本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)電鍍方式添加中間層的鎂/鈦激光焊接方法。

背景技術(shù)：

人類越來(lái)越重視對(duì)資源和環(huán)境的保護(hù)，輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。鈦合金作為結(jié)構(gòu)件在航空工業(yè)上已有廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鎂/鈦兩者之間的可靠連接既是輕量化應(yīng)用的前提，也為鎂合金擴(kuò)大在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。但是鎂、鈦之間的熔點(diǎn)差異較大，分別為649℃和1678℃，而鎂的沸點(diǎn)為1091℃遠(yuǎn)低于鈦的熔點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的熔化焊方法在熔化鈦的同時(shí)會(huì)在成鎂合金的劇烈蒸發(fā)。另外，由于鎂、鈦之間的溶解度非常小，幾乎不發(fā)生冶金反應(yīng)，因此就需要一種能夠與母材發(fā)生反應(yīng)或者在母材中有較大固溶度的元素來(lái)作為中間元素，實(shí)現(xiàn)鎂/鈦之間的冶金連接。

激光熔釬焊可以避免低熔點(diǎn)金屬在焊接過(guò)程的大量蒸發(fā)，適用于熔點(diǎn)相差較大的異種材料的連接。但目前對(duì)于鎂/鈦異種材料的激光焊接研究較少，缺乏一種可以有效改善鎂/鈦連接效果以及調(diào)控界面反應(yīng)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決鎂/鈦異種金屬焊接時(shí)存在熔點(diǎn)差異較大、難以發(fā)生冶金反應(yīng)以及接頭強(qiáng)度低等問(wèn)題，而提出了一種采用鎳鍍層輔助進(jìn)行鎂/鈦激光熔釬焊接的方法。

本發(fā)明采用鎳鍍層輔助進(jìn)行鎂/鈦激光熔釬焊接的方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

(1) 板材處理：將鈦板使用酸洗液去除氧化膜后用酒精沖洗并烘干；用角磨機(jī)打磨鎂板以去除氧化膜；

(2) 鈦板電鍍過(guò)程：按質(zhì)量濃度190 g/L ≤ NiSO₄·6H₂O ≤ 220 g/L，8 g/L ≤ NaCl

≤ 12 g/L，25 g/L ≤ H₃BO₃ ≤ 35 g/L，60 g/L ≤ Na₂SO₄ ≤ 80 g/L，50 g/L ≤ MgSO₄·7H₂O ≤ 70 g/L配備電鍍液，電鍍時(shí)pH值控制在4.0 ~ 6.0，優(yōu)選地pH值控制在4.5 ~ 5.5，溫度20 ℃ ~ 50 ℃，電流密度0.8 A/dm² ~ 1.5 A/dm²；

(3) 焊接過(guò)程：使用丙酮擦洗鎂板和步驟（2）中鍍鎳鈦板的待焊部位采用正離焦模式進(jìn)行焊接，將鎂板和鈦板裝配成鎂板在上，鈦板在下的搭接接頭，其中激光束、送絲噴嘴和保護(hù)氣噴嘴固定在同一平面內(nèi)，焊絲與鈦板的夾角在30 ~ 50°之間，保護(hù)氣采用氬氣，流量為10 L/min ~ 20 L/min。

本發(fā)明步驟(1)中酸洗方法為：使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36 ~ 38%的鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸、蒸餾水配制成酸洗液，酸洗液中鹽酸、氫氟酸和蒸餾水的體積分?jǐn)?shù)分別為15%、5%、80%，，使用上述酸洗液清洗鈦板2 ~3min。配備時(shí)應(yīng)注意在塑料容器內(nèi)按照先后順序依次加入相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的蒸餾水、鹽酸和氫氟酸。

進(jìn)一步，電鍍時(shí)間將直接影響鍍層的厚度，鍍層厚度將進(jìn)一步影響界面反應(yīng)的程度。本發(fā)明步驟(2)中的電鍍時(shí)間控制在10 ~ 180 min，優(yōu)選110 ~ 130 min。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟(3)使用的焊絲為鎂合金焊絲，直徑在0.8 ~ 2.5 mm之間，激光功率P = 1000 ~ 2000 W，優(yōu)選1300 ~ 1500 W，離焦量?F = 20 ~ 30 mm，焊接速度0.3 ~ 0.8 m/min，送絲速度1.5 ~ 4.0 m/min。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明通過(guò)采用正離焦的散焦模式，可以提高激光熱源的作用范圍，進(jìn)而降低了激光與焊絲的對(duì)中精度要求，利于焊絲在鈦板表面的潤(rùn)濕鋪展。

為了進(jìn)一步提高電鍍的質(zhì)量，本發(fā)明步驟(2)中的電鍍使用的鈦板應(yīng)在酸洗后12 h內(nèi)完成電鍍，避免鈦板過(guò)度氧化。另外電鍍結(jié)束后首先及時(shí)用清水沖洗鍍鎳鈦板上殘余的電鍍液，再用酒精沖洗后烘干，以免附著的電鍍液影響鈦板的外觀質(zhì)量。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟（2）中電鍍時(shí)使用磁力攪拌器對(duì)電鍍液進(jìn)行攪拌，攪拌速度為150 ~ 500 r/min。攪拌可以加速溶液的流動(dòng)，促進(jìn)電鍍液中物質(zhì)的傳遞過(guò)程，在消除濃差極化的同時(shí)可以使鍍液溫度趨于一致。但是當(dāng)攪拌速度過(guò)高時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生的陽(yáng)極泥或渣會(huì)在較強(qiáng)攪拌力的作用下沉積在鍍件，易造成鍍層粗糙、多孔。

進(jìn)一步，本發(fā)明步驟（2）中的鍍層厚度為1.5 ~ 6.5 μm。鎳鍍層可以與鎂、鈦發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接頭的冶金結(jié)合。鍍層較薄時(shí)，參與反應(yīng)的鎳含量較低，易致界面反應(yīng)不充分，影響連接效果。而鍍層過(guò)厚則會(huì)在界面處生成大量脆性金屬間化合物，對(duì)接頭的強(qiáng)度有害。

進(jìn)一步，步驟（2）中電鍍時(shí)pH值控制在4.5 ~ 5.5。

本發(fā)明中添加鎳鍍層的鎂/鈦激光熔釬焊接的基本原理如下：在焊接時(shí)將鎂板與鍍鎳鈦板裝配成鎂板在上、鈦板在下的搭接形式，精確控制熱輸入量即通過(guò)調(diào)節(jié)激光離焦量、功率、焊接速度、送絲速度等參數(shù)，保證鎂板熔化而鈦板不熔，使焊絲與鎂板之間形成熔焊連接，焊絲與鈦板之間形成釬焊連接。同時(shí)由于添加的鎳鍍層與鎂和鈦都可以發(fā)生反應(yīng)，生成連接用的反應(yīng)層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了鎂/鈦的冶金連接。

本發(fā)明的有益效果是：激光熔釬焊可以有效降低熔點(diǎn)較低金屬在焊接過(guò)程中的蒸發(fā)，獲得良好的焊縫成形。本發(fā)明提供的電鍍鎳方法來(lái)添加中間層，簡(jiǎn)單有效、成本低廉，相比于添加夾層的方式可以顯著節(jié)省裝配時(shí)間，并且鎳鍍層與鈦板的緊密結(jié)合可以有效防止鈦板在焊前的氧化，有效改善鎂合金在鈦板上的潤(rùn)濕鋪展性，并使鎂/鈦之間形成冶金結(jié)合。同時(shí)相對(duì)于中間夾層，通過(guò)改變電鍍時(shí)長(zhǎng)可以靈活獲取不同厚度的鍍層，方便對(duì)界面反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控。焊接過(guò)程中采用正離焦的散焦模式，相比于常見(jiàn)的穿透焊模式，增大了光斑面積，可以降低光束與焊絲的對(duì)中要求，利于焊絲的潤(rùn)濕鋪展。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中鈦板上電鍍鎳的示意圖。

圖2是本發(fā)明中鎂/鈦的激光熔釬焊接示意圖。

圖3是采用本發(fā)明方法獲得的不同鍍層厚度下鍍鎳鈦板橫截面掃描電鏡照片。

圖4是采用本發(fā)明方法獲得的典型鎂/鈦接頭截面照片。

圖5是采用本發(fā)明方法獲得的典型鎂/鈦接頭界面顯微組織照片。

具體實(shí)施方式

圖1和圖2中：1表示電鍍槽，2表示電鍍液，3表示鈦板，4表示直流電源，5表示鎳板，6表示焊縫，7表示鎂板，8表示送氣噴嘴，9表示激光束，10表示焊絲，11表示焊接方向。

圖3中（a）~（f）依次表示采用本發(fā)明方法獲得的鍍層厚度為1.5μm，2.0μm，2.5μm，4.0μm，5.8μm，6.5μm的鍍鎳鈦板橫截面掃描電鏡照片。

本發(fā)明提出一種采用鎳鍍層輔助進(jìn)行鎂/鈦激光熔釬焊接的方法，具體實(shí)施的步驟如下：

(1)板材處理：將鈦板使用酸洗液去除氧化膜后用酒精沖洗并烘干；用角磨機(jī)打磨鎂板以去除氧化膜；

(2)鈦板電鍍過(guò)程：按質(zhì)量濃度190 g/L ≤ NiSO₄·6H₂O ≤ 220 g/L，8 g/L ≤ NaCl ≤ 12 g/L，25 g/L ≤ H₃BO₃ ≤ 35 g/L，60 g/L ≤ Na₂SO₄ ≤ 80 g/L，50 g/L ≤ MgSO₄·7H₂O ≤ 70 g/L配備電鍍液，鎳板做陽(yáng)極，鈦板做陰極，電鍍時(shí)pH值控制在4.0 ~ 6.0，溫度20℃ ~ 50℃，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速150 ~ 500 r/min，電流密度0.8 ~ 1.5 A/dm²，電鍍時(shí)間10 ~ 180 min(優(yōu)選110 ~ 130 min)。鈦板應(yīng)在步驟（1）酸洗完成后12h內(nèi)完成電鍍，避免鈦板過(guò)度氧化，電鍍結(jié)束后首先及時(shí)用清水沖洗鍍鎳鈦板上殘余的電鍍液，再用酒精沖洗后烘干，以免附著的電鍍液影響鈦板的外觀質(zhì)量；

(3)焊接過(guò)程：使用丙酮擦洗鎂板和步驟（2）中鍍鎳鈦板的待焊部位采用正離焦模式進(jìn)行焊接，將鎂板和鈦板裝配成鎂板在上、鈦板在下的搭接接頭，其中激光束、送絲噴嘴和保護(hù)氣噴嘴固定在同一平面內(nèi)，焊絲與鈦板的夾角在30 ~ 50°之間，保護(hù)氣采用氬氣，流量為10 ~ 20 L/min，鎂合金焊絲直徑在0.8 ~ 2.5 mm之間，激光功率P = 1000 ~ 2000 W(優(yōu)選1300 ~ 1500 W)，離焦量?F = 20 ~ 30 mm，焊接速度0.3 ~ 0.8 m/min，送絲速度1.5 ~ 4.0 m/min。

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍局不限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例1：母材為AZ31B鎂合金和Ti-6Al-4V鈦合金，尺寸為100×50×1 mm。

(1)板材處理：使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36 ~ 38%的鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸配備體積分?jǐn)?shù)為15%鹽酸、5%氫氟酸、80%蒸餾水的酸洗液，清洗鈦板2 ~3min，隨后用酒精沖洗并烘干待用；用角磨機(jī)打磨鎂板以去除氧化膜；

(2)鈦板電鍍過(guò)程：按質(zhì)量濃度NiSO₄·6H₂O 200 g/L，NaCl 10 g/L，H₃BO₃ 32 g/L，Na₂SO₄ 72 g/L，MgSO₄·7H₂O 60 g/L配備電鍍液，鎳板做陽(yáng)極，鈦板做陰極，電鍍時(shí)pH值控制在5.0，溫度35℃，磁力攪拌器轉(zhuǎn)速250 r/min，電流密度1 A/dm²，電鍍時(shí)間120 min。電鍍結(jié)束后首先及時(shí)用清水沖洗鍍鎳鈦板上殘余的電鍍液，再用酒精沖洗后烘干，以免附著的電鍍液影響鈦板的外觀質(zhì)量。

(3)焊接過(guò)程：將鎂板和鈦板裝配成鎂板在上、鈦板在下的搭接接頭采用正

離焦模式進(jìn)行焊接，其中激光束、送絲噴嘴和保護(hù)氣噴嘴固定在同一平面內(nèi)，焊絲與鈦板的夾角為45°，保護(hù)氣采用氬氣，流量為16 L/min，選用直徑1.6 mm的AZ92鎂合金焊絲，激光功率P = 1300 W，離焦量?F = 20 mm，焊接速度0.5 m/min，送絲速度2.5 m/min。

本實(shí)施例得到的鎳鍍層厚度約為4 μm，鍍鎳鈦板橫截面掃描電鏡照片如圖3中（d）部分所示，鎂/鈦接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明斷裂發(fā)生在焊縫上，接頭強(qiáng)度為243 N/mm。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是電鍍時(shí)間為60 min，其它與實(shí)施例1相同。得到的鎳鍍層厚度約為2 μm，鍍鎳鈦板橫截面掃描電鏡照片如圖3中（b）部分所示，鎂/鈦接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明斷裂發(fā)生在界面處，接頭強(qiáng)度為211 N/mm。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例1至2不同的是電鍍時(shí)間為180 min，其它與實(shí)施例1至2相同。得到的鎳鍍層厚度約為6.5 μm，鍍鎳鈦板橫截面掃描電鏡照片如圖3中（f）部分所示，鎂/鈦接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明斷裂發(fā)生在焊縫上，接頭強(qiáng)度為220 N/mm。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是激光功率為1100 W，其它與實(shí)施例1相同。鎂/鈦接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明斷裂發(fā)生在界面上，接頭強(qiáng)度為163 N/mm。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與實(shí)施例1和4不同的是激光功率為1700 W，其它與實(shí)施例1和4相同。鎂/鈦接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明斷裂發(fā)生在界面上，接頭強(qiáng)度為191 N/mm。