CN115255585B - 一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法 - Google Patents

一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，它包括如下步骤:S1：对铝合金板进行焊前处理；S2：对镁合金基板进行焊前处理；S3：采用电弧喷涂设备在镁合金基板表面喷涂中间层：中间层由Zn/Ni/Zn三层涂层堆叠而成；S4：采用电阻点焊方法将镁合金基板与铝合金板进行焊接。该方法中Zn/Ni/Zn中间层由熔滴堆积而成，层间结合紧密，在电阻点焊预压阶段能够保持稳定。Zn/Ni/Zn三层结构的中间层为Ni涂层，Ni的熔点远大于金属Zn以及镁铝合金，焊接时Zn/Ni/Zn三层结构中心部位不熔化，阻碍了液相镁铝的混合形成脆硬相金属间化合物，获得更高质量的接头。

Description

一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法
技术领域
本发明涉及一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，属于铝镁异种合金连接技术领域。
背景技术
本部分的描述仅提供与本说明书公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
相比于传统的金属材料，轻合金材料因为质量轻、高强度、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳等优异性能，在机械制造业、海洋工程、市政水利、长输管线、石油化工等领域有显著的优势。其中，镁合金、铝合金为代表的轻合金金属材料应用比较广泛。镁合金和铝合金在同一结构中使用时难免会遇到不同金属材料的连接问题。所以，镁合金与铝合金连接的可靠性对于其应用和发展至关重要。
电阻点焊技术是由在两侧电极压力下的两块板材中所通过的焊接电流产生的电阻热进行焊接的方法。电阻点焊技术具有成本低、操作简单、生产效率高、工作条件好等优点。使用电阻点焊方法进行镁铝异种连接的研究具有其重要的应用价值。然而在镁铝异种合金的焊接过程中将不可避免生成具有很大脆性的镁铝金属间化合物，极大的降低了接头的强度。因此，开展镁合金和铝合金异种金属电阻点焊的研究，对于镁、铝合金的应用具有十分重要的意义。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本说明书的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本说明书的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，该方法获得更高质量的接头。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，它包括如下步骤:
S1：对铝合金板进行焊前处理；
S2：对镁合金基板进行焊前处理；
S3：采用电弧喷涂设备在镁合金基板表面喷涂中间层：中间层由Zn/Ni/Zn三层涂层堆叠而成；
S4：采用电阻点焊方法将镁合金基板与铝合金板进行焊接：首先采用直流脉冲电流对铝合金板和镁合金基板进行预热，预热电流为20KA，预热时间为60ms；电阻点焊的参数如下，电极压力为4.5-6.0KN,焊接电流为45-50KA，焊接时间为120ms,焊接电流缓降时间140ms，电极材料为Cu-ETP，采用球头电极，球头电极的球面半径为200mm,球头电极的直径为16mm，焊接中产生的热量使铝合金板与顶层的Zn涂层熔合、镁合金基板与底层的Zn涂层熔合，中间的Ni涂层不熔化。
优选的，所述步骤S3中的中间层的喷涂方法如下：
(1)准备一张尺寸与镁合金基板相同的隔热遮板，并在隔热遮板上加工出一个直径d＝1.1D的圆孔，其中，D为电极的直径，圆孔的直径d与中间层的直径相等；
(2)将隔热遮板叠放在镁合金基板的表面，圆孔的位置正对镁合金基板上喷涂中间层的位置；
(3)通过圆孔处对镁合金基板进行喷砂，喷砂完成后使用吹风机或超声清洗方式去除镁合金基板表面的碎屑；
(4)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂底层的Zn涂层，喷涂熔滴透过隔热遮板上的圆孔沉积在镁合金基板表面，喷涂过程中电弧喷嘴垂直于镁合金基板且无需移动；
(5)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂中间的Ni涂层；
(6)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂顶层的Zn涂层。
优选的，所述步骤(4)和步骤(6)中的喷涂参数如下：喷涂电压为32V，喷涂电流为120A，喷涂距离为150mm，丝材直径为2mm，压缩空气压力为0.8MPa。
优选的，所述步骤(5)中的喷涂参数如下：喷涂电压为30V，喷涂电流为200A，喷涂距离为150mm，丝材直径为1.6mm，压缩空气压力为0.4MPa。
优选的，所述步骤(3)中采用16#棕刚玉砂进行喷砂，喷砂参数如下：喷砂距离为50-70mm，喷砂角度为60-80°，保持送砂均匀，去除镁合金基板表面的氧化皮和杂质，暴露出纯净基体。
优选的，所述步骤S1中对铝合金板进行焊前处理的方法为：将铝合金板在8％的NaOH溶液中浸泡去油并冲洗后，将铝合金板放进H3PO4溶液中腐蚀，同时加入K2Cr2O7钝化剂对铝合金板钝化处理，腐蚀后在铝合金板表面形成氧化膜并对铝合金板进行冲洗，然后在HNO3溶液中进行亮化处理并再次进行冲洗，冲洗后，在温度为75℃的干燥室中干燥或用热空气吹干，全部工作完成后铝合金板在72小时内进行焊接。
优选的，所述步骤S2中对镁合金基板进行焊前处理的方法为：将镁合金基板放在酒精溶液中超声清洗10分钟，然后使用吹风机吹干。
优选的，所述顶层的Zn涂层和底层的Zn涂层的厚度为100微米，中间的Ni涂层的厚度为200微米。
优选的，所述隔热遮板为石棉板。
优选的，所述铝合金板和镁合金基板的尺寸相同，所述铝合金板和镁合金基板的长度为100mm、宽度为25mm、厚度为2mm，所述铝合金板的材料为5A05铝合金，所述镁合金基板的材料为镁合金AZ61。
本发明的有益效果：该基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法中，采用电弧喷涂技术在镁合金基板表面喷涂中间层，利用隔热遮板上的圆孔使中间层呈规则的圆形，同时降低对镁合金基板的热作用。Zn/Ni/Zn中间层由熔滴堆积而成，层间结合紧密，在电阻点焊预压阶段能够保持稳定。当与铝合金板电阻点焊时，由于涂层表面的粗糙度，中间层和铝合金板的接触面积远小于中间层与镁合金基板的接触面积，焊接初期的铝合金板与中间层的接触电阻Rc1＞镁合金基板与中间层的接触电阻Rc2，因此，在材料内部最高温度将出现在铝合金板和中间层的界面，可以补偿镁铝直接电阻点焊时铝合金板侧产热少、散热快、熔池偏移的现象。同时通过调节焊接参数，使电阻热熔合铝合金板与顶层的Zn涂层的边界以及镁合金基板与底层的Zn涂层的边界，而高熔点的Ni涂层不熔化，从而隔绝液相铝镁发生反应生成脆硬相金属间化合物，获得更高质量的接头。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为镁合金基板表面电弧喷涂中间层的示意图。
图2为电阻点焊镁铝异种合金的示意图。
图3为焊接过程中的电阻R的组成。
图中，1-电弧喷嘴，2-隔热遮板，3-中间层，4-镁合金基板，5-电极，6-铝合金板，Rew-电极与铝合金板/镁合金基板间的接触电阻，Rw-铝合金板/镁合金基板内部的电阻，Rc1-铝合金板与中间层的接触电阻，Rc2-镁合金基板与中间层的接触电阻，Ri-中间层内部的电阻。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，它包括如下步骤。
S1：对铝合金板进行焊前处理：铝合金板的长度为100mm、宽度为25mm、厚度为2mm，所述铝合金板的材料为5A05铝合金。对铝合金板进行焊前处理的方法为：将铝合金板在8％的NaOH溶液中浸泡去油并冲洗后，将铝合金板放进H3PO4溶液中腐蚀，同时加入K2Cr2O7钝化剂对铝合金板钝化处理，保证在铝合金板表面形成氧化膜的同时，对铝合金板表面不会造成过分的腐蚀。腐蚀后对铝合金板进行冲洗，然后在HNO3溶液中进行亮化处理并再次进行冲洗，冲洗后，在温度为75℃的干燥室中干燥或用热空气吹干，全部工作完成后铝合金板应在72小时内进行焊接。
S2：对镁合金基板进行焊前处理：镁合金基板与铝合金板的尺寸相同，镁合金基板的长度为100mm、宽度为25mm、厚度为2mm，镁合金基板的材料为镁合金AZ61。对镁合金基板进行焊前处理的方法为：将镁合金基板放在酒精溶液中超声清洗10分钟，然后使用吹风机吹干。
S3：采用电弧喷涂设备在镁合金基板表面喷涂中间层：中间层由Zn/Ni/Zn三层涂层堆叠而成，中间层的喷涂方法如下：
(1)准备一张尺寸与镁合金基板相同的隔热遮板，所述隔热遮板为石棉板，该隔热遮板具有较高的隔热性和耐高温性能，并在隔热遮板上加工出一个直径d＝1.1D的圆孔，其中，D为电极的直径，圆孔的直径d与中间层的直径相等；
(2)将隔热遮板叠放在镁合金基板的表面，圆孔的位置正对镁合金基板上喷涂中间层的位置；
(3)通过圆孔处对镁合金基板进行喷砂，采用16#棕刚玉砂进行喷砂，喷砂参数如下：喷砂距离为50-70mm，喷砂角度为60-80°，保持送砂均匀，喷砂范围集中在圆孔范围内的镁合金基板，去除镁合金基板表面的氧化皮和杂质，暴露出纯净基体，以提高底层的Zn涂层与基体的结合面积，利用圆孔使镁合金基板的喷砂范围仅限中间层位置，不破坏镁合金基板表面其余位置。喷砂完成后使用吹风机或超声清洗方式去除镁合金基板表面的碎屑，保证镁合金基板表面干净；
(4)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂底层的Zn涂层，底层的Zn涂层的厚度为100微米，喷涂参数如下：喷涂电压为32V，喷涂电流为120A，喷涂距离为150mm，丝材直径为2mm，压缩空气压力为0.8MPa；喷涂熔滴透过隔热遮板上的圆孔沉积在镁合金基板表面，喷涂过程中电弧喷嘴垂直于镁合金基板且无需移动，；
(5)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂中间的Ni涂层，中间的Ni涂层的厚度为200微米，喷涂参数如下：喷涂电压为30V，喷涂电流为200A，喷涂距离为150mm，丝材直径为1.6mm，压缩空气压力为0.4MPa；
(6)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂顶层的Zn涂层，顶层的Zn涂层的厚度为100微米，喷涂参数如下：喷涂电压为32V，喷涂电流为120A，喷涂距离为150mm，丝材直径为2mm，压缩空气压力为0.8MPa。
S4：采用电阻点焊方法将镁合金基板与铝合金板进行焊接：首先采用直流脉冲电流对铝合金板和镁合金基板进行预热，以减小焊接时产生的飞溅，预热电流为20KA，预热时间为60ms；电阻点焊的参数如下，电极压力为4.5-6.0KN,焊接电流为45-50KA，焊接时间为120ms,焊接电流缓降时间140ms，电极材料为Cu-ETP，采用球头电极，球头电极的球面半径为200mm,球头电极的直径为16mm，焊接中产生的热量使铝合金板与顶层的Zn涂层熔合、镁合金基板与底层的Zn涂层熔合，中间的Ni涂层不熔化。
本发明通过在镁合金基板表面电弧喷涂制备Zn/Ni/Zn三层结构，Zn/Ni/Zn中间层由熔滴堆积而成，层间结合紧密，在电阻点焊预压阶段能够保持稳定。并利用耐高温隔热遮板降低电弧对镁合金基板的热作用，同时使喷涂区域为规则的圆形。当与铝合金板电阻点焊时，由于涂层表面的粗糙度，中间层和铝合金板的接触面积远小于中间层与镁合金基板的接触面积，焊接初期的铝合金板与中间层的接触电阻Rc1＞镁合金基板与中间层的接触电阻Rc2，因此，在材料内部最高温度将出现在铝合金板和中间层的界面，可以补偿镁铝直接电阻点焊时铝合金板侧产热少、散热快、熔池偏移的现象。由于Zn的熔点较低，且与镁铝金属焊接性较好，进行电阻点焊时易于与镁铝合金熔合形成焊点。同时Zn/Ni/Zn三层结构的中间层为Ni涂层，Ni的熔点远大于金属Zn以及镁铝合金，焊接时Zn/Ni/Zn三层结构中心部位不熔化，阻碍了液相镁铝的混合形成脆硬相金属间化合物，获得更高质量的接头。
本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：它包括如下步骤:
S1：对铝合金板进行焊前处理；
S2：对镁合金基板进行焊前处理；
S3：采用电弧喷涂设备在镁合金基板表面喷涂中间层：中间层由Zn/Ni/Zn三层涂层堆叠而成；
S4：采用电阻点焊方法将镁合金基板与铝合金板进行焊接：首先采用直流脉冲电流对铝合金板和镁合金基板进行预热，预热电流为20KA，预热时间为60ms；电阻点焊的参数如下，电极压力为4.5-6.0KN,焊接电流为45-50KA，焊接时间为120ms,焊接电流缓降时间140ms，电极材料为Cu-ETP，采用球头电极，球头电极的球面半径为200mm,球头电极的直径为16mm，焊接中产生的热量使铝合金板与顶层的Zn涂层熔合、镁合金基板与底层的Zn涂层熔合，中间的Ni涂层不熔化。
2.根据权利要求1所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述步骤S3中的中间层的喷涂方法如下：
(1)准备一张尺寸与镁合金基板相同的隔热遮板，并在隔热遮板上加工出一个直径d＝1.1D的圆孔，其中，D为电极的直径，圆孔的直径d与中间层的直径相等；
(2)将隔热遮板叠放在镁合金基板的表面，圆孔的位置正对镁合金基板上喷涂中间层的位置；
(3)通过圆孔处对镁合金基板进行喷砂，喷砂完成后使用吹风机或超声清洗方式去除镁合金基板表面的碎屑；
(4)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂底层的Zn涂层，喷涂熔滴透过隔热遮板上的圆孔沉积在镁合金基板表面，喷涂过程中电弧喷嘴垂直于镁合金基板且无需移动；
(5)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂中间的Ni涂层；
(6)通过圆孔处对镁合金基板进行电弧喷涂顶层的Zn涂层。
3.根据权利要求2所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述步骤(4)和步骤(6)中的喷涂参数如下：喷涂电压为32V，喷涂电流为120A，喷涂距离为150mm，丝材直径为2mm，压缩空气压力为0.8MPa。
4.根据权利要求3所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述步骤(5)中的喷涂参数如下：喷涂电压为30V，喷涂电流为200A，喷涂距离为150mm，丝材直径为1.6mm，压缩空气压力为0.4MPa。
5.根据权利要求4所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述步骤(3)中采用16#棕刚玉砂进行喷砂，喷砂参数如下：喷砂距离为50-70mm，喷砂角度为60-80°，保持送砂均匀，去除镁合金基板表面的氧化皮和杂质，暴露出纯净基体。
6.根据权利要求5所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述步骤S1中对铝合金板进行焊前处理的方法为：将铝合金板在8％的NaOH溶液中浸泡去油并冲洗后，将铝合金板放进H3PO4溶液中腐蚀，同时加入K2Cr2O7钝化剂对铝合金板钝化处理，腐蚀后在铝合金板表面形成氧化膜并对铝合金板进行冲洗，然后在HNO3溶液中进行亮化处理并再次进行冲洗，冲洗后，在温度为75℃的干燥室中干燥或用热空气吹干，全部工作完成后铝合金板在72小时内进行焊接。
7.根据权利要求6所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述步骤S2中对镁合金基板进行焊前处理的方法为：将镁合金基板放在酒精溶液中超声清洗10分钟，然后使用吹风机吹干。
8.根据权利要求7所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述顶层的Zn涂层和底层的Zn涂层的厚度为100微米，中间的Ni涂层的厚度为200微米。
9.根据权利要求8所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述隔热遮板为石棉板。
10.根据权利要求9所述的基于电弧喷涂中间层的铝镁异种合金电阻点焊方法，其特征是：所述铝合金板和镁合金基板的尺寸相同，所述铝合金板和镁合金基板的长度为100mm、宽度为25mm、厚度为2mm，所述铝合金板的材料为5A05铝合金，所述镁合金基板的材料为镁合金AZ61。
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