專利名稱：鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于異種合金的擴(kuò)散焊接方法，具體涉及一種鎂合金與鋁合金的焊接方 法，特別適合鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法。
背景技術(shù)：
鋁合金一直是國防工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一。因鋁合金具有密度低、強(qiáng) 度高、加工性能好等特點(diǎn)，可制成各種截面的型材、管材、板材等，所以，鋁合金是構(gòu)件輕量 化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鋁合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機(jī)的蒙皮、隔框和長梁等；在 航天工業(yè)中，鋁合金是運(yùn)載火箭和宇宙飛行器的重要構(gòu)件材料。作為一種迅速崛起的新型綠色工程結(jié)構(gòu)材料，Mg合金在航空航天、國防、汽車工 業(yè)、電子通訊等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。而鎂合金的發(fā)展及應(yīng)用離不開連接問題，良好 的連接是簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低產(chǎn)品成本的有效措施之一，因此連接技術(shù)的發(fā)展將直接影響 Mg合金的廣泛應(yīng)用。目前在各種輕金屬工程結(jié)構(gòu)中Al仍占據(jù)主導(dǎo)地位，而如果將Mg與Al 結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)Mg/Al異種金屬結(jié)構(gòu)的焊接，獲得界面牢固的焊接接頭，充分發(fā)揮鎂、鋁各自 的性能優(yōu)勢，將會進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金和鋁合金作為結(jié)構(gòu)件在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。Mg/Al異種金屬焊接的技術(shù)難度非常大，鎂具有較大的熱脆性，采用常規(guī)的焊接方 法難以獲得滿足使用性能要求的焊接接頭；同時(shí)由于Mg、Al元素的活性，鎂和鋁之間極易 形成金屬間化合物，從而使得接頭的性能大幅度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是本發(fā)明提供一種鎂合金與鋁合金的焊接方法，以 克服現(xiàn)有技術(shù)鎂合金與鋁合金直接擴(kuò)散焊接的不足，實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金之間的可靠連 接，特別適用于鎂合金薄板與鋁合金薄板的擴(kuò)散焊接。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是該方法包括工件表面清理、工件組裝、 工件裝卡入爐焊接步驟。具體如下
(1)工件表面清理步驟
采用平面磨的機(jī)械方法將鎂合金片、鋁合金片加工到規(guī)定的幾何尺寸，用砂紙打磨它 們的待焊面，以除去氧化層，并且用有機(jī)溶劑超聲清洗；
(2)工件組裝步驟
按照自下而上順序組裝，在WC硬質(zhì)合金下壓頭上放置石墨阻焊層，鎂合金片放置于石 墨阻焊層上，然后放置錫鋅箔，在錫鋅箔上放置鋁合金片，在鋁合金片上放置起阻焊作用的 石墨阻焊層，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭，形成組裝好的工件；
(3)工件裝卡入爐焊接步驟
將工件套上WC硬質(zhì)合金外套后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭上面，置于真空擴(kuò)散焊接 爐內(nèi)的上壓頭和下壓頭之間，關(guān)閉真空室門，抽真空；當(dāng)真空度優(yōu)于1. OX ICT2Pa時(shí)，開始加 熱，加熱至400°C 450°C，保溫IOmin 60min，在保溫開始前對被焊接工件施加0. IMPa IMPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。在上述工件表面清理步驟中，所述鎂合金片、鋁合金片加工后的平行度優(yōu)于 0. 05mm，用粒度1000#、1200 #和05、06號金相砂紙逐級打磨光滑，除去氧化層，用有機(jī)溶劑 超聲清洗1 IOmin后轉(zhuǎn)入有機(jī)溶劑中存放。所述鎂合金片為MB2鎂合金或AZ31B鎂合金。所述鋁合金片為2A12 (LY12為舊 牌號)鋁合金或1060鋁合金。在上述工件裝卡入爐步驟中所述錫鋅箔厚度為5 50 μ m、Sn/Zn比為1 :廣9。所 加錫鋅箔可用有機(jī)溶劑超聲清洗1 lOmin，然后轉(zhuǎn)入有機(jī)溶劑中存放。所述阻焊層為石墨 片。所述有機(jī)溶劑為丙酮或乙醇。在上述真空擴(kuò)散焊接步驟中，加熱時(shí)，先按5°C 10°C /min的升溫速率升溫至 300°C 350°C，然后以2°C 10°C /min的升溫速率升至400°C 450°C。本發(fā)明采用錫鋅箔中間層，利用真空擴(kuò)散焊接的方法實(shí)現(xiàn)了鎂合金片和鋁合金片 的可靠且精密焊接，一方面，可防止鎂合金與鋁合金直接連接時(shí)脆性金屬間化合物的生成， 提高接頭的結(jié)合強(qiáng)度；另一方面，錫、鋅都只與鋁形成固溶體，因而能有效提高接頭強(qiáng)度，滿 足鎂_鋁異種復(fù)合構(gòu)件的使用要求。利用本發(fā)明的制備方法，可以實(shí)現(xiàn)多種鎂、鋁合金的高強(qiáng)度連接，平面度優(yōu)于 0. 05mm,平行度優(yōu)于0. Imm,斷口連接緊密，焊件平面性好，平行精度高，整體致密，特別適用 于鎂合金薄板與鋁合金薄板的擴(kuò)散焊接。本發(fā)明操作簡便、成本低、適用性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明裝配示意圖。圖2是本發(fā)明加入Sn/Zn比為1: 9，厚30 μ m錫鋅箔中間層后在焊接溫度450°C， 保溫時(shí)間lOmin，焊接壓力IMPa下擴(kuò)散焊接鎂合金和鋁合金的連接界面的顯微結(jié)構(gòu)圖。圖中1. WC硬質(zhì)合金上壓頭；2.鋁合金片；3.錫鋅箔；4.鎂合金片；5.石墨 阻焊層；6. WC硬質(zhì)合金下壓頭；7.真空壓焊機(jī)上壓頭；8.真空壓焊機(jī)下壓頭；9. WC 硬質(zhì)合金外套；10.反應(yīng)中間層；11.鋁基體側(cè)；12.鎂基體側(cè)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的 實(shí)施例。實(shí)施例1
將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接，其中鎂合金片4為直徑Φ29mm MB2鎂合 金片，鋁合金片2為直徑Φ29mm 2A12鋁合金片。擴(kuò)散連接工藝條件是焊接溫度400°C， 保溫時(shí)間60min，焊接壓力O. IMPa0將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接的具體步驟如下
焊前準(zhǔn)備中間層材料為厚5μπι的錫鋅箔3 (Sn/Zn比為1: 1)，將錫鋅箔3加工成直 徑與鎂合金片4與鋁合金片2相同直徑的圓片，用丙酮溶液超聲清洗lOmin。用平面磨床將鎂合金片和鋁合金片加工出平行度優(yōu)于0. 05mm的圓薄片，焊前用1000#、1200#和05、06號
金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，用丙酮溶液超聲清洗lOmin。 按照自下而上順序組裝在WC硬質(zhì)合金下壓頭6上放置石墨阻焊層5，鎂合金片4 放置于石墨阻焊層5上，然后放置錫鋅箔3，在錫鋅箔3上放置鋁合金片2，在鋁合金片2上 放置起阻焊作用的石墨阻焊層5，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭1，形成組裝好的工件。工件裝卡入爐焊接將工件套上WC硬質(zhì)合金外套9后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭 8上面。然后在真空度優(yōu)于1. OX 10_2Pa的條件下，對被焊工件升溫；按10°C /min的升溫速 率升溫至300°C，然后以5°C /min升至350°C，再以2°C /min升至400°C，保溫60min，當(dāng)溫 度升至350°C時(shí)施加0. IMPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。得到的鎂/ 鋁圓片結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高。實(shí)施例2
將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接，其中鎂合金片4為直徑Φ29mm MB2鎂合 金片，鋁合金片2為直徑Φ29mm 2A12鋁合金片。擴(kuò)散連接工藝條件是焊接溫度450°C， 保溫時(shí)間lOmin，焊接壓力1 MPa。將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接的具體步驟如下
焊前準(zhǔn)備中間層材料為厚30μπι的錫鋅箔3 (Sn/Zn比為1: 9)，將錫鋅箔3加工成 直徑與鎂合金片4與鋁合金片2相同直徑的圓片，用丙酮溶液超聲清洗IOmin ；用平面磨床 將鎂合金片和鋁合金片加工出平行度優(yōu)于0. 05mm的圓薄片，焊前用1000#、1200#和05、06 號金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，用丙酮溶液超聲清洗lOmin。按照自下而上順序組裝在WC硬質(zhì)合金下壓頭6上放置石墨阻焊層5，鎂合金片4 放置于石墨阻焊層5上，然后放置錫鋅箔3，在錫鋅箔3上放置鋁合金片2，在鋁合金片2上 放置起阻焊作用的石墨阻焊層5，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭1，形成組裝好的工件。工件裝卡入爐焊接將工件套上WC硬質(zhì)合金外套9后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭 8上面。然后在真空度優(yōu)于1. OX 10_2Pa的條件下，對被焊工件升溫；按10°C /min的升溫 速率升溫至350°C，然后以5°C /min升至400°C，再以2°C /min升至450°C，保溫lOmin，當(dāng) 溫度升至350°C時(shí)施加IMPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。得到的鎂/ 鋁圓片結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高。實(shí)施例3
將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接，其中鎂合金片4為直徑Φ 29mm AZ31B鎂 合金片，鋁合金片2為Φ29πιπι 1060鋁合金片。擴(kuò)散連接工藝條件是焊接溫度400°C，保 溫時(shí)間30min，焊接壓力0. 5MPa。將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接的具體步驟如下
焊前準(zhǔn)備中間層材料為厚50μπι的錫鋅箔3 (Sn/Zn比為1: 5)，將錫鋅箔3加工成 直徑與鎂合金片4與鋁合金片2相同直徑的圓片，用丙酮溶液超聲清洗IOmin ；用平面磨床 將鎂合金片和鋁合金片加工出平行度優(yōu)于0. 05mm的圓薄片，焊前用1000#、1200#和05、06 號金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，用丙酮溶液超聲清洗lOmin。按照自下而上順序組裝在WC硬質(zhì)合金下壓頭6上放置石墨阻焊層5，鎂合金片4 放置于石墨阻焊層5上，然后放置錫鋅箔3，在錫鋅箔3上放置鋁合金片2，在鋁合金片2上 放置起阻焊作用的石墨阻焊層5，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭1，形成組裝好的工件。
工件裝卡入爐焊接將工件套上WC硬質(zhì)合金外套9后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭 8上面。然后在真空度優(yōu)于1. OX 10_2Pa的條件下，對被焊工件升溫；按10°C /min的升溫速 率升溫至300°C，然后以5°C /min升至350°C，再以2°C /min升至400°C，保溫30min，當(dāng)溫 度升至300°C時(shí)施加0. 5MPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。得到的鎂/ 鋁圓片結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高。實(shí)施例4:
將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接，其中鎂合金片4為直徑Φ29mm MB2鎂合 金片，鋁合金片2為Φ29πιπι 1060鋁合金片。擴(kuò)散連接工藝條件是焊接溫度450°C，保溫 時(shí)間45min，焊接壓力0. 5MPa。將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接的具體步驟如下
焊前準(zhǔn)備中間層材料為厚15μπι的錫鋅箔3 (Sn/Zn比為1: 7)，將錫鋅箔3加工成 直徑與鎂合金片4與鋁合金片2相同直徑的圓片，用丙酮溶液超聲清洗IOmin ；用平面磨床 將鎂合金片和鋁合金片加工出平行度優(yōu)于0. 05mm的圓薄片，焊前用1000#、1200#和05、06 號金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，用丙酮溶液超聲清洗lOmin。按照自下而上順序組裝在WC硬質(zhì)合金下壓頭6上放置石墨阻焊層5，鎂合金片4 放置于石墨阻焊層5上，然后放置錫鋅箔3，在錫鋅箔3上放置鋁合金片2，在鋁合金片2上 放置起阻焊作用的石墨阻焊層5，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭1，形成組裝好的工件。得到的 鎂/鋁圓片結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高。工件裝卡入爐焊接將工件套上WC硬質(zhì)合金外套9后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭 8上面。然后在真空度優(yōu)于1. OX 10_2Pa的條件下，對被焊工件升溫；按10°C /min的升溫速 率升溫至350°C，然后以5°C /min升至400°C，再以2V /min升至450°C，保溫45min，當(dāng)溫 度升至350°C時(shí)施加0. 5MPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。實(shí)施例5
將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接，其中鎂合金片4為直徑Φ 29mm AZ31B鎂 合金片，鋁合金片2為Φ29πιπι 2Α12鋁合金片。擴(kuò)散連接工藝條件是焊接溫度430°C，保 溫時(shí)間25min，焊接壓力0. 8MPa。將鎂合金片4與鋁合金片2進(jìn)行擴(kuò)散連接的具體步驟如下
焊前準(zhǔn)備中間層材料為厚30μπι的錫鋅箔3 (Sn/Zn比為1: 3)，將錫鋅箔3加工成 直徑與鎂合金片4與鋁合金片2相同直徑的圓片，用丙酮溶液超聲清洗IOmin ；用平面磨床 將鎂合金片和鋁合金片加工出平行度優(yōu)于0. 05mm的圓薄片，焊前用1000#、1200#和05、06 號金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，用丙酮溶液超聲清洗lOmin。按照自下而上順序組裝在WC硬質(zhì)合金下壓頭6上放置石墨阻焊層5，鎂合金片4 放置于石墨阻焊層5上，然后放置錫鋅箔3，在錫鋅箔3上放置鋁合金片2，在鋁合金片2上 放置起阻焊作用的石墨阻焊層5，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭1，形成組裝好的工件。工件裝卡入爐焊接將工件套上WC硬質(zhì)合金外套9后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭 8上面。然后在真空度優(yōu)于1. OX 10_2Pa的條件下，對被焊工件升溫；按10°C /min的升溫速 率升溫至330°C，然后以5°C /min升至380°C，再以2°C /min升至430°C，保溫25min，當(dāng)溫 度升至300°C時(shí)施加0. SMPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。得到的鎂/ 鋁圓片結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高。
圖2是本發(fā)明加入錫鋅箔中間層后在焊接溫度450 ，保溫時(shí)間lOmin，焊接壓力 IMPa下擴(kuò)散焊接鎂合金和鋁合金的連接界面的顯微結(jié)構(gòu)，其中，編號10、11和12分別為反 應(yīng)中間層、鋁基體側(cè)、鎂基體側(cè)。由圖2可知焊接接頭界面清晰、平整，形變量小，得到的鎂 /鋁圓片結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高。上述實(shí)施例中，所述丙酮可以由乙醇替換。
權(quán)利要求
鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，包括工件表面清理、工件組裝、工件裝卡入爐焊接步驟，其特征是一種含中間層鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，具體是(1)工件表面清理步驟采用平面磨的機(jī)械方法將鎂合金片(4)、鋁合金片(2)加工到規(guī)定的幾何尺寸，用砂紙打磨它們的待焊面，以除去氧化層，并且用有機(jī)溶劑超聲清洗；(2)工件組裝步驟按照自下而上順序組裝，在WC硬質(zhì)合金下壓頭(6)上放置石墨阻焊層(5)，鎂合金片(4)放置于石墨阻焊層(5)上，然后放置錫鋅箔(3)，在錫鋅箔(3)上放置鋁合金片(2)，在鋁合金片(2)上放置起阻焊作用的石墨阻焊層(5)，往上是WC硬質(zhì)合金上壓頭(1)，形成組裝好的工件；(3)工件裝卡入爐焊接步驟將工件套上WC硬質(zhì)合金外套(9)后放在真空壓力焊機(jī)的下壓頭(8)上面，置于真空擴(kuò)散焊接爐內(nèi)的上壓頭和下壓頭之間，關(guān)閉真空室門，抽真空；當(dāng)真空度優(yōu)于1.0×10 2Pa時(shí)，開始加熱，加熱至400℃～450℃，保溫10min～60min，在保溫開始前對被焊接工件施加0.1MPa～1MPa軸向壓力，保溫結(jié)束之后完全卸除壓力；隨爐冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于在所述工 件表面清理步驟中，所述鎂合金片(4)、鋁合金片(2)加工后的平行度優(yōu)于0. 05mm，用粒度 1000#、1200 #和05、06號金相砂紙逐級打磨光滑，除去氧化層，用有機(jī)溶劑超聲清洗1 IOmin后轉(zhuǎn)入有機(jī)溶劑中存放。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于所述 鎂合金片(4)為MB2鎂合金或AZ31B鎂合金；所述鋁合金片(2)為2A12鋁合金或1060鋁α全口巫ο
4.如權(quán)利要求1所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于所述工件 裝卡入爐步驟中，所述錫鋅箔厚度為5 50ym、Sn/Zn比為1 :廣9。
5.如權(quán)利要求1所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于所述工件 裝卡入爐步驟中，所加錫鋅箔用有機(jī)溶劑超聲清洗1 lOmin，然后轉(zhuǎn)入有機(jī)溶劑中存放。
6.如權(quán)利要求1所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于所述工件 裝卡入爐步驟中，所述阻焊層為石墨片。
7.如權(quán)利要求1或2或5所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于 所述有機(jī)溶劑為丙酮或乙醇。
8.如權(quán)利要求1所述的鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于所述真空 擴(kuò)散焊接步驟中，加熱時(shí)，先按5°C 10°C /min的升溫速率升溫至300°C 350°C，然后以 2°C 10°C /min的升溫速率升至400°C 450°C。全文摘要
本發(fā)明是一種鎂合金與鋁合金的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，該方法包括如下步驟(1)工件表面清理步驟將鎂合金片、鋁合金片加工到規(guī)定尺寸，除去它們待焊面的氧化層；(2)工件組裝步驟將中間層——錫鋅合金箔置于鋁合金片與鎂合金片之間，上下各置一層阻焊層，構(gòu)造被焊接工件；(3)工件裝卡入爐焊接步驟將被焊接工件放入真空擴(kuò)散焊接爐內(nèi)，加熱、保溫，當(dāng)保溫開始時(shí)對被焊接工件施加軸向壓力，保溫結(jié)束后卸除壓力。本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)Mg合金與Al合金的高質(zhì)量焊接，適合不同種類的鎂合金和鋁合金之間的可靠焊接，特別適用于鎂合金薄板與鋁合金薄板的焊接，并且焊件平面性好，平行精度高，整體致密。
文檔編號B23K20/02GK101920393SQ20101028960
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者張建, 張聯(lián)盟, 李美娟, 沈強(qiáng), 羅國強(qiáng) 申請人:武漢理工大學(xué)