一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法
阅读说明：本技术 一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法 (Welding method of magnesium/magnesium alloy and aluminum/aluminum alloy ) 是由 潘厚宏 陈刚 郭阳阳 王鸿 谭天宝 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法,其特征在于,将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料经研磨、抛光、超声清洗后吹干,然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定,然后分阶段升温进行真空扩散焊接,制得。该方法可有效解决现有的焊接方法存在的二次焊接过程操作繁琐、焊接效率低的问题。(The invention provides a welding method of magnesium/magnesium alloy and aluminum/aluminum alloy, which is characterized in that magnesium/magnesium alloy, aluminum/aluminum alloy, pure tin and pure zinc materials are ground, polished, ultrasonically cleaned and dried, then the materials are sequentially assembled and fixed according to the sequence of magnesium/magnesium alloy, pure zinc, pure tin and aluminum/aluminum alloy, and then the materials are heated by stages for vacuum diffusion welding to obtain the magnesium/magnesium alloy and aluminum/aluminum alloy. The method can effectively solve the problems of complex operation and low welding efficiency of the secondary welding process in the existing welding method.)
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法。
背景技术
目前，对于镁/铝异种材料的冶金连接，常用的焊接方法有搅拌摩擦焊、爆炸焊、电阻焊、电弧焊、钎焊和扩散焊。镁铝在晶格结构、热膨胀系数等物理性质方面上存在显著差异，因此，铝/镁异种材料在直接接触的焊接过程中容易产生残余应力和脆性大、裂纹敏感性强的Mg-Al金属间化合物。
扩散焊是一种易于精确控制焊接参数的方法，能够有效避免熔焊产生的裂纹、变形、偏析等缺陷，组织和性能与焊接母材更相近，从而获得良好连接界面。现有技术中，实现镁/镁合金与铝/铝合金之间扩散焊接，当采用纯锌作为中间层材料时，具体操作过程为：先在较高温度下将纯锌与铝合金进行扩散焊接，然后再在较低温度下，实现纯锌与镁合金的扩散焊接，上述过程中需要进行两次焊接过程，操作较为繁琐，焊接效率较低。如果在较高的温度下仅采用一次扩散焊接操作，高温环境使得镁和锌之间发生共晶反应形成镁锌共晶液相，导致锌层消失，无法实现纯锌中间层隔离镁原子和铝原子的相互扩散作用的目的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种镁/镁合金与铝/铝合金的扩散焊接方法，该方法可有效解决现有的扩散焊接方法存在的二次焊接过程操作繁琐、焊接效率低的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁合金、铝合金、纯锡和纯锌材料依次经过研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，制得。
上述方案中，将纯锡和纯锌同时作为中间层，由于锡和锌的共晶点均低于锌与镁合金和铝合金的共晶点，使得在较低温度的真空扩散过程中，锡和锌率先发生共晶反应，形成锡锌共晶液相物质，由于诱导过程中诱导压力的作用，形成的锡锌共晶液相仅能保持较薄的厚度，多余锡锌共晶液相被诱导压力挤出连接界面，因此，可通过共晶反应持续时间控制锡锌共晶液相挤出量，从而调节纯锌隔离层厚度，当继续升温时，剩余纯锡层完全熔化为液态挤出，在同一扩散焊接温度下，纯锌与铝/铝合金借助界面中存在的锡锌共晶液相和纯锡液相的混合物以瞬时液相扩散焊实现连接，而镁/镁合金与纯锌之间通过固相扩散焊实现连接，从而将镁/镁合金和铝/铝合金焊接为一体，该过程为一次焊接过程，大大提高了焊接效率，降低了操作的复杂性。
进一步地，真空扩散焊接的具体操作过程为：在真空条件下，先于200-225℃，诱导压力为3-6MPa的条件下保温2-120min，然后升温至330-338℃，于2-6MPa焊接压力下保温1-4h，然后随炉冷却至150℃以下，停止抽真空即可。
进一步地，首次以15-30℃/min的速度升温至200℃保温2-120min。
进一步地，于200-225℃诱导反应后，以15-30℃/min的速度升温至335℃。
进一步地，焊接过程中诱导压力和焊接压力为恒定压力，压力保持为4MPa。
进一步地，镁合金的型号为AZ31，铝合金的型号为5083。
本发明所产生的有益效果为：
本申请中，将纯锌和纯锡作为中间层，由于锡和锌的共晶点均低于锌与镁合金和铝合金的共晶点，使得在较低温度的真空扩散过程中，锡和锌先发生共晶反应，形成锡锌共晶液相物质，由于诱导过程中诱导压力的作用，形成的共晶液相仅能保持较薄的厚度，多余共晶液相被诱导压力挤出连接界面，因此，可通过共晶反应持续时间控制共晶液相挤出量，从而调节纯锌隔离层厚度，当继续升温时，剩余纯锡层完全熔化为液态挤出，在扩散焊接温度下，纯锌与铝/铝合金借助界面中存在的锡锌共晶液相和纯锡液相的混合物以瞬时液相扩散焊实现连接，而镁/镁合金与纯锌之间通过固相扩散焊实现连接，实现将镁/镁合金和铝/铝合金焊接为一体，该过程为一次焊接过程，大大提高了焊接效率，降低了操作的复杂性。
本申请中，全程在低于338℃的温度条件下进行焊接，焊接过程中，因为有残余的纯锌层，阻止了镁铝的直接接触扩散，因此，焊接后不会产生镁铝金属间化合物，可明显改善接头的性能。
本申请中，可根据个性化生产的需要，通过调节200-225℃的保温时间来调节镁/镁合金与铝/铝合金之间纯锌中间层的厚度，以满足生产的需要；保温时间越长，纯锌中间层的厚度越薄。
附图说明
图1为本发明的焊接工艺路线及装配图；
图2为本发明的焊接接头形成机理图；
图3为实施例1中焊接件的SEM图和EDS图；
图4为实施例2中焊接件的SEM图和EDS图；
图5为实施例3中焊接件的SEM图和EDS图；
图6为实施例4中焊接件的SEM图和EDS图；
图7为实施例5中焊接件的SEM图和EDS图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以15℃/min的速度升温至200℃，在诱导压力为4MPa的恒定压力条件下保温2min，然后以15℃/min的速度升温至335℃，于4MPa的恒定焊接压力下保温2h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
实施例2
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次经过研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以20℃/min的速度升温至200℃，在诱导压力为4MPa的恒定压力条件下保温30min，然后以15℃/min的速度升温至335℃，于4MPa的恒定焊接压力下保温2h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
实施例3
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以15℃/min的速度升温至200℃，在诱导压力为4MPa的恒定压力条件下保温90min，然后以15℃/min的速度升温至335℃，于4MPa的恒定焊接压力下保温2h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
实施例4
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以20℃/min的速度升温至200℃，在诱导压力为4MPa的恒定压力条件下保温30min，然后以20℃/min的速度升温至335℃，于4MPa的焊接压力下保温3h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
实施例5
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以30℃/min的速度升温至200℃，在诱导压力为4MPa的恒定压力条件下保温30min，然后以30℃/min的速度升温至335℃，于4MPa的恒定焊接压力下保温4h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
实施例6
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以15℃/min的速度升温至220℃，在诱导压力为6MPa的恒定压力条件下保温7min，然后以15℃/min的速度升温至338℃，于4MPa的恒定焊接压力下保温1h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
实施例7
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金、纯锡和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌、纯锡和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后分阶段升温进行真空扩散焊接，真空扩散的具体操作过程为：在真空条件下，先以15℃/min的速度升温至210℃，在诱导压力为3MPa的恒定压力条件下保温120min，然后以15℃/min的速度升温至330℃，于4MPa的恒定焊接压力下保温4h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
对比例1
一种镁/镁合金与铝/铝合金的焊接方法，将镁/镁合金、铝/铝合金和纯锌材料依次研磨、抛光、超声清洗后吹干，然后将上述材料依次按照镁/镁合金、纯锌和铝/铝合金的顺序进行装配固定，其中，铝合金的型号为5083，镁合金的型号为AZ31，然后在真空条件下，以15℃/min的速度升温至335℃，于4MPa的焊接压力下保温2h，然后冷却至150℃以下，停止抽真空，制得。
试验例
分别将实施例1-5中制得的焊接接头采用线切割机沿接头焊缝垂直方向切割成试样，然后经研磨、抛光、超声清洗后即刻吹干，再用10ml乙酸、100ml乙醇、10ml蒸馏水和4.2g苦味酸的混合溶液腐蚀扩散焊接接头的横截面，腐蚀3s后对反应层的组成、焊接接头扩散区附近各主要化学元素的微观结构、分布和局部化学元素采用扫描电子显微镜在15kV电压下进行检测；分别对实施例1-7以及对比例1中的焊接件采用MTS-CMT5105万能试验机，以0.25mm/min的剪切速度进行剪切强度试验，测定最大剪切强度。以上实验测试的具体结果见附图及表1。
表1：焊接件的强度实验数据
最大剪切强度
实施例1
5MPa
实施例2
7MPa
实施例3
17MPa
实施例4
18MPa
实施例5
13MPa
实施例6
5MPa
实施例7
4MPa
对比例1
/
通过上表中的数据可以得知，实施例1-7中的焊接件均实现了焊接接头的有效连接，对比例1中由于真空扩散焊接温度远低于铝锌侧的共晶温度，铝锌原子扩散不充分，因此无法实现铝锌侧可靠的连接。
附图2表明了AZ31镁合金与5083铝合金采用纯锌/纯锡复合中间层的扩散连接接头的形成过程。锡和锌的共晶反应温度均低于锌与镁合金和铝合金的共晶反应温度，在较低温度的真空扩散过程中，锡和锌率先发生共晶反应，形成锡锌共晶液相物质，当继续升温时，剩余纯锡层完全熔化为液态后在诱导压力的作用下部分挤出，剩余的锡锌共晶和纯锡的混合液相诱发铝/铝合金和纯锌的低温扩散连接。在扩散焊接温度下，纯锌与铝/铝合金借助界面中存在的锡锌共晶和纯锡的液相混合物以瞬时液相扩散焊实现连接，而镁/镁合金与纯锌之间通过固相扩散焊实现连接，实现将镁/镁合金和铝/铝合金焊接为一体。
附图3的SEM结果表明，接头连接良好，焊缝界面处存有明显的层状组织，在铝合金母材中发现亮色的“网状”结构。根据界面上EDS线扫镁、铝、锡、锌元素的浓度分布情况划分扩散反应层，接头扩散界面扩散层可分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区，界面处EDS结果表明，纯锌层有效的阻隔了铝镁原子的相互扩散。
对实施例2中的接头进行EDS线扫、点扫，点扫结果见表2；
表2：实施例2中接头的点扫数据
附图4及表2中结果表明，扩散界面可以分为五个区域：Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区，结合表2的结果及EDS点分析表明，在靠近AZ31镁合金一侧区域Ⅰ区、Ⅱ区分别是镁合金与纯锌共晶反应生成的MgZn2、Mg2Zn11。EDS线扫描和点3表明，Ⅲ区有一个稳定的成分，并且锌原子含量占比为96.05at.％，可确定该区域为残余的纯锌层。在Ⅳ区铝、镁、锌、锡原子占比分别为0.1at.％，54.7at.％，45.1at.％，0.1at.％，结合铝锌二元合金相图知该区域可能是Al-Zn共晶体。EDS线扫以及点5结果表明Ⅴ区主要是Al(Zn)固溶体。EDS点6的铝、镁、锌、锡原子占比分别为1at.％，65.2at.％，12.2at.％，21.6at.％，表明铝合金母材中发现了亮色的“网状”结构为Al(Sn,Zn)固溶体。
附图3、4和5结果表明，当温度达到锡锌共晶反应温度时，锡锌发生共晶反应消耗纯锌层的厚度，并在诱导压力的作用下挤压出部分液相锌锡共晶体。随着锡锌共晶反应时间的延长，纯锌层的残余厚度显著减小，其他扩散层厚度及反应生成物均未发生改变。
附图6的SEM和EDS线扫表明，接头连接良好，随着扩散时间的延长至3h，镁锌界面形成的Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅴ区逐渐增宽，纯锌层与镁合金反应消耗了纯锌层使得中间层Ⅲ区逐渐变薄，Ⅳ区未出现明显的变化。
附图4、6和7对比分析可知，随着扩散时间的延长，接头的扩散层层厚逐渐变厚，纯锌层逐渐减薄。在接头性能上，剪切强度呈现先增大后减小的趋势，原因是在焊接保温2h的时候，低强度的纯锌中间层厚度较厚，剪切强度值较低。焊接保温到3h时，随着接头的扩散厚度以及纯锌层厚度均为一个合适的厚度，剪切强度最大。但是随着焊接保温时间为4h时，镁锌金属间化合物层显著变厚，导致接头性能下降。
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