焊接铝基板材与金属过渡层中的过渡铝基板的焊接，提高了焊接接头的质量。
上述的一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤三中所述焊接采用的方法为激光焊或氩弧焊。采用上述两种较常用的焊接方式均能实现良好的焊接效果，提高了本发明方法的实用和推广价值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过添加金属过渡层的方法对镁基板材和铝合金异种金属板进行焊接成形，由于对应待焊接板材的材质与金属过渡层中直接连接的板材的成分及性能完全相同，避免了其它合金元素的引入，进而极大地减少了镁基-铝基异种金属板材中镁基和铝基异种金属板与中间层的金属过渡层在焊接过程中发生反应生成硬脆的金属间化合物，保证了镁基-铝基异种金属板材的力学性能。
2、本发明的金属过渡层采用爆炸复合的方法得到，使得金属过渡层中的过渡镁基板与过渡铝基板实现冶金结合，进一步减少了硬脆的金属间化合物的生成，保护了金属过渡层的焊接接头的强度和再加工性能。
3、本发明制备的镁基-铝基异种金属板材的焊接接头的剪切强度为不小于110MPa，且厚度不大于3mm的镁基-铝基异种金属板材在250℃～400 ℃下可进行不小于360°的弯曲变形，厚度大于3mm且不超过5mm的镁基 -铝基异种金属板材在250℃～400℃下可进行不小于180°的弯曲变形。
4、本发明可根据待焊接镁基板材和待焊接铝基板材的尺寸调整金属过渡层的厚度，实现了不同厚度的镁基-铝基异种金属板材的焊接。
5、本发明工艺简单，容易实现且效果较好，不仅能够实现镁基-铝基异种金属板材的焊接，还可推广应用到其它异种金属板材的焊接，具有较强的实用价值。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明镁基-铝基异种金属复合板材结构示意图。
图2为本发明镁基-铝基异种金属板材的结构示意图。
附图标记说明：
1-复层； 2-基层； 3-金属过渡层；
4-过渡界面； 5-待焊接铝基板材； 6-待焊接镁基板材；
7-过渡铝基板； 8-过渡镁基板。
具体实施方式
如图1所示，本发明镁基-铝基异种金属复合板材由复层1和基层2组成，其中，沿垂直于镁基-铝基异种金属复合板材平铺的方向截取的一段板材为金属过渡层3。
如图2所示，本发明镁基-铝基异种金属板材包括金属过渡层3，所述金属过渡层3由过渡铝基板7和过渡镁基板8组成，过渡铝基板7和过渡镁基板8形成过渡界面4，所述过渡铝基板7通过焊接与待焊接铝基板材 5相连，所述过渡镁基板8通过焊接与待焊接镁基板材6相连。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、分别选取与待焊接镁基板材6、待焊接铝基板材5的成分相同的厚度为20mm的AZ31镁合金板材、厚度为3mm的1060纯铝板材进行打磨至其表面的粗糙度均不大于2.5μm，采用乙醇清洗后烘干，然后以烘干后的AZ31镁合金板材为基层2，以烘干后的1060纯铝板材为复层1 进行爆炸复合，得到镁基-铝基异种金属复合板材粗品；所述焊接镁基板材6和待焊接铝基板材5的宽度均为100mm，厚度均为2mm；
步骤二、将步骤一中得到的镁基-铝基异种金属复合板材粗品在温度为 200℃的条件下退火处理0.5h，出炉后空冷至室温，然后进行板形校平处理，得到镁基-铝基异种金属复合板材，采用线切割法沿垂直于镁基-铝基异种金属复合板材平铺的方向截取一段板材作为金属过渡层3；所述金属过渡层3的长度为100mm，宽度为2mm；
步骤三、采用2000#砂纸对步骤二中得到的金属过渡层3的表面进行打磨至使其表面暴露出明显的金属光泽，然后将待焊接镁基板材6沿厚度方向与金属过渡层3中的过渡镁基板8的宽度方向对接并采用氩弧焊焊接，将待焊接铝基板材5沿厚度方向与金属过渡层3中的过渡铝基板7的宽度方向对接并采用氩弧焊焊接，再依次采用砂纸对焊缝表面进行打磨除去氧化皮，经乙醇清洗，得到镁基-铝基异种金属板材。
经检测，本实施例制备的镁基-铝基异种金属板材的焊接接头的剪切强度为110MPa，镁基-铝基异种金属板材在250℃、300℃、350℃和400℃下均可进行不小于360°的弯曲变形。
本实施例的镁基板材还可为镁板，铝基板材还可为铝合金板。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、分别选取与待焊接镁基板材6、待焊接铝基板材5的成分相同的厚度为25mm的AZ31镁合金板材、厚度为5mm的6061铝合金板材进行打磨至其表面的粗糙度均不大于2.5μm，采用乙醇清洗后烘干，然后以烘干后的AZ31镁合金板材为基层2，以烘干后的6061铝合金板材为复层1进行爆炸复合，得到镁基-铝基异种金属复合板材粗品；所述焊接镁合金板材6和待焊接铝基板材5的宽度均为150mm，厚度均为4mm；
步骤二、将步骤一中得到的镁基-铝基异种金属复合板材粗品在温度为 180℃的条件下退火处理1.5h，出炉后空冷至室温，然后进行板形校平处理，得到镁基-铝基异种金属复合板材，采用线切割法沿垂直于镁基-铝基异种金属复合板材平铺的方向截取一段板材作为金属过渡层3；所述金属过渡层3的长度为150mm，宽度为4mm；
步骤三、采用2000#砂纸对步骤二中得到的金属过渡层3的表面进行打磨至使其表面暴露出明显的金属光泽，然后将待焊接镁合金板材6沿厚度方向与金属过渡层3中的过渡镁基板8的宽度方向对接并采用氩弧焊焊接，将待焊接铝合金板材5沿厚度方向与金属过渡层3中的过渡铝基板7 的宽度方向对接并采用激光焊焊接，再依次采用砂纸对焊缝表面进行打磨除去氧化皮，经乙醇清洗，得到镁基-铝基异种金属板材。
经检测，本实施例制备的镁基-铝基异种金属板材的焊接接头的剪切强度为121MPa，镁基-铝基异种金属板材在250℃和300℃下均可进行不小于180°的弯曲变形，在350℃和400℃下均可进行不小于270°的弯曲变形。
本实施例的镁基板材还可为镁板，铝基板材还可为铝板。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、分别选取与待焊接镁基板材6、待焊接铝基板材5的成分相同的厚度为20mm的AZ31镁合金板材、厚度为4mm的1060纯铝板材进行打磨至其表面的粗糙度均不大于2.5μm，采用乙醇清洗后烘干，然后以烘干后的AZ31镁合金板材为基层2，以烘干后的1060纯铝板材为复层1 进行爆炸复合，得到镁基-铝基异种金属复合板材粗品；所述焊接镁合金板材6和待焊接铝基板材5的宽度均为100mm，厚度均为3mm；
步骤二、将步骤一中得到的镁基-铝基异种金属复合板材粗品在温度为 150℃的条件下退火处理2h，出炉后空冷至室温，然后进行板形校平处理，得到镁基-铝基异种金属复合板材，采用线切割法沿垂直于镁基-铝基异种金属复合板材平铺的方向截取一段板材作为金属过渡层3；所述金属过渡层3的长度为100mm，宽度为3mm；
步骤三、采用2000#砂纸对步骤二中得到的金属过渡层3的表面进行打磨至使其表面暴露出明显的金属光泽，然后将待焊接镁合金板材6沿厚度方向与金属过渡层3中的过渡镁基板8的宽度方向对接并采用氩弧焊焊接，将待焊接铝合金板材5沿厚度方向与金属过渡层3中的过渡铝基板7 的宽度方向对接并采用激光焊焊接，再依次采用砂纸对焊缝表面进行打磨除去氧化皮，经乙醇清洗，得到镁基-铝基异种金属板材。
经检测，本实施例制备的镁基-铝基异种金属板材的焊接接头的剪切强度为115MPa，在300℃下可进行不小于270°的弯曲变形，在350℃和400 ℃下可进行不小于360°的弯曲变形。
本实施例的镁基板材还可为镁板，铝基板材还可为铝合金板。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种镁基与铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、分别选取与待焊接镁基板材(6)、待焊接铝基板材(5)的成分相同的镁基板材、铝基板材依次进行打磨，清洗和烘干，然后以烘干后的镁基板材为基层(2)，以烘干后的铝基板材为复层(1)进行爆炸复合，得到镁基-铝基异种金属复合板材粗品；
步骤二、将步骤一中得到的镁基-铝基异种金属复合板材粗品进行退火处理，出炉后空冷至室温，然后进行板形校平处理，得到镁基-铝基异种金属复合板材，采用线切割法沿垂直于镁基-铝基异种金属复合板材平铺的方向截取一段板材作为金属过渡层(3)；
步骤三、对步骤二中得到的金属过渡层(3)的表面进行打磨，然后将待焊接镁基板材(6)沿厚度方向与金属过渡层(3)中的过渡镁基板(8)的宽度方向对接并进行焊接，将待焊接铝基板材(5)沿厚度方向与金属过渡层(3)中的过渡铝基板(7)的宽度方向对接并进行焊接，再依次经焊缝打磨和清洗，得到镁基-铝基异种金属板材。
2.根据权利要求1所述的一种镁基-铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤一中所述镁基板材的厚度不小于20mm，铝基板材的厚度为3mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的一种镁基-铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤一中所述打磨后的镁基板材和铝基板材表面的粗糙度均不大于2.5μm；所述清洗采用无水乙醇为清洗剂。
4.根据权利要求1所述的一种镁基-铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤二中所述退火处理的温度为150℃～200℃，时间为0.5h～2h。
5.根据权利要求1所述的一种镁基-铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤二中所述金属过渡层(3)的宽度与待焊接镁基板材(6)、待焊接铝基板材(5)的厚度相同。
6.根据权利要求1所述的一种镁基-铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，采用2000#砂纸对步骤三中所述金属过渡层(3)的表面进行打磨至使其表面暴露出明显的金属光泽。
7.根据权利要求1所述的一种镁基-铝基异种金属板材的焊接方法，其特征在于，步骤三中所述焊接采用的方法为激光焊或氩弧焊。
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