CN113046813B - 镁合金材料及其制备方法和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镁合金材料及其制备方法和焊接方法，涉及新材料技术领域。上述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层，所述阻抗膜层主要由镁合金基材在碱性电解液中电解得到；其中，所述碱性电解液主要由氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾组成。本发明通过在上述电解液中对镁合金基材进行电解，镁合金材料的表面会形成一层阻抗膜，在焊接过程中，上述镁合金材料的阻抗膜层由于电流的作用而大量产热，促进镁合金板材熔化，在焊接压力作用下，阻抗膜被挤开，暴露镁合金基体并完成镁合金的高质量焊接，进而从根本上缓解了现有镁合金材料在焊接过程中由于焊接电流过大造成的胞状树枝晶组织较多、焊后接头性能较低的问题。

Description

镁合金材料及其制备方法和焊接方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其是涉及一种镁合金材料及其制备方法和焊接方法。

背景技术

高性能装备对轻量化材料的需求与日俱增，尤其是交通工具、航空制造、消费电子和武器装备等领域。镁合金是最轻的金属结构材料，是机械工程领域理想的轻量化材料，比如作为汽车板材、结构板材等。

但镁合金的导电性好、电阻率低，在镁合金板材电阻点焊过程中，需要使用较大的焊接电流，而大的焊接电流极易导致导致熔核体积增大和熔核金属喷溅，进而导致焊接接头力学性能降低和热影响区软化现象。此外，使用传统的电阻点焊方法焊接镁合金时，熔核中存在较多的胞状树枝晶组织，导致接头性能较低。

为了改善镁合金的电阻点焊焊接接头质量，目前的研究主要局限于调整焊接工艺，如焊接电流、电极压力和焊接时间等，难以从根本上解决镁合金点焊质量较差的问题。

因此，开发一种高质量焊接镁合金材料的方法，进而有效缓解现有镁合金板材焊接过程中胞状树枝晶组织较多，接头性能较差的问题，变得十分必要和迫切。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁合金材料，所述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层。在焊接过程中，上述镁合金材料的高阻抗膜层由于电流的作用而大量产热，促进镁合金板材熔化，在焊接压力作用下，阻抗膜被挤开，暴露镁合金基体并完成镁合金的高质量焊接，进而从根本上缓解了现有镁合金材料在焊接过程中焊接电流过大导致的胞状树枝晶组织较多、焊后接头性能较低的问题。此外，上述镁合金材料的焊接方法无需在焊接时向镁合金板材间添加任何辅料，即能够大幅提高镁合金焊接质量。具有加工工艺简单、易于操作，适用于大规模工业化生产的优势。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供的一种镁合金材料，所述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层；

所述阻抗膜层主要由镁合金基材在碱性电解液中电解得到；

所述碱性电解液主要由氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾组成。

进一步的，按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠0.1～10g、六偏磷酸钠0.1～50g、氟化钠1～20g和酒石酸钾0.1～10g。

进一步的，按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠2～8g、六偏磷酸钠10～40g、氟化钠5～15g和酒石酸钾2～8g；

优选地，所述按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠5g、六偏磷酸钠25g、氟化钠10g和酒石酸钾5g。

进一步的，所述阻抗膜层的厚度为0.1～100μm。

进一步的，镁合金基材包括Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Li系和Mg-Re系中的一种，优选为稀土镁合金；

优选地，所述稀土镁合金中稀土的含量为0.1～10％。

本发明提供的一种上述镁合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

提供镁合金基材，随后将镁合金基材置于电解液中，电解，使镁合金基材表面形成阻抗膜层。

进一步的，所述电解的电流频率为10～1000Hz，电压为10～600V。

进一步的，所述电解的时间为10～3000s。

进一步的，所述制备方法还包括对形成的阻抗膜层进行清洗和干燥的步骤。

本发明提供的一种上述镁合金材料的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：

提供至少两件镁合金材料，然后将镁合金材料的阻抗膜层相接触，堆叠焊接，得到焊接后镁合金材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的镁合金材料，所述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层，所述阻抗膜层主要由镁合金基材在碱性电解液中电解得到；其中，所述碱性电解液主要由氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾组成。所述镁合金在碱性电解液中钝化形成不定形钝化膜并附着于镁合金表面，在通入的脉冲电流作用下，钝化膜被击穿，进而在镁合金表面发生等离子体放电现象，并形成放电通道，镁合金表面的镁原子在通道内的等离子的作用下发生等离子体氧化，转变为熔融的氧化镁，并在电解液的激冷作用下，附着在镁合金表面，形成一层高阻抗的氧化膜。在焊接过程中，上述镁合金材料的阻抗膜层由于电流的作用而大量产热，促进镁合金板材熔化，在焊接压力作用下，阻抗膜被挤开，暴露镁合金基体并完成镁合金的高质量焊接，进而从根本上缓解了现有镁合金材料在焊接过程中焊接电流过大导致的胞状树枝晶组织较多、焊后接头性能较低的问题。

本发明提供的镁合金材料的制备方法，该制备方法为：提供镁合金基材，随后将镁合金基材置于电解液中电解，使镁合金基材表面形成阻抗膜层。上述制备方法具有加工工艺简单、易于操作，适用于大规模工业化生产的优势。

本发明提供的上述镁合金材料的焊接方法，所述焊接方法首先提供至少两件镁合金材料，然后将镁合金材料的阻抗膜层相接触，焊接，得到焊接后镁合金材料。上述焊接方法无需在焊接时向镁合金板材间添加任何辅料，即能够大幅提高镁合金焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的镁合金材料表面阻抗膜层的扫描电镜图片；

图2为本发明实施例1提供的镁合金材料的电阻点焊接头焊点。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一个方面，一种镁合金材料，所述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层；

所述阻抗膜层主要由镁合金基材在碱性电解液中电解得到；

所述碱性电解液主要由氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾组成。

本发明提供的镁合金材料，所述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层，所述阻抗膜层主要由镁合金基材在碱性电解液中电解得到；其中，所述碱性电解液主要由氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾组成；所述镁合金在碱性电解液中钝化形成不定形钝化膜并附着于镁合金表面，在通入的脉冲电流作用下，钝化膜被击穿，进而在镁合金表面发生等离子体放电现象，镁合金表面的镁原子在等离子的作用下发生等离子体氧化，形成熔融氧化镁并在电解液激冷作用下，凝固沉积在镁合金表面，形成一层高阻抗的氧化膜。本发明通过在上述电解液中对镁合金基材进行电解，得到的带阻抗膜层的镁合金，在焊接过程中，镁合金材料的阻抗膜层由于电流的作用而大量产热，促进镁合金板材熔化，在焊接压力作用下，氧化膜被挤开，暴露镁合金基体并完成镁合金的高质量焊接，进而从根本上缓解了现有镁合金材料在焊接过程中胞状树枝晶组织较多，焊后接头性能较低的问题。

在本发明的一种优选实施方式中，按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠0.1～10g、六偏磷酸钠0.1～50g、氟化钠1～20g和酒石酸钾0.1～10g。

上述氢氧化钠典型但非限制性的优选实施方案为：0.1g/L、1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L和10g/L；上述六偏磷酸钠典型但非限制性的优选实施方案为：0.1g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L、40g/L、45g/L和50g/L；上述氟化钠典型但非限制性的优选实施方案为：1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L、10g/L、11g/L、12g/L、13g/L、15g/L、17g/L、18g/L、19g/L和20g/L；上述酒石酸钾典型但非限制性的优选实施方案为：0.1g/L、1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L和10g/L。

在本发明的一种优选实施方式中，按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠2～8g、六偏磷酸钠10～40g、氟化钠5～15g和酒石酸钾2～8g；

优选地，所述按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠5g、六偏磷酸钠25g、氟化钠10g和酒石酸钾5g。

本发明中，通过对各组分原料用量比例的进一步调整和优化，从而进一步优化了本发明镁合金材料中阻抗膜层的性能。

在本发明的一种优选实施方式中，所述阻抗膜层的厚度为0.1～100μm。

在本发明的一种优选实施方式中，镁合金基材包括Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Li系和Mg-Re系中的一种，优选为稀土镁合金；

在上述优选实施方式中，所述稀土镁合金中稀土的含量为0.1～10％。

作为一种优选的实施方式，上述稀土镁合金中稀土元素的含量为1％。由于稀土元素在电解过程中将参与到阻抗膜的成膜反应中，含稀土元素的阻抗膜在焊接时，稀土元素进入熔融焊缝中，并与镁元素形成高熔点的中间相，这些稀土中间相成为镁晶粒的形核核心，能够有效细化焊缝晶粒，大幅提高镁合金焊缝性能。

根据本发明的一个方面，一种上述镁合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

提供镁合金基材，随后将镁合金基材置于电解液中，电解，使镁合金基材表面形成阻抗膜层。

本发明提供的镁合金材料的制备方法，该制备方法为：提供镁合金基材，随后将镁合金基材置于电解液中电解，使镁合金基材表面形成阻抗膜层。上述制备方法具有加工工艺简单、易于操作，适用于大规模工业化生产的优势。

在本发明的一种优选实施方式中，所述电解的电流频率为10～1000Hz，电压为10～600V。

作为一种优选的实施方式，上述电解的电流频率和电压分别为600HZ，400V。过高的电压和频率易在膜层表面留下击穿孔和击穿斑，影响制备镁合金样品性能。

在本发明的一种优选实施方式中，所述电解的时间为10～3000s。

作为一种优选的实施方式，上述电解的时间600S。

在本发明的一种优选实施方式中，所述制备方法还包括对形成的阻抗膜层进行清洗和干燥的步骤。

作为一种优选的实施方式，上述对阻抗膜层进行清洗和干燥的步骤采用纯净水或酒精将残留的电解液冲洗干净，然后自然晾干或烘干。

根据本发明的一个方面，一种上述镁合金材料的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：

提供至少两件镁合金材料，然后将镁合金材料的阻抗膜层相接触，堆叠焊接，得到焊接后镁合金材料。

本发明提供的上述镁合金材料的焊接方法，所述焊接方法首先提供至少两件镁合金材料，然后将镁合金材料的阻抗膜层相接触，堆叠焊接，得到焊接后镁合金材料。上述焊接方法无需在焊接时向镁合金板材间添加任何辅料，即能够大幅提高镁合金焊接质量。

优选地，所述镁合金材料的制备和焊接方法包括以下步骤：

1、配置电解液，该电解液由六偏磷酸钠、去离子水、氢氧化钠和氟化钠组成；

2、将电解液放入电解池中，电解池接有电极；

3、将待处理的镁合金连接电极的一段，放入电解槽中进行处理，处理时间10s-3000s；

4、通入的电为脉冲电，频率10-1000Hz，电压10-600V；

5、处理后，镁合金表面覆盖一层高阻抗膜层，清洗、干燥后备用；

6、将2片处理后的镁合金堆叠转入焊接夹具，高阻抗膜层相接触；

7、启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，通入焊接电流后，高阻抗膜层大量发热，并形成高质量焊点；

8、完成焊接。

在本发明的一种优选实施方式中，所述焊接为电阻点焊。

下面将结合实施例和对比例对本发明的技术方案进行进一步地说明。

实施例1

一种镁合金材料的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(a)、配置电解液：氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾充分溶解于去离子水中；

所述每L电解液中含氢氧化钠5g、六偏磷酸钠25g、氟化钠10g和酒石酸钾5g；

(b)、将电解液放入电解池中，电解池接有电极；随后将待处理的镁合金连接电极的一段，放入电解槽中进行电解处理，得到表面覆盖一层阻抗膜的镁合金材料；

所述电解的处理时间为300s；

所述电解的电为脉冲电，频率500Hz，电压300V；

如图1所示，图1为镁合金材料表面阻抗膜层的电镜图片；

(c)、将步骤(b)处理后的镁合金材料用纯净水清洗并烘干，随后将2片处理后的镁合金堆叠转入焊接夹具，高阻抗膜层相接触；启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，通入焊接电流后，高阻抗膜层大量发热，并形成高质量焊点。

如图2所示，图2为上述镁合金材料的电阻点焊接头焊点。

实施例2

一种镁合金材料的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(a)、配置电解液：氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾充分溶解于去离子水中；

所述每L电解液中含氢氧化钠1g、六偏磷酸钠1g、氟化钠2g和酒石酸钾1g；

(b)、将电解液放入电解池中，电解池接有电极；随后将待处理的镁合金连接电极的一段，放入电解槽中进行电解处理，得到表面覆盖一层阻抗膜的镁合金材料；

所述电解的处理时间为3000s；

所述电解的电为脉冲电，频率1000Hz，电压600V；

(c)、将步骤(b)处理后的镁合金材料清洗并干燥，随后将2片处理后的镁合金堆叠转入焊接夹具，高阻抗膜层相接触；启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，通入焊接电流后，高阻抗膜层大量发热，并形成高质量焊点。

实施例3

一种镁合金材料的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(a)、配置电解液：氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾充分溶解于去离子水中；

所述每L电解液中含氢氧化钠10g、六偏磷酸钠50g、氟化钠20g和酒石酸钾10g；

(b)、将电解液放入电解池中，电解池接有电极；随后将待处理的镁合金连接电极的一段，放入电解槽中进行电解处理，得到表面覆盖一层阻抗膜的镁合金材料；

所述电解的处理时间为100s；

所述电解的电为脉冲电，频率100Hz，电压200V；

(c)、将步骤(b)处理后的镁合金材料用酒精清洗并烘干，随后将2片处理后的镁合金堆叠转入焊接夹具，高阻抗膜层相接触；启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，通入焊接电流后，高阻抗膜层大量发热，并形成高质量焊点。

实施例4

一种镁合金材料的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(a)、配置电解液：氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾充分溶解于去离子水中；

所述每L电解液中含氢氧化钠2g、六偏磷酸钠10g、氟化钠5g和酒石酸钾2g；

(b)、将电解液放入电解池中，电解池接有电极；随后将待处理的镁合金连接电极的一段，放入电解槽中进行电解处理，得到表面覆盖一层阻抗膜的镁合金材料；

所述电解的处理时间为100s；

所述电解的电为脉冲电，频率200Hz，电压300V；

(c)、将步骤(b)处理后的镁合金材料用酒精清洗并烘干，随后将2片处理后的镁合金堆叠转入焊接夹具，高阻抗膜层相接触；启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，通入焊接电流后，高阻抗膜层大量发热，并形成高质量焊点。

实施例5

一种镁合金材料的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(a)、配置电解液：氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾充分溶解于去离子水中；

所述每L电解液中含氢氧化钠8g、六偏磷酸钠40g、氟化钠15g和酒石酸钾8g；

(b)、将电解液放入电解池中，电解池接有电极；随后将待处理的镁合金连接电极的一段，放入电解槽中进行电解处理，得到表面覆盖一层阻抗膜的镁合金材料；

所述电解的处理时间为500s；

所述电解的电为脉冲电，频率800Hz，电压500V；

(c)、将步骤(b)处理后的镁合金材料清洗并干燥，随后将2片处理后的镁合金堆叠转入焊接夹具，高阻抗膜层相接触；启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，通入焊接电流后，高阻抗膜层大量发热，并形成高质量焊点。

对比例1

一种镁合金材料的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

提供镁合金材料，所述镁合金材料不包含阻抗膜层；随后将2片镁合金堆叠转入焊接夹具；启动电阻点焊机，使焊接电极夹紧镁合金板材，采用与实施例1相同的焊接参数，通入焊接电流完成焊接。

焊接后的镁合金材料未实现冶金连接，两片镁合金直接脱落。

对比例2

本对比例除电解液中不包含六偏磷酸钠外，其余同实施例1。

焊接后的镁合金材料实现连接，但切开熔核进行金相分析后发现，熔核尺寸明显小于实施例1。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种镁合金材料的焊接方法，其特征在于，所述镁合金材料包括镁合金基材和阻抗膜层；

所述阻抗膜层由镁合金基材在碱性电解液中电解得到；

所述碱性电解液由氢氧化钠、六偏磷酸钠、氟化钠和酒石酸钾组成；

按质量体积浓度计，每L碱性电解液包括：

氢氧化钠5g、六偏磷酸钠25g、氟化钠10g和酒石酸钾5g；

所述电解的电流频率为10~1000Hz，电压为10~600V；

所述电解的时间为10~3000s；

所述焊接方法包括以下步骤：

提供至少两件镁合金材料，然后将镁合金材料的阻抗膜层相接触，堆叠焊接，得到焊接后的镁合金材料；

所述堆叠焊接的方法为电阻点焊。

2.根据权利要求1所述的镁合金材料的焊接方法，其特征在于，所述阻抗膜层的厚度为0.1~100μm。

3.根据权利要求1所述的镁合金材料的焊接方法，其特征在于，镁合金基材包括Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Li系和Mg-Re系中的一种。

4.根据权利要求3所述的镁合金材料的焊接方法，其特征在于，镁合金基材为Mg-Re系稀土镁合金。

5.根据权利要求4所述的镁合金材料的焊接方法，其特征在于，所述稀土镁合金中稀土的含量为0.1~10%。

6.根据权利要求1~5任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述镁合金材料的制备方法包括以下步骤：

提供镁合金基材，随后将镁合金基材置于电解液中电解，使镁合金基材表面形成阻抗膜层。

7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述镁合金材料的制备方法还包括对形成的阻抗膜层进行清洗和干燥的步骤。

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