CN114473177A - 一种改善铝镁异种材料界面连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种改善铝镁异种材料界面连接的方法，属于金属结构材料连接技术领域；首先对铝、镁材料试样搭接区域进行打磨，然后采用送粉装置的高速粒子流对铝、镁材料试样搭接区域进行涂层处理，涂层制备结束后在惰性气体氛围或空气中冷却；最后对铝、镁搭接试样进行回填式搅拌摩擦点焊。本发明所制备的锌涂层的存在可以有阻止铝镁之间的相互扩散，降低脆性相(IMC)的生成，提高了铝镁搭接接头的抗拉剪载荷。说明书附图图5中，对比了不加涂层的接头和利用此方法制备锌涂层后的接头力学性能，结果表明，利用本方法添加锌涂层后，接头的性能确实有较大改善。

Description

一种改善铝镁异种材料界面连接的方法
技术领域
本发明属于金属结构材料连接技术领域，具体涉及一种改善铝镁异种材料界面连接的方法。
背景技术
镁合金作为新型绿色环保工程材料，具有重量轻、比强度高、比刚度高等优点，在汽车轻量化和节能减排等方面具有广泛的应用前景。但是，镁合金耐腐蚀性差是制约其应用的主要因素。铝合金是工业中使用最广泛的绿色结构材料之一，具有较低的密度、良好的成型性能和高的耐蚀性等特点。因此，将铝合金和镁合金连接起来使用，能充分发挥铝镁合金各自的优势，具有重要的实际意义。但是，铝、镁合金的物理及化学性能具有差异性，实现铝、镁合金焊接难度大。并且铝镁异种金属的溶解度较低，铝、镁合金在450℃时，发生共晶反应会生成Al12Mg17以及Al3Mg2金属间化合物(Intermetallic compounds,IMC)。共晶反应生成的IMC为脆性相，其硬度较大且与金属基体不相容，导致焊接接头的结合强度显著下降。
湖南大学的田伟采用激光焊对AZ91/AA6016异种合金进行焊接，研究接头中的气孔问题。结果表明，Mg/Al焊接接头的气孔主要来源于母材表面的氧化膜、元素的蒸发烧损和母材中的原始微气孔。接头试验时均为脆性断裂，相结构更稳定的Al12Mg17脆性金属间化合物沿Mg/Al熔合界面处连续分布，使接头沿界面发生脆性剪切断裂。(田伟,周惦武,乔小杰,等.镁/铝异种金属激光焊气孔形成原因研究[J].激光技术,2013,37(06):825-828.)
Jing S等采用冷金属过渡焊接技术对AZ31B镁合金及6061铝合金进行焊接，发现焊缝与镁合金界面处存在大量连续的Al3Mg2、Mg2Si及Al12Mg17金属间化合物，这些金属间化合物的存在使接头镁侧熔合线附近显微硬度值升高、韧性降低，从而导致接头力学性能降低。(Jing S,Kehong W,Zhou q,et al.Microstructure characteristics andproperties of Mg/Al dissimilar metals made by cold metal transfer weldingwith ER4043 filler metal[J].Rare Metal Materials&Engineering,2013,42(7):1337-1341.)
Macwan A等采用超声波点焊对2mm厚ZEK100镁合金和1.5mm厚5754铝合金进行搭接焊，研究不同焊接能量下接头的组织及剪切性能，研究结果发现,接头的组织为ɑ(Mg)与Al12Mg17共晶组织，扩散界面厚度随着焊接能量的增加而增加，接头的最大拉伸剪切载荷随焊接能量的增加呈先增加后降低的趋势，并且在焊接能量为500J时达到最大值，为2.2kN。但是超声波点焊的焊接功率不高，通常仅针对薄板的焊接，不适合于厚板铝/镁异种金属的焊接。(Macwan A,Chen D L.Ultrasonic spot welding of rare-earth containingZEK100 magnesium alloy to 5754aluminum alloy[J].Materials Science&EngineeringA,2016,666:139-148.)
Mohammadi J等采用搅拌摩擦焊对AZ31B镁合金和6061铝合金进行搭接焊，研究搭接接头的组织与力学性能，实验结果表明，搭接接头中存在Al12Mg17与Al3Mg2金属间化合物，其中Al12Mg17分布在接头的铝镁界面处，Al3Mg2分布在搅拌区的底部，此类金属间化合物的存在会恶化接头的力学性能。(Mohammadi J,Behnamian Y,Mostafaei A,et al.Frictionstir welding joint of dissimilar materials between AZ31Bmagnesium and6061aluminum alloys:Microstructure studies and mechanical characterizations[J].Materials Characterization,2015,101:189-207.)
H T Zhang等采用MIG焊对1mm厚的AZ31/2B50异种合金进行搭接焊，焊接时将0.2mm厚的Zn箔作为中间层，以抑制接头中铝镁金属间化合物的生成，通过对接头组织元素进行SEM扫描电镜及EDS能谱分析后发现，搭接接头的熔合区存在Al-Si亚共晶和Al-Zn共晶组织，在熔合区与镁合金母材之间的界面处发现了多种铝锌金属间化合物，接头中没有发现铝镁金属间化合物，接头拉伸强度达到64MPa。但是该方法需要外部添加Zn箔，Zn箔的尺寸和放置区域难以实现精确控制。特别是在点焊过程中，非焊接区域的Zn箔可能会残存在搭接板内侧，影响搭接接头的耐蚀性及美观性。(H TZhang,J Q Song.Microstructuralevolution of aluminum/magnesium lap joints welded using MIG process with zincfoil as an interlayer[J].Materials Letters,2011,65(21):3292-3294.)
申请号为201910401576.1的专利公开了一种改善Mg/Al连接界面性能的方法，通过设计复合材料中间层，引入碳化硅颗粒增强相以改善Mg/Al层界面。但是该方法工艺复杂，主要在实验室条件下实现，难以推广到工程应用。
申请号为201810027961.X的专利公开了一种制备镁/铝基层状复合板的方法，通过在镁、铝合金板材表面溅射铜层，使镁/铝基层状复合板的界面结合良好，界面处没有裂纹、气孔等缺陷。镁/铝层状复合板的界面结合强度可达80Mpa。但是该方法需要将板材置于氩气环境下，因此仅适合小尺寸的板材，大尺寸构件难以实现。
申请号为201911223068.5的专利公开了一种Zn钎料增强界面的铝/镁/铝复合板及粉末热压制备方法，通过在铝/镁界面处添加锌钎料，得到界面结合质量高、成品率高的铝/镁/铝复合板。但是该方法工艺复杂，难以实现工程应用。并且，该方法仅适合于制备铝/镁/铝复合板。
基于已有论文和专利，可以发现常规焊接方法难以实现铝镁异种合金的连接，而在搭接界面添加锌或其他材料的中间层，可以在一定程度上促进铝镁合金的连接，改善搭接界面的组织并提高接头力学性能。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种改善铝镁异种材料界面连接的方法，具体是指通过在铝镁搭接区域制备锌涂层，改善铝镁异种材料界面连接，提高接头的力学性能及使用寿命。
本发明的技术方案是：一种改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：表面预处理：用砂纸对铝、镁材料试样搭接区域进行打磨，以去除氧化物、杂质，再用丙酮或酒精去除油污；
步骤二：将锌粉装入送粉装置，接通高压气源，打开气体加热器，经过喷枪后形成高速粒子流；然后采用所述高速粒子流对铝、镁材料试样搭接区域进行涂层处理；
步骤三：涂层制备结束后，在惰性气体氛围或空气中冷却；
步骤四：制备完涂层后，对铝、镁搭接试样进行回填式搅拌摩擦点焊。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，所述高压气源为氦气、氮气或压缩空气。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，所述高压气源的气体压力在1.0-2.0MPa，气体温度为50-300℃。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，锌粉颗粒尺寸在10-100μm之间，颗粒速度达到400-1000m/s。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，通过机械手臂将铝、镁材料试样进行装夹。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，对铝、镁材料试样搭接区域进行循环操作。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，对铝、镁材料试样搭接区进行双面涂层处理。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤四中，采用RFSSW设备对带有锌涂层的铝镁材料试样搭接区域进行焊接。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明在制备锌涂层过程中，撞击颗粒尺寸在10-100μm之间，颗粒的加速可通过高压压缩气体(氦气、氮气或压缩空气)而实现，气体压力一般为1.0-2.0MPa，颗粒速度可达到400-1000m/s；再者，可以根据需要对气体进行预热，预热温度一般为50-300℃。所制备的锌涂层的存在可以有阻止铝镁之间的相互扩散，降低脆性相(IMC)的生成，提高了铝镁搭接接头的抗拉剪载荷。说明书附图图5中，对比了不加涂层的接头和利用此方法制备锌涂层后的接头力学性能，结果表明，利用本方法添加锌涂层后，接头的性能确实有较大改善。
相比于现有技术中镀锌板焊接，镀锌板是指表面镀有一层锌的钢板，镀锌是一种经常采用的经济而有效的防锈方法。而本发明利用加热高速气体制备锌层的好处：可以控制锌层的厚度(薄厚均可)，可以控制锌层的制备范围(特别是局部、小范围制备)，可制备锌层的基体种类多(不仅局限于铝合金、镁合金、钢等)，对基体要求低(尺寸、空间位置、表面状态等)。
本发明的方法中利用高速气流在一定温度下加速锌粒子，使其在基板表面进行沉积。利用此方法制备的锌涂层不仅可以改善铝镁异种材料界面连接质量，还可用于其他异种材料的各种搭接接头，改善界面搭接质量以提高接头的使用寿命。
当采用回填点焊方法直接焊接铝/镁异种金属时，会在搭接界面附近产生大量的铝镁脆性金属间化合物，硬度高，脆性大，使得铝镁接头在焊接过程中或焊接冷却后开裂。铝镁主要存在的问题就是金属间化合物严重影响了焊接接头的性能，考虑通过加入某些合金元素来抑制铝镁金属间化合物的生成。基于铝镁合金的熔点，及两种金属与所选金属的二元相图，采用Zn作为金属夹层辅助铝镁焊接。从图6锌-铝二元相图可知，锌和铝平衡条件下，在277℃和381℃时，都会产生共晶反应。而从图7锌-镁二元相图知，锌和镁在平衡条件下，在341℃和364℃时，也会发生共晶反应。因此，锌层的存在可以阻止铝镁脆性金属间化合物的生成。
附图说明
图1为本发明涂层制备过程原理图。
图2为本发明实施例的工作原理图。
图3为本发明RFSSW接头的横截面组织。
图4为本发明不同工艺参数下RFSSW接头的拉剪力学性能。
图5为本发明焊接接头及添加涂层后接头的力学性能。
图6为锌-铝二元相图。
图7为锌-镁二元相图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例的处理方法包括以下步骤：
(1)用70#-400#的砂纸对2195铝合金板(25×100mm)进行打磨，用酒精去除污渍，处理区域为搭接界面(25×25mm)；
(2)参数选择：粉末粒子为锌粉，气体压力为2.2MPa，预热温度为300℃，加速气体选择氮气；
(3)将锌粉装入送粉装置，接通高压气源，并打开气体加热器，经过喷枪形成高速粒子流；
(4)通过机械手臂将基板(2195铝合金)进行装夹，然后利用上述高速粒子流对2195铝合金板的搭接区域(25×25mm)进行处理。
(5)将带有涂层的2195铝合金作为待焊上板(有锌涂层侧作为搭接界面，无涂层侧作为上表面)，将镁合金作为下板。利用RFSSW设备对铝镁合金进行搭接焊，所获接头的横截面组织如图3所示。改变焊接参数(下压量)，所获RFSSW接头的拉剪力学性能见图4。
结果表明：通过在2195铝合金搭接侧预制锌涂层，可以获得结合良好的铝镁RFSSW搭接接头。
图5中，对比了参考文献不加涂层的接头和利用本发明制备锌涂层后的接头力学性能，结果表明，利用本方法添加锌涂层后，接头的性能确实有较大改善。参考文献的焊接接头的力学性能数据来自参考文献：[1]Shen Z,Liu X,Li D,et al.Interfacial Bondingand Mechanical Properties of Al/Mg Dissimilar Refill Friction Stir Spot WeldsUsing a Grooved Tool.Crystals,2021,11(4):429.
综上所述，说明通过预制锌涂层，可以获得组织性能优异的铝镁焊接接头。因此，本发明可以有效改善铝镁异种材料的界面连接。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：表面预处理：用砂纸对铝、镁材料试样搭接区域进行打磨，以去除氧化物、杂质，再用丙酮或酒精去除油污；
步骤二：将锌粉装入送粉装置，接通高压气源，打开气体加热器，经过喷枪后形成高速粒子流；然后采用所述高速粒子流对铝、镁材料试样搭接区域进行涂层处理；
步骤三：涂层制备结束后，在惰性气体氛围或空气中冷却；
步骤四：制备完涂层后，对铝、镁搭接试样进行回填式搅拌摩擦点焊。
2.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤二中，所述高压气源为氦气、氮气或压缩空气。
3.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤二中，所述高压气源的气体压力在1.0-2.0MPa，气体温度为50-300℃。
4.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤二中，锌粉颗粒尺寸在10-100μm之间，颗粒速度达到400-1000m/s。
5.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤二中，通过机械手臂将铝、镁材料试样进行装夹。
6.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤二中，对铝、镁材料试样搭接区域进行循环操作。
7.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤二中，对铝、镁材料试样搭接区进行双面涂层处理。
8.根据权利要求1所示改善铝镁异种材料界面连接的方法，其特征在于：所述步骤四中，采用RFSSW设备对带有锌涂层的铝镁材料试样搭接区域进行焊接。
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