CN115255597B - 一种镁合金表面增塑扩散连接方法 - Google Patents

一种镁合金表面增塑扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

一种镁合金表面增塑扩散连接方法，在镁合金表面激光冲击强化形成一定厚度的细晶超塑层并结合分级加压的方法进行扩散连接。通过在镁合金表面制备超塑性细晶层，增加了镁合金界面处的高温塑性有助于通过较小压力产生局部变形破碎氧化膜，有助于提高焊后精度和接头强度。本发明解决了镁合金表面易氧化，扩散连接变形程度大、结合强度低等问题，同时也适用于镁合金与铝合金之间的扩散连接，较传统方法需要的扩散焊接压力小，保温时间短，尤其适用于易氧化的轻合金材料大尺寸精密构件扩散连接工艺。

Description

一种镁合金表面增塑扩散连接方法
技术领域
本发明涉及一种表面增塑扩散连接镁合金材料的方法，属于焊接技术领域。
背景技术
镁合金具有高的比强度和比刚度、高阻尼、电磁屏蔽、良好的尺寸稳定性、导热导电性，以及优异的铸造、切削加工性能和易回收利用等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。在航天航空领域，镁合金被广泛应用于制造飞机、导弹、飞船、卫星上的重要构件，以减轻零件质量，提高飞行器的机动性能，降低航天器的发射成本。随着航天航空工业的发展，对结构轻量化和功能性提出了更高的要求。当前，受制于镁合金高可靠连接技术，在复杂精密构件制造方面存在较大困难，迫切需求解决轻质高强镁合金精密高强扩散连接技术。
目前镁合金扩散连接多采用中间层的方法，利用中间层与镁合金之间形成的液相在高温高压下扩散凝固，其中中间层与镁合金一般发生共晶反应，形成低熔点共晶液相反应层以实现界面冶金结合。但这种瞬时液相扩散连接目前存在的主要问题是接头结合强度较低，焊后由于采用异质材料作为中间层，极易造成接头界面处形成电极电位差，对接头耐蚀性能有很大影响。由于镁合金表面形成的氧化膜较为稳定，真空焊接过程中难以去除，没有液相层辅助的条件下，需要通过塑性变形破碎氧化膜，否则将阻碍界面原子的相扩散，界面结合强度低。虽然可以通过提高焊接压力的方式增大焊缝强度，但也导致了构件焊后精度变差。
镁合金扩散连接过程中存在氧化影响扩散效率，需要较高的焊接压力和温度破碎氧化膜，导致焊接变形大，构件尺寸精度低，使用中间层虽然可以降低焊接压力但容易产生腐蚀等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种镁合金表面增塑扩散连接方法，适用于直接扩散连接镁合金，并提高接头强度，减少焊接变形，同时提高耐蚀性能的方法，对于推动镁合金在航空航天等高新技术领域具有十分重要的意义。
本发明解决技术的方案是：一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于，包括：
S1、采用机械加工方法制备平整的镁合金待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；
S2、在镁合金待焊表面均匀覆盖一层铝箔作为吸收层、再在铝箔表面均匀覆盖一层水流作为约束层，使用强脉冲激光辐照方法在吸收层产生离子体诱导产生冲击波，在镁合金表面均匀制备一层细晶超塑层；
S3、去除镁合金表面铝箔后，采用退火处理消除表面残余应力；
S4、重复步骤S2和S3，形成表面细晶超塑层；
S5、采用喷砂处理方法去除待焊表面残余氧化物并成形一定粗糙度表面；
S6、将镁合金待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装工装夹具后整体放入真空炉内，进行加热处理，取出工件；
S7、对焊接后的工件进行固溶和时效处理，获得最终产品。
进一步的，所述约束层采用去离子水。
进一步的，所述吸收层采用厚度为100～150μm的铝箔。
进一步的，所述强脉冲激光辐照方法包括：采用Z字型冲击路径，激光光斑直径为3～5mm，光斑搭接率为50％，激光能量为5～6J、脉冲宽度为8～20ns。
进一步的，所述退火处理包括：将镁合金在300～350℃保温4～6h。
进一步的，所述S4中，重复步骤S2和S3，2～3次。
进一步的，所述喷砂处理方法包括：
采用0.3～0.5MPa风压，在300～500mm距离内以45°～60°喷射角进行喷射，形成粗糙度为Ra1.6～3.2的表面后，用高压气体去除表面砂粒。
进一步的，所述安装工装夹具后整体放入真空炉内，进行加热处理，取出工件，包括：
对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至300～350℃时对待焊表面施加1～3MPa的预压力，保温10～20min；将温度升至380～400℃后对待焊表面施加0.3～0.5MPa的压力，保温10～30min；将温度升至420～440℃后对待焊表面施加0.1～0.2MPa的压力，继续保温20～40min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件。
进一步的，所述的固溶和时效处理包括：将焊接后的工件在400～420℃固溶处理2～4h，随后160～200℃时效处理8～16h。
进一步的，所述方法用于镁合金或稀土镁合金同种材料焊接，也可用于镁合金与铝合金异种材料焊接；当焊接镁合金与铝合金异种材料时，需对镁合金按照所述S1～S5进行处理，对铝合金按照所述S1和S5进行处理。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用镁合金的特性，结合分级加压方式，在较低温度下(300～350℃)采用一定压力(1～3MPa)即可促使界面区域变形，破碎氧化膜露出新鲜界面接触扩散，利用界面充分接触后对焊接压力要求降低的特性，逐步升高温度同时降低扩散焊压力至0.1～0.2MPa，避免了高温高压下母材塑性变形导致工件型面精度降低，保证了构件的整体精度。
(2)本发明通过多次激光冲击处理，结合表面喷砂工艺，在去除氧化物的同时增加了粗糙度，在镁合金表面形成了热稳定性较好且接触面积增大的细晶过渡层，保证了镁合金界面原子在扩散连接过程中有效接触增多和扩散效率提升，在较低温度、较短时间内即可达到高强扩散连接效果。
(3)本发明在激光冲击时通过几十纳秒的短脉冲、高峰值功率密度的激光辐射于镁合金的表面，使其表面吸收激光冲击能量以至于约束层发生汽化蒸发，产生大量高温高压的等离子体，在表面产生严重的塑性变形，形成了纳米级晶粒组织。而扩散焊后镁合金表面原始的纳米晶粒组织在焊缝中得到了保留，具有抑制裂纹萌生和扩展的效果，有助于延长焊缝的疲劳寿命，并且由于界面晶粒细小，耐腐蚀性得到了显著增强。
(4)本发明解决了镁合金直接扩散连接温度和压力要求高、焊接变形严重，采用镀覆中间层方式焊缝强度低、耐蚀性差等问题。采用本发明获得的镁合金焊缝致密，强度与母材接近，尺寸精度可与钎焊接近，尤其适用于带精密型腔和对耐蚀性要求较高的天线和冷板类产品。
附图说明
图1为本发明的表面增塑扩散连接镁合金材料方法获得的接头显微组织图。
图2为本发明实施例的镁合金扩散连接方法流程示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进行说明。
如图2所示，一种镁合金表面增塑扩散连接方法，包括如下步骤：
S1、采用机加工方法制备平整的待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；
S2、采用激光冲击表面增塑处理工艺，在镁合金待焊表面均匀覆盖一层铝箔作为吸收层、再在铝箔表面均匀覆盖一层水流作为约束层，使用强脉冲激光辐照方法在吸收层产生高温高压等离子体诱导产生冲击波，在镁合金表面均匀制备一层细晶超塑层；
S3、去除镁合金表面铝箔后，采用退火处理消除表面残余应力；
S4、重复步骤S2和S3，2～3次，形成稳定的表面细晶超塑层；
S5、采用喷砂处理方法去除待焊表面残余氧化物并成形一定粗糙度表面；
S6、将待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装好工装夹具后整体放入真空炉内，对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至300～350℃时对待焊表面施加1～3MPa的预压力，保温10～20min；将温度升至380～400℃后对待焊表面施加0.3～0.5MPa的压力，保温10～30min；将温度升至420～440℃后对待焊表面施加0.1～0.2MPa的压力，继续保温20～40min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；
S7、对焊接后的工件进行固溶和时效处理，获得最终产品。
S2中，激光冲击表面增塑处理工艺为：采用去离子水作为约束层，选用厚度为100～150μm的铝箔作为吸收层，选用“Z”字型冲击路径，激光光斑直径3～5mm，光斑搭接率为50％，激光能量5～6J、脉冲宽度8～20ns。
S3中，退火处理工艺为300～350℃保温4～6h；
S5中，表面喷砂处理方法为采用0.3～0.5MPa风压，在300～500mm距离内以45°～60°喷射角进行喷射，形成粗糙度Ra1.6～3.2的表面后用高压气体去除表面砂粒。
S7中，所述的固溶和时效处理工艺为400～420℃固溶处理2～4h，随后160～200℃时效处理8～16h。
本发明的方法可用于镁合金或稀土镁合金同种材料焊接，亦可用于镁合金与铝合金异种材料焊接，当焊接镁合金与铝合金异种材料时需对镁合金进行步骤S1、S2、S3、S4、S5处理，对铝合金仅需进行步骤S1、S5处理。
如图1所示，为本发明的表面增塑扩散连接镁合金材料方法获得的接头显微组织图。
镁合金塑性随着温度升高而提高，通常需要较高的焊接温度(440～480℃)和较大的焊接压力(3～10MPa)才能促使界面变形破碎氧化膜露出新鲜界面接触扩散，而过高的焊接温度和焊接压力不利于构件尺寸精度的控制。通过激光冲击与热处理诱导镁合金表面晶粒细化，镁合金表面形成的纳米细晶层在300℃以上温度时具备了典型的超塑性特性，界面区域的塑性变形能力得到显著改善，但母材的塑性没有改变。利用该特性，结合分级加压方式，在较低温度下(300～350℃)采用一定压力(1～3MPa)即可促使界面区域变形，破碎氧化膜露出新鲜界面接触扩散，利用界面充分接触后对焊接压力要求降低的特性，逐步升高温度同时降低扩散焊压力至0.1～0.2MPa，避免了高温高压下母材塑性变形导致工件型面精度降低，保证了构件的整体精度。
镁元素极为活泼，生成的氧化膜会影响镁合金的扩散连接性能。镁合金表面形成的细晶超塑层晶界数量得到提高，为原子扩散提供了高密度的扩散路径，从而使镁合金中原子的扩散系数提高。通过多次激光冲击处理，结合表面喷砂工艺，在去除氧化物的同时增加了粗糙度，在镁合金表面形成了热稳定性较好且接触面积增大的细晶过渡层，保证了镁合金界面原子在扩散连接过程中有效接触增多和扩散效率提升，在较低温度、较短时间内即可达到高强扩散连接效果。
激光冲击时通过几十纳秒的短脉冲、高峰值功率密度的激光辐射于镁合金的表面，使其表面吸收激光冲击能量以至于约束层发生汽化蒸发，产生大量高温高压的等离子体，在表面产生严重的塑性变形，形成了纳米级晶粒组织。而扩散焊后镁合金表面原始的纳米晶粒组织在焊缝中得到了保留，具有抑制裂纹萌生和扩展的效果，有助于延长焊缝的疲劳寿命，并且由于界面晶粒细小，耐腐蚀性得到了显著增强。
本发明解决了镁合金直接扩散连接温度和压力要求高、焊接变形严重，采用镀覆中间层方式焊缝强度低、耐蚀性差等问题。采用本发明获得的镁合金焊缝致密，强度与母材接近，尺寸精度可与钎焊接近，尤其适用于带精密型腔和对耐蚀性要求较高的天线和冷板类产品。
实施例1
采用机加工方法制备平整的镁合金待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；采用去离子水作为约束层，选用厚度为100μm的铝箔作为吸收层，选用“Z”字型冲击路径，激光光斑直径3mm，光斑搭接率为50％，激光能量5J、脉冲宽度8ns，在镁合金表面激光冲击强化均匀制备一层细晶超塑层；去除镁合金表面铝箔后，采用300℃保温4h退火处理消除表面残余应力；重复激光冲击强化和退火处理2次形成稳定的表面细晶超塑层；采用0.3MPa风压，在300mm距离内以45°喷射角进行表面喷砂处理，形成粗糙度Ra1.6的表面后用高压气体去除表面砂粒；将待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装好工装夹具后整体放入真空炉内，对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至300℃时对待焊表面施加1MPa的预压力，保温10min；将温度升至380℃后对待焊表面施加0.3MPa的压力，保温10min；将温度升至420℃后对待焊表面施加0.1MPa的压力，继续保温20min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；对焊接后的工件进行400℃、2h固溶处理和160℃、8h时效处理，获得镁合金同种材料焊接产品。
实施例2
采用机加工方法制备平整的镁合金待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；采用去离子水作为约束层，选用厚度为120μm的铝箔作为吸收层，选用“Z”字型冲击路径，激光光斑直径3mm，光斑搭接率为50％，激光能量5J、脉冲宽度10ns，在镁合金表面激光冲击强化均匀制备一层细晶超塑层；去除镁合金表面铝箔后，采用320℃保温4h退火处理消除表面残余应力；重复激光冲击强化和退火处理2次形成稳定的表面细晶超塑层；采用0.3MPa风压，在300mm距离内以50°喷射角进行表面喷砂处理，形成粗糙度Ra1.6的表面后用高压气体去除表面砂粒；将待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装好工装夹具后整体放入真空炉内，对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至310℃时对待焊表面施加1MPa的预压力，保温12min；将温度升至380℃后对待焊表面施加0.3MPa的压力，保温15min；将温度升至425℃后对待焊表面施加0.12MPa的压力，继续保温25min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；对焊接后的工件进行405℃、2.5h固溶处理和170℃、10h时效处理，获得镁合金同种材料焊接产品。
实施例3
采用机加工方法制备平整的镁合金待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；采用去离子水作为约束层，选用厚度为130μm的铝箔作为吸收层，选用“Z”字型冲击路径，激光光斑直径4mm，光斑搭接率为50％，激光能量6J、脉冲宽度12ns，在镁合金表面激光冲击强化均匀制备一层细晶超塑层；去除镁合金表面铝箔后，采用330℃保温5h退火处理消除表面残余应力；重复激光冲击强化和退火处理3次形成稳定的表面细晶超塑层；采用0.4MPa风压，在400mm距离内以55°喷射角进行表面喷砂处理，形成粗糙度Ra3.2的表面后用高压气体去除表面砂粒；将待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装好工装夹具后整体放入真空炉内，对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至320℃时对待焊表面施加2MPa的预压力，保温15min；将温度升至390℃后对待焊表面施加0.4MPa的压力，保温20min；将温度升至430℃后对待焊表面施加0.15MPa的压力，继续保温30min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；对焊接后的工件进行410℃、3h固溶处理和180℃、12h时效处理，获得镁合金同种材料焊接产品。
实施例4
采用机加工方法制备平整的镁合金待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；采用去离子水作为约束层，选用厚度为140μm的铝箔作为吸收层，选用“Z”字型冲击路径，激光光斑直径4mm，光斑搭接率为50％，激光能量6J、脉冲宽度16ns，在镁合金表面激光冲击强化均匀制备一层细晶超塑层；去除镁合金表面铝箔后，采用340℃保温5h退火处理消除表面残余应力；重复激光冲击强化和退火处理3次形成稳定的表面细晶超塑层；采用0.4MPa风压，在400mm距离内以60°喷射角进行表面喷砂处理，形成粗糙度Ra3.2的表面后用高压气体去除表面砂粒；将待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装好工装夹具后整体放入真空炉内，对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至330℃时对待焊表面施加2MPa的预压力，保温20min；将温度升至390℃后对待焊表面施加0.4MPa的压力，保温25min；将温度升至435℃后对待焊表面施加0.18MPa的压力，继续保温35min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；对焊接后的工件进行410℃、3h固溶处理和190℃、14h时效处理，获得镁合金同种材料焊接产品。
实施例5
采用机加工方法制备平整的镁合金和铝合金待焊表面，并用酒精清洗去除油渍并烘干；采用去离子水作为约束层，选用厚度为150μm的铝箔作为吸收层，选用“Z”字型冲击路径，激光光斑直径5mm，光斑搭接率为50％，激光能量6J、脉冲宽度20ns，在镁合金表面激光冲击强化均匀制备一层细晶超塑层；去除镁合金表面铝箔后，采用350℃保温6h退火处理消除表面残余应力；重复激光冲击强化和退火处理3次形成稳定的表面细晶超塑层；采用0.5MPa风压，在500mm距离内以60°喷射角进行镁合金和铝合金表面喷砂处理，形成粗糙度Ra3.2的表面后用高压气体去除表面砂粒；将镁合金与铝合金待焊表面酒精清洗烘干后进行装配，安装好工装夹具后整体放入真空炉内，对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至350℃时对待焊表面施加3MPa的预压力，保温20min；将温度升至400℃后对待焊表面施加0.5MPa的压力，保温30min；将温度升至440℃后对待焊表面施加0.2MPa的压力，继续保温40min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；对焊接后的工件进行420℃、4h固溶处理和200℃、16h时效处理，获得镁合金与铝合金异种材料焊接产品。
本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于，包括：
S1、制备平整的镁合金待焊表面，并清洗去除油渍并烘干；
S2、在镁合金待焊表面均匀覆盖一层铝箔作为吸收层、再在铝箔表面均匀覆盖一层水流作为约束层，使用强脉冲激光辐照方法在吸收层产生离子体诱导产生冲击波，在镁合金表面均匀制备一层细晶超塑层；
S3、去除镁合金表面铝箔后，采用退火处理消除表面残余应力；
S4、重复步骤S2和S3，形成稳定的表面细晶超塑层；
所述S4中，重复步骤S2和S3，2～3次；
S5、采用喷砂处理方法去除待焊表面残余氧化物并成形一定粗糙度表面；
S6、将镁合金待焊表面清洗烘干后进行装配，安装工装夹具后整体放入真空炉内，结合分级加压方式进行加热处理，取出工件；
所述安装工装夹具后整体放入真空炉内，结合分级加压方式进行加热处理，取出工件，包括：
对炉体抽真空至5×10-3Pa后开始加热，温度升至300~350℃时对待焊表面施加1~3MPa的预压力，保温10~20min；将温度升至380~400℃后对待焊表面施加0.3~0.5MPa的压力，保温10~30min；将温度升至420~440℃后对待焊表面施加0.1~0.2MPa的压力，继续保温20~40min后卸载压力，随炉冷却至室温后取出工件；
S7、对焊接后的工件进行固溶和时效处理，获得最终产品。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述约束层采用去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述吸收层采用厚度为100~150 μm的铝箔。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述强脉冲激光辐照方法包括：采用Z字型冲击路径，激光光斑直径为3~5mm，光斑搭接率为50%，激光能量为5~6J、脉冲宽度为8~20ns。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述退火处理包括：将镁合金在300~350℃保温4~6h。
6.根据权利要求1所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述喷砂处理方法包括：
采用0.3~0.5MPa风压，在300~500mm距离内以45°~60°喷射角进行喷射，形成粗糙度为Ra1.6~3.2的表面后，用高压气体去除表面砂粒。
7.根据权利要求1所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述的固溶和时效处理包括：将焊接后的工件在400~420℃固溶处理2~4h，随后160~200℃时效处理8~16h。
8.根据权利要求1～7任一所述的一种镁合金表面增塑扩散连接方法，其特征在于：所述方法用于镁合金或稀土镁合金同种材料焊接，或用于镁合金与铝合金异种材料焊接；当焊接镁合金与铝合金异种材料时，需对镁合金按照所述S1～S5进行处理，对铝合金按照所述S1和S5进行处理。
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