CN113953779A - 一种异种金属连接的界面层制备及基于界面层的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异种金属连接的界面层制备及基于界面层的焊接方法。第一步、采用气相沉积方法在钢表面沉积一层纳米级厚度的AlNi金属间化合物薄膜，AlNi金属间化合物为简单立方结构；第二步、沉积在钢表面的纳米级AlNi金属间化合物薄膜作为镁合金与钢连接的界面层；第三步、采用超声波点焊的方法实现镁合金/预置AlNi金属间化合物层钢的冶金连接，通过优化焊接工艺参数，获得镁合金/AlNi金属间化合物层/钢的界面连接结构。本发明通过预置界面层，控制界面层种类及厚度，与此同时促进界面层与两侧母材合金元素的冶金反应，并保持界面层的结构完整性，该方法具有界面层种类及厚度可调控的特点，便于批量生产，能够拓展应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种异种金属连接的界面层制备及基于界面层的焊接方法。
背景技术
在全球参与节能减排的大背景下，轻量化已逐渐成为制造业的重要发展方向。提高母材强度以及选用轻质材料是实现轻量化的主要手段。随着高强度结构材料及轻金属材料在航空航天、汽车、3C等领域的深入应用，多种材料复合结构的设计及制造技术在上述领域取得了长足进步。镁合金具有比强度高、减震性能好、密度低等特点，而钢作为应用最广泛的金属材料，具有强度高、塑韧性好、耐蚀性好等特点，但是钢的密度较大，增加了能源的消耗。在满足结构件材料使用基础上提出采用镁合金替代部分钢的方法，并且选用高强钢替代普通钢，既可以减轻构件重量，又能够满足航空航天、汽车、3C等领域对构件轻质高性能的要求，有着广阔的应用前景。
对于难固溶不反应异种金属镁合金/钢，由于Mg和Fe之间无任何金属间化合物，且相互之间固溶度极低，促进界面反应是实现难固溶不反应异种金属冶金连接的关键。现有研究指出，AZ系列镁合金与钢进行焊接时，主要是镁合金中的少量Al元素与钢中的合金元素发生反应，在镁合金/钢界面处形成界面层，实现镁合金/钢的冶金连接。但是镁合金/钢焊接过程中，随着焊接方法、工艺参数以及添加合金元素的变化，镁合金/钢界面层种类及厚度均会发生较大变化，镁合金/钢接头性能难以直接调控。针对难固溶不反应异种金属镁合金/钢焊接难点，本发明提出异种金属焊接前，在母材表面预置一界面层，在焊接过程中确保界面层结构的完整性，同时使界面层与两侧母材产生反应，实现冶金连接，解决由于难固溶不反应异种金属界面反应不充分造成接头失效或性能差的问题，同时通过对界面层种类及厚度的调控实现难固溶不反应异种金属镁合金/钢的优质焊接。
发明内容
本发明的目的在于，针对难固溶不反应的异种金属连接界面反应不充分的问题，提供一种解决方法，通过预置薄膜（界面层）的加入促进难固溶不反应异种金属的冶金连接，并通过一种焊接方法在确保界面层不被破坏的同时，实现难固溶不反应异种金属的冶金焊接。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于镁合金/钢异种金属连接时界面层制备的方法，以及实现异种金属连接的焊接方法。
本发明针对难固溶不反应异种金属连接，主要是镁合金/钢。
难固溶不反应异种金属连接前，界面层制备方法：物理气相沉积方法。
所述界面层为单层结构，界面层厚度为纳米级，其厚度在50~1000 nm。
预置界面层能够与单侧母材实现完全共格或半共格，薄膜结构密排面或次密排面与钢的密排面或次密排面错配度低于20%。。
异种金属连接方法包括超声波焊、搅拌摩擦焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊以及电阻点焊等连接方法。还包括能够使界面层处在两异种材料之间并保持界面层结构完整性的其他焊接方法。
预置界面层在焊后保持尺寸及结构的完整性，界面层与两侧为冶金连接。
本发明的目的是提供一种用于难固溶不反应异种金属镁合金/钢连接的制备方法，通过预置界面层，控制界面层种类及厚度，与此同时促进界面层与两侧母材合金元素的冶金反应，并保持界面层的结构完整性。该制备方法工艺简单、适用范围广，便于难固溶不反应异种金属连接的大规模批量生产。
本发明与现有难固溶不反应异种金属连接技术相比具有如下优点：界面层种类及厚度可控，通过在钢侧母材预置界面层，采用固相焊接方法实现界面层与两侧母材的冶金连接，实现异种金属连接；通过设计可选择与两侧母材呈共格或半共格关系的界面层，达到性能强化的目的；可通过设计界面层成分，改变界面层的晶体结构及塑韧性，实现界面层成分与结构设计。本发明焊接材料可满足接头形式为对接、搭接和T型接头等结构的焊接要求。
具体实施方式
下面，来详细说明基于界面层设计的异种金属拼焊板的焊接方法。此外，并不通过以下具体的实施方式来限定界面层预置方法、基于预置界面层的镁合金/钢异种金属连接方法以及焊接所选用的母材类型。
（1）基于纳米级AlNi界面层设计的镁合金/钢异种金属连接方法的步骤如下：
首先选择应用比较广泛的AZ31B镁合金薄板和汽车用DP800高强钢薄板作为异质金属连接材料，其厚度均为1 mm。
第一步、AlNi合金靶材制备
采用粉末冶金技术，将Al和Ni原子按1:1比例，制备直径75 mm、厚度2 mm的合金靶材。
AlNi为B2结构，其晶格常数a=b=c=2.887 Å，当Fe为BCC结构，晶格常数a=b=c=2.860 Å，当Fe为FCC结构，晶格常数a=b=c=2.649 Å，AlNi密排面能够分别与BCC和FCC结构Fe的密排面实现几乎完全共格。
对于Al-Ni化合物，其中A1Ni，A13Ni，A1Ni3和A13Ni5合金是韧性材料，韧性大小顺序为A1Ni>AlNi3>A13Ni5>A13Ni，而A14Ni3和A13Ni2是脆性材料，本实例选择韧性较好的AlNi化合物作为预置界面层。
第二步、钢板表面处理
采用2000#砂纸对DP800钢板表面进行打磨，然后进行抛光，保证DP800钢板表面的平整度；采用浓度为5 %的硫酸水溶液对DP800高强钢板表面进行酸洗，然后采用浓度为95%工业酒精擦拭，获得表面干净、完全裸露的钢板。
第三步、钢板表面沉积薄膜
采用磁控溅射轰击AlNi合金靶材，靶原子溅出并沉积在DP800高强钢板基片上，溅射功率60~150 W，溅射时间0.5~30 h，AlNi薄膜厚度控制在50~1000 nm。保持界面层的连续性。
第四步、镁合金板表面处理
采用2000 #砂纸对镁合金板表面进行打磨，去除镁合金板表面的氧化皮和油污，然后选择浓度为95 %工业酒精对镁合金板表面进行擦拭，获得表面干净、完全裸露的镁合金板。
第五步、镁合金/钢异种金属电阻点焊
将预置薄膜的DP800高强钢板与AZ31镁合金板进行电阻点焊，焊接电流10~20 kA，电极压力2~3.5 kN，焊接时间10~15 周次，电极帽为FB-25型，端面圆直径为6 mm，焊后AlNi薄膜厚度控制在50~1000 nm。
示例根据所选化合物种类，直接制备出目标成分的AlNi合金靶材，作为钢表面的薄膜，AlNi与α-Fe呈完全共格关系。通过调节磁控溅射中的工艺参数，制备出不同厚度的AlNi薄膜，薄膜厚度控制在50~1000 nm，最终获得预置界面层的DP800钢薄板。
将获得预置界面层的DP800钢与AZ31B镁合金薄板采用超声波点焊方法进行搭接焊，AZ31B镁合金薄板在上部，与焊头直接接触，预置薄膜的DP800钢板在下部，与底座相联。将DP800钢/AZ31B镁合金焊接接头在热处理炉中进行热处理，保温温度在300~420 °C，保温时间0.5~16 h，接头强度约为0.6 kN。
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)
1.一种异种金属连接的界面层制备方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
第一步、AlNi金属间化合物靶材制备；
配料：将AlNi金属间化合物，按合金成分1:1比例，配备Al粉和Ni粉；混粉：获得AlNi金属间化合物靶材；
第二步、钢板表面处理；
用砂纸对钢板表面进行打磨，然后进行抛光，保证钢板表面的光洁度及平整度；采用硫酸水溶液对钢板表面进行酸洗，然后采用工业酒精擦拭，获得表面干净、完全裸露的钢板，利于提高后续薄膜与钢板的结合强度；
第三步、钢板表面沉积薄膜；
采用磁控溅射轰击AlNi金属间化合物靶材，靶原子溅出并沉积在钢板基片上，AlNi薄膜厚度控制在50~1000 nm。
2.根据权利要求1所述异种金属连接的界面层制备方法，其特征在于：所述薄膜与钢形成共格或半共格界面。
3.所述薄膜结构密排面或次密排面与钢的密排面或次密排面错配度低于20%。
4.一种基于异种金属连接的界面层的焊接方法，其特征在于，包括：所述方法包含以下步骤：
第一步、镁合金板表面处理；
采用砂纸对镁合金板表面进行打磨，去除镁合金板表面的氧化皮和油污，然后选择工业酒精对镁合金板表面进行擦拭，获得表面干净、完全裸露的镁合金板；
第二步、镁合金/钢金属电阻点焊；
将所述权利要求1或2预置镁合金/钢异种金属焊接界面层的钢板与镁合金板进行电阻点焊，所述界面层与镁合金可发生反应，实现冶金连接；
焊接电流10~20 kA，电极压力2~3.5 kN，焊接时间10~15 周次，电极帽为FB-25型，端面圆直径为6 mm。
5.根据权利要求4所述基于异种金属连接的界面层的焊接方法，其特征在于，采用所述镁合金在上，所述钢板在下的搭接形式。
6.根据权利要求4所述基于异种金属连接的界面层的焊接方法，其特征在于，焊接过程中所述钢板保持与下部电极完全贴合，上部电极由上到下压向镁合金板，接头位于搭接区域中心。
7.根据权利要求4所述基于异种金属连接的界面层的焊接方法，其特征在于，保持界面层的连续性。
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