CN117840567A - 一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，涉及铝镁异质金属焊接的技术领域。本发明提供的异质金属超声波连接方法，包括以下步骤：将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接，并将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间，得待焊组件；将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间，设置焊接参数为：焊接能量500‑2500J、焊接振幅40‑80％、焊接压力0.2‑0.6MPa并进行焊接，完成焊接后冷却至室温。本发明无需借助外部熔剂和进行热变形处理，能够在短时间内对AZ31B镁合金与6061铝合金进行快速焊接，并提高AZ31B/6061焊接后接头的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝镁异质金属焊接的技术领域，尤其涉及一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法。
背景技术
铝合金和镁合金作为典型的轻质合金，在减少经济成本的同时，还符合工业发展所倡导的轻量化、绿色环保和节能减排的宗旨。AZ31B镁合金具有较高的抗振能力、吸热性能和良好的机械性能，而6061铝合金具有良好的可成型性、可机加工性能，因此他们在汽车工业、航空航天、电子产品及运动器材等许多领域有着广泛的应用。然而，由于镁合金与铝合金的物理化学性质差异较大，采用一般的熔焊方法很容易产生气孔、变形、热裂纹等焊接缺陷，且在焊接过程中易产生大量的脆性金属间化合物，很难得到性能优异的焊接接头，而且目前铝镁异质金属的焊接还难以实现工业化应用。
现有文献Panteli Alexandria，Robson Joseph D.，Chen Ying Chun，et al.TheEffectiveness of Surface Coatings on Preventing Interfacial Reaction DuringUltrasonic Welding of Aluminum to Magnesium.Metallurgical&MaterialsTransactionsA，2013，44(13)：5773-5781.中提供了一种超声波焊接方法，其实现了1mm厚的AZ31/6111镁铝异质金属的搭接焊，并探讨了焊接能量(时间)和焊接压力对镁铝异质金属超声波焊接头性能的影响，所使用的超声波焊机的最大额定功率为2.5kW，频率为20.0kHz，焊头尖端尺寸为9mm×6mm，有9个平行的棱齿组成。
研究表明，当焊接能量为600J、焊接压力为1.9kN时，焊机实时功率可达到1200-1500W，在这一组合下的镁铝异质金属接头性能最佳，其最大剪切强度达38.8Mpa，达到镁合金同种金属超声波焊接头最优剪切强度的95％；分析表明，镁铝脆性金属间化合物在0.25s内已经在焊接界面处形核和快速生长，形成由Mg2Al3和Mg17Al12两个子层组成的脆性金属间化合物层。
但即便在最优焊接条件下，脆性金属间化合物层的厚度也达到5μm，随着焊接能量的增大，镁铝脆性金属间化合物的厚度也会持续增加。因此为了减少镁铝脆性金属间化合物的厚度，可以在焊前分别使用冷喷涂和物理气相沉积的方法，在镁合金板表面镀上约100μm厚的Al层和Mn层，通过涂层来减少镁铝脆性金属间化合物的生成。然而，在搭接剪切试验过程中，Al涂层与镁基体容易发生剥离，而Mn涂层在焊接过程中过早发生断裂，因此对镁铝异质金属的焊接接头性能提升不显著，亟需提供一种方案以改善这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，无需借助外部熔剂和进行热变形处理，能够在短时间内对AZ31B镁合金与6061铝合金进行快速焊接，并提高AZ31B/6061焊接后接头的力学性能。
本发明提供的一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，包括以下步骤：
将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接，并将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间，得待焊组件；
将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间，设置焊接参数为：焊接能量500-2500J、焊接振幅40-80％、焊接压力0.2-0.6MPa并进行焊接，完成焊接后冷却至室温。
本发明提供的异质金属超声波连接方法，无需借助外部熔剂、无热变形，且焊接周期短、能耗低、操作方便，适用性广泛，且由于Mg-Sn共晶温度较低，Mg在较低温度下可以与未熔化的Sn发生共晶反应生成低熔点共晶组织，而Al与Sn不发生反应从而不会生成金属间化合物，因此添加Sn中间层可以有效组织Mg与Al直接接触焊接生成的脆硬金属间化合物，同时Sn中间层可以提高AZ31B/6061异质金属的可焊性，细化晶粒，提高AZ31B/6061焊接后接头的力学性能。
可选地，将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间时，所述Sn中间层的厚度为0.04-0.06mm。通过设置Sn中间层的厚度，使得AZ31B镁合金与6061铝合金完成焊接后，形成残余的Sn中间层，能够阻止Mg、Al元素的相互扩散，从而避免形成脆性Mg-Al金属间化合物。
可选地，将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间时，所述待焊组件中的AZ31B镁合金位于靠近超声波焊接设备焊头的一侧。
可选地，将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接时，控制搭接量为25-35mm。
可选地，将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间时，所述Sn中间层的宽度为搭接量的2/3。
可选地，将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接之前，对所述AZ31B镁合金与所述6061铝合金进行表面预处理，所述表面预处理包括机械打磨和超声清理。对AZ31B镁合金与6061铝合金进行表面打磨后，能够确保AZ31B镁合金与6061铝合金的表面待焊接区域无金属氧化膜、油污及杂质，从而提高焊接质量。
可选地，将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间时，所述超声波焊接设备的最大额定功率为4000W，焊接超声振动频率为20kHz，焊接压力为0-1MPa，焊接时间为0-10s，焊接振幅为0-201μm，超声波焊点面积为16mm×10mm。
可选地，完成焊接后，所述AZ61B镁合金与6061铝合金之间的焊接接头反应层包括Mg-Sn反应层和残余Sn中间层。
可选地，所述Mg-Sn反应层包括Mg2Sn。
可选地，将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间时，所述Sn中间层中Sn含量大于或等于99.99％。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法的流程框图：
图2为本发明实施例提供的AZ31B镁合金、Sn中间层与6061铝合金的搭接俯视图：
图3为本发明实施例提供的AZ31B镁合金、Sn中间层与6061铝合金的搭接主视图：
图4为本发明实施例提供的待焊组件位于超声波焊接设备内的位置示意图；
图5为本发明实施例1-5成型后接头最大拉伸剪切力与焊接能量的折线图；
图6为本发明实施例1、实施例6-9成型后接头最大拉伸剪切力与焊接压力的折线图；
图7为本发明实施例1、实施例10-13成型后接头最大拉伸剪切力与焊接振幅的折线图；
图8为本发明实施例14与对比例1成型后接头进行拉伸剪切试验时的拉伸剪切力对比图；
图9为本发明实施例14成型后接头的微观形貌图；
图10为本发明实施例14成型后接头的EDS线扫描图；
图11为本发明实施例14成型后接头镁侧剥离后断口的微观形貌图；
图12为本发明实施例14成型后接头镁侧剥离后断口的XRD分析结果图。
附图标记说明：
1、镁板；2、Sn箔；3、铝板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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作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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
参见图1，本发明实施例提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，包括以下步骤：
S1、表面预处理：对AZ31B镁合金、6061铝合金和Sn中间层进行表面机械打磨和超声清理，制得镁板、铝板和Sn箔；
S2、接头搭接：将镁板与铝板相互搭接，并将Sn箔置于镁板与铝板的搭接界面之间，制得待焊组件；
S3、接头焊接：将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间，设置焊接参数为：焊接能量500-2500J、焊接振幅40-80％、焊接压力0.2-0.6MPa并进行焊接，完成焊接后冷却至室温。
实际上，在执行步骤S1时，对AZ31B镁合金、6061异质金属合金和Sn中间层的表面使用400-1500目的金相砂纸进行机械打磨后，将AZ31B镁合金、6061异质金属合金和Sn中间层浸没在丙酮溶液中进行超声波清洗。
具体的，在执行步骤S1进行超声波清洗时，将浸没有AZ31B镁合金、6061异质金属合金和Sn中间层的丙酮溶液转移至超声波清洗设备中，以100-120W的超声功率清洗10-20min后，取出干燥即制得处理后的镁板、铝板和铝箔。
具体的，在执行步骤S1时，所选用的AZ31B镁合金的规格为50mm×15mm×1mm，所选用的6061铝合金的规格为50mm×15mm×1mm，所选用的Sn中间层的规格为20mm×15mm×0.05mm，且Sn中间层中Sn含量大于或等于99.99％。
实际上，在选用Sn中间层的规格时，以满足Sn中间层的宽度为AZ31B镁合金、6061铝合金搭接焊接量的2/3为必要，且Sn中间的厚度为0.04-0.06mm。
一些实施例中，参见图2和图3，在执行步骤S2接头搭接时，将镁板1与铝板3待焊接的侧边相互搭接，并使得搭接量，即搭接宽度为25-35mm。
一些实施例中，参见图2和图3，在执行步骤S2接头搭接时，将Sn箔2置于镁板1与铝板3的搭接界面之间。
一些实施例中，参见图4，在执行步骤S3将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间时，待焊组件中的AZ31B镁合金位于靠近超声波焊接设备焊头的一侧。
具体的，超声波焊接设备的最大额定功率为4000W，焊接超声振动频率为20kHz，焊接压力为0-1MPa，焊接时间为0-10s，焊接振幅为0-20μm，超声波焊点面积为16mm×10mm。
具体的，完成焊接后，所述AZ61B镁合金与6061铝合金之间的焊接接头反应层包括Mg-Sn反应层和残余Sn中间层，其中Mg-Sn反应层包括Mg2Sn。
实施例1
本实施例1提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，包括以下步骤：
S1、表面预处理：使用800目金相砂纸对规格均为50mm×15mm×1mm的AZ31B镁合金板材和6061铝合金板材的表面进行打磨，使用1000目金相砂纸对规格为20mm×15mm×0.05mm的Sn中间层(Sn含量≥99.99％)的表面进行打磨，将打磨后的AZ31B镁合金板材、6061铝合金板材和Sn中间层浸没在丙酮中，在超声波清洗仪中以100-120W的超声功率清洗15min后，取出吹干制得处理后的镁板、铝板和Sn箔；
S2、接头搭接：将镁板的待焊接边搭接在铝板的待焊接边，控制搭接量为30mm，并将Sn箔置于镁板与铝板的搭接界面中间，制得待焊组件，将待焊组件放置在超声波焊接设备的焊接区间内，使得超声波焊接设备的焊枪位于镁板的顶部；其中，超声波焊接设备的型号为QD-J2040B，其额定功率为4000W，工作频率为20kHz；
S3、接头焊接：设定超声波焊接设备的焊接能量为500J、焊接振幅为60％、焊接压力为0.4MPa进行超声波焊接，完成焊接后自然冷却。
实施例2
本实施例2提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例1的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接能量为1000J。
实施例3
本实施例3提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例1的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接能量为1500J。
实施例4
本实施例4提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例1的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接能量为2000J。
实施例5
本实施例5提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例1的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接能量为2500J。
实施例6
本实施例6提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接压力为0.2MPa。
实施例7
本实施例7提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接压力为0.3MPa。
实施例8
本实施例8提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接压力为0.5MPa。
实施例9
本实施例9提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接压力为0.6MPa。
实施例10
本实施例10提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接振幅为40％。
实施例11
本实施例11提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接振幅为50％。
实施例12
本实施例12提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接振幅为70％。
实施例13
本实施例13提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例2的不同之处在于，步骤S3中设定超声波焊接设备的焊接振幅为80％。
性能检测
基于《GB/T 39767-2020-电阻点焊及凸焊接头的拉伸剪切试验方法》中记载的测试方法，使用万能试验拉伸机对实施例1-13中成型的接头进行拉伸剪切试验，并绘制实施例1-5中焊接能量与最大拉伸剪切力的折线图如图5所示，绘制实施例1、实施例6-9中焊接压力与最大拉伸剪切力的折线图如图6所示，绘制实施例1、实施例10-13中焊接振幅与最大拉伸剪切力的折线图如图7所示。
结合实施例1-13，并选取最大拉伸剪切力(Y)作为响应值，选取焊接能量(A)、焊接振幅(B)、焊接压力(C)作为三个因素，选取三个水平进行响应面优化试验，得到回归拟合方程如下所示：
Y＝1543.79-83.30A+43.34B-60.23C-65.29AB-59.68AC-85.84BC-123.03A2
-112.15B2-121.25C2：
通过上述回归拟合方程得到焊接接头剪切强度预测最大时的焊接参数为：焊接能量为811.65J、焊接压力为0.44MPa、焊接振幅为56.96％，然而考虑到超声波焊接设备的实际操作，将最佳焊接工艺修正为：焊接能量为800J、焊接压力为0.45MPa、焊接振幅为55％。
实施例14
本实施例14提供了一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例1的不同之处在于，步骤S3中超声波焊接设备的焊接能量为800J、焊接压力为0.45MPa、焊接振幅为55％。
对比例1
本对比例1提供了一种AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，与实施例14的不同之处在于，不使用Sn中间层。
基于《GB/T 39767-2020-电阻点焊及凸焊接头的拉伸剪切试验方法》中记载的测试方法，使用万能试验拉伸机对实施例14与对比例1中成型的接头进行拉伸剪切试验，并绘制在拉伸剪切试验过程拉伸剪切力的变化图如图8所示。
结果分析
从图5中可以看出，随着焊接能量的增加，成型后接头的拉伸剪切强度呈现先增加后减小的趋势；从图6中可以看出，随着焊接压力的增大，成型后接头的拉伸剪切强度呈现出先增加后减少，但当焊接压力达到0.6MPa时拉伸剪切强度再次升高；当焊接压力在0.2-0.3MPa时，焊接界面仅形成局部点连接，接头拉伸剪切强度较低，当焊接压力升至0.4MPa时，焊接压力使局部点连接扩展为面连接，结合面积增加，接头拉伸剪切强度提升较大，焊接压力在0.5MPa时，金属塑性变形较严重，容易产生裂纹，接头拉伸剪切强度降低，焊接压力升至0.6MPa时，加大了接头机械咬合深度使塑性流动位错向有利于塑性流动的趋势演变，能及时填充塑性变形时的空洞，从而使接头拉伸剪切强度再次升高；从图7中可以看出，随着焊接振幅的增大，成型后接头的拉伸剪切强度呈现先增加后减小的趋势。
从图8中可以看出，实施例14成型后的接头的最大拉伸剪切强度比对比例1而言提升了37.9％，这说明本发明提供的方法所成型的AZ31B/6061异质金属接头，具有更高的拉伸剪切性能，并参照图9可以看出，Mg/Sn/Al的接头界面成型良好，Mg与Sn之间形成了一层约4μm厚的连续且均匀的中间层.
参照图9和图10可知，接头部分从上到下依次是Mg板、Mg-Sn反应层、残余Sn中间层和Al板，其中残余Sn中间层的存在阻止了Mg、Al元素的相互扩散，从而避免形成脆性Mg-Al金属间化合物，进而能够提高接头的拉伸剪切性能，相比于对比例1中Mg与Al直接接触生成的Mg17Al12中间层而言，Mg2Sn中间层具有更好的韧性。
从图11和图12可以进一步验证，实施例14成型的接头的中间层为Mg-Sn反应生成的金属间化合物Mg2Sn，且在镁侧进行剥离后，Mg2Sn呈韧性断裂。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (10)
1.一种采用Sn中间层的AZ31B/6061异质金属超声波连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接，并将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间，得待焊组件；
将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间，设置焊接参数为：焊接能量500-2500J、焊接振幅40-80％、焊接压力0.2-0.6MPa并进行焊接，完成焊接后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间时，所述Sn中间层的厚度为0.04-0.06mm。
3.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间时，所述待焊组件中的AZ3 1B镁合金位于靠近超声波焊接设备焊头的一侧。
4.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接时，控制搭接量为25-35mm。
5.根据权利要求1或4所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间时，所述Sn中间层的宽度为搭接量的2/3。
6.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将预处理后的AZ31B镁合金与6061铝合金相互搭接之前，对所述AZ31B镁合金与所述6061铝合金进行表面预处理，所述表面预处理包括机械打磨和超声清理。
7.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将待焊组件置于超声波焊接设备的焊接区间时，所述超声波焊接设备的最大额定功率为4000W，焊接超声振动频率为20kHz，焊接压力为0-1MPa，焊接时间为0-10s，焊接振幅为0-20μm，超声波焊点面积为16mm×10mm。
8.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，完成焊接后，所述AZ61B镁合金与6061铝合金之间的焊接接头反应层包括Mg-Sn反应层和残余Sn中间层。
9.根据权利要求8所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，所述Mg-Sn反应层包括Mg2Sn。
10.根据权利要求1所述的异质金属超声波连接方法，其特征在于，将Sn中间层置于AZ31B镁合金与6061铝合金的搭接界面之间时，所述Sn中间层中Sn含量大于或等于99.99％。
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