异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法技术

本发明专利技术涉及一种异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法，属于异种材料焊接技术领域。通过添加锌中间层进行镁合金和铝合金的超声波焊接，成功避免了Mg‑Al系金属间化合物的产生，提高了接头的焊接质量和强度。调节合适的焊接工艺参数对工件进行施焊，研究不同工艺参数对接头剪切强度的影响。调整的工艺参数为：焊接能量0～9999J，焊接振幅60%～100%，焊接静压力0～0.65MPa。通过上述参数调节，可实现0.1mm镁合金薄板与0.1mm铝合金薄板异种材料连接，保证焊接接头变形小，成形好，无裂纹、气孔等焊接缺陷。当焊接能量为1700J、焊接振幅为95%、焊接静压力为0.4MPa时，接头剪切强度达到最大，为57.62MPa，与未添加中间层的Mg/Al超声波焊接工艺相比，接头强度提高了89.66%。

【技术实现步骤摘要】
异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法
本专利技术涉及异种材料连/焊接
，特别涉及一种异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法。
技术介绍
随着科学技术和工业技术的飞速发展，在汽车工业的推动下，生产轻量化、环保化、节能化的需求日益增加，采用铝合金和镁合金代替钢板材料的焊接，结构重量可以减轻50%以上，因此镁合金/铝合金复合构件是实现零部件减重的重要途径，实现镁合金/铝合金异种金属的焊接，获得牢固可靠的焊接接头，也越来越受到人们的高度重视。由于镁合金和铝合金的物理化学性质具有很大的差异，且都极易氧化，焊接过程中易形成大量的脆性金属间化合物，易产生孔穴、裂缝、夹杂、未焊合等焊接缺陷，因此镁合金/铝合金的焊接性较差，采用传统的熔焊方法很难得到性能优异的接头。目前，Mg/Al异种金属连接常用的方法是激光焊、电阻焊、搅拌摩擦焊以及超声波焊接。但是无论采用哪种方法，都无法避免铝镁的直接接触产生硬脆的Mg-Al系金属间化合物，造成接头产生脆断的倾向增大，极大地恶化了接头质量。因此，相关研究人员指出通过添加中间层来阻止Mg、Al母材的直接接触，以减少脆性金属间化合物的产生。同时，在焊接热作用下，中间层在Mg、Al界面间熔化铺展，增加焊接接头的融合面积，从而达到提高焊接接头力学性能的目的。目前，添加中间层的Mg-Al异种金属的超声波焊接研究主要集中在镀层、添加锡箔对接头性能的影响，而对添加锌中间层的鲜有报道。基于Mg和Zn晶体结构相似，易发生互扩散且焊后残余应力较小；Al和Zn可以以任意比例无限互溶，不会形成脆性金属间化合物，因此通过添加锌中间层，优化焊接工艺参数促进Mg、Zn、Al的冶金反应提高接头力学性能的技术思路是可行的。研究开发镁合金与铝合金异种金属材料连接技术在航空航天、汽车工业等领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术通过采用锌箔作为中间层，通过超声波焊接工艺在焊接静压力和超声波高频振动的共同作用下实现镁合金与铝合金的高质量、高效率焊接。基于Mg/Zn箔/Al界面反应机理、界面温度对反应动力学的影响规律及界面反应产物的性质，通过优化焊接工艺参数促进界面冶金反应，抑制镁铝之间形成脆性金属间化合物，解决现有技术存在的上述问题和不足，填补行业空白。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法，包括如下步骤：（1）焊前预处理：中间层预处理：使用1000#砂纸将锌中间层的表面打磨至光亮，再将表面光亮的锌中间层置于丙酮中，再在超声功率为100W~120W的超声波清洗仪中清洗5min~10min，温度为20~25℃，取出吹风机吹干，确保待焊区域无金属氧化膜、油污及水分，得到处理后的中间层；母材预处理：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸将镁合金和铝合金的表面打磨至光亮，再将表面光亮的镁合金和铝合金置于丙酮中，再在超声功率为100W~120W的超声波清洗仪中清洗10min~15min，温度为20~25℃，取出吹风机吹干，确保待焊区域无金属氧化膜、油污及水分，得到处理后的镁合金和铝合金；（2）接头形式：试验采用“镁上铝下”的形式进行装配焊接，搭接量为20mm，焊接过程中将锌中间层置于两待连接件之间，按铝合金、锌箔、镁合金的顺序自下而上依次叠放装配形成工件，界面不留空隙，得到装配件；（3）焊接工艺：将装配件置于超声波焊机的下声级上，保持工件与下声级完全贴合，调整焊接工位，而上声级则在超声波转换器的作用下由上至下压向工件，从而实现镁铝异种合金的连接；采用“单一变量法”，通过优化焊接工艺参数及焊接热输入量，促进Mg/Zn箔/Al界面的冶金反应，限制金属间化合物层的厚度，防止气孔、裂纹等焊接缺陷，提高接头的力学性能和焊接质量，其工艺参数为：焊接能量0～9999J，焊接振幅60%～100%，焊接静压力0～0.65MPa；经过以上步骤，实现镁合金与铝合金的超声波焊接，得到Mg/Zn箔/Al的焊接件。所述的镁合金为AZ31B镁合金，厚度为1mm，工件尺寸为25mm×25mm，化学成分为Mn：0.2~0.5；Zn：0.5~1.5；Al：2.5~3.5；Si：≤0.1；Cu：≤0.05；Fe：≤0.005；Ni：≤0.005；Mg：余量。所述的铝合金为6082-T6铝合金，厚度为1mm，工件尺寸为25mm×25mm，化学成分为Si：0.7~1.3；Mn：0.4~1.0；Cu：0.1；Fe：0.5；Zn：0.2；Ti：0.1；Cr：0.25；Mg：0.6~1.2；Al：余量。所述的中间层锌箔纯度为99.9%，厚度为30μm，锌箔尺寸为20mm×25mm。采用Viper-20超声波金属焊机设备进行焊接，额定功率为3000W，工作频率为20.11KHz，电源电压200～240V，超声振幅10μm，压缩气体最大压力90psi，焊接时间0.005～9.999s，焊机焊头和底模为尖齿状，焊头高度为1.2mm，焊头面积为5.2mm×7.8mm，焊头最大行程15mm。焊接能量分别选取200J、500J、800J、1100J、1400J、1700J、2000J、2500J；焊接振幅分别选取65%、75%、85%、95%；焊接静压力分别选取0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa。焊接接头反应层中包含Mg-Zn反应层与Zn-Al反应层及残余Zn中间层；残余Zn中间层的存在阻止了Mg、Al元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Mg-Al金属间化合物。本专利技术的有益效果在于：（1）采用超声波焊接技术，在焊接过程中接头无高温污染及损伤，焊后工件变形量和残余应力比传统熔焊方法小，可以实现低应力无变形焊接，焊接速度快，效率高；（2）焊接工艺简便、易行，利于推广，焊接过程中不需要气体保护，无需添加焊料、助焊剂，且焊后工件也不需要进行其他处理，有利于提高生产效率及实现焊接生产自动化，环保无污染；（3）采用超声波焊接技术，在焊接过程中不产生或产生少量的金属间化合物，使焊缝成形质量高，而且低温、低压、低能耗，可焊材料范围广，不仅可以实现同种材料的连接，还能实现异种材料间的连接；（4）采用Zn做中间层，Zn与Al无限互溶，Zn与Mg有限互溶，利用接触反应实现镁合金和铝合金的连接，阻碍了镁铝原子的直接相互扩散，成功避免了脆硬Mg-Al系金属间化合物的生成，对扩展镁合金和铝合金复合构件的应用领域具有较大的现实意义，并能为其他异种金属连接提供中间层设计思路；（5）锌中间层的加入能改善镁合金和铝合金待焊面的抗氧化能力，锌中间层用量较少且易得，有利于降低焊接生产成本。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的镁合金-铝合金超声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法，其特征在于：包括如下步骤：/n（1）焊前预处理：/n中间层预处理：使用1000#砂纸将锌中间层的表面打磨至光亮，再将表面光亮的锌中间层置于丙酮中，再在超声功率为100W~120W的超声波清洗仪中清洗5min~10min，温度为20~25℃，取出吹风机吹干，确保待焊区域无金属氧化膜、油污及水分，得到处理后的中间层；/n母材预处理：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸将镁合金和铝合金的表面打磨至光亮，再将表面光亮的镁合金和铝合金置于丙酮中，再在超声功率为100W~120W的超声波清洗仪中清洗10min~15min，温度为20~25℃，取出吹风机吹干，确保待焊区域无金属氧化膜、油污及水分，得到处理后的镁合金和铝合金；/n（2）接头形式：/n试验采用“镁上铝下”的形式进行装配焊接，搭接量为20mm，焊接过程中将锌中间层置于两待连接件之间，按铝合金、锌箔、镁合金的顺序自下而上依次叠放装配形成工件，界面不留空隙，得到装配件；/n（3）焊接工艺：/n将装配件置于超声波焊机的下声级上，保持工件与下声级完全贴合，调整焊接工位，而上声级则在超声波转换器的作用下由上至下压向工件，从而实现镁铝异种合金的连接；采用“单一变量法”，通过优化焊接工艺参数及焊接热输入量，促进Mg/Zn箔/Al界面的冶金反应，限制金属间化合物层的厚度，防止气孔、裂纹等焊接缺陷，提高接头的力学性能和焊接质量，其工艺参数为：焊接能量0～9999J，焊接振幅60%～100%，焊接静压力0～0.65MPa；/n经过以上步骤，实现镁合金与铝合金的超声波焊接，得到Mg/Zn箔/Al的焊接件。/n...

【技术特征摘要】
1.一种异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）焊前预处理：
中间层预处理：使用1000#砂纸将锌中间层的表面打磨至光亮，再将表面光亮的锌中间层置于丙酮中，再在超声功率为100W~120W的超声波清洗仪中清洗5min~10min，温度为20~25℃，取出吹风机吹干，确保待焊区域无金属氧化膜、油污及水分，得到处理后的中间层；
母材预处理：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸将镁合金和铝合金的表面打磨至光亮，再将表面光亮的镁合金和铝合金置于丙酮中，再在超声功率为100W~120W的超声波清洗仪中清洗10min~15min，温度为20~25℃，取出吹风机吹干，确保待焊区域无金属氧化膜、油污及水分，得到处理后的镁合金和铝合金；
（2）接头形式：
试验采用“镁上铝下”的形式进行装配焊接，搭接量为20mm，焊接过程中将锌中间层置于两待连接件之间，按铝合金、锌箔、镁合金的顺序自下而上依次叠放装配形成工件，界面不留空隙，得到装配件；
（3）焊接工艺：
将装配件置于超声波焊机的下声级上，保持工件与下声级完全贴合，调整焊接工位，而上声级则在超声波转换器的作用下由上至下压向工件，从而实现镁铝异种合金的连接；采用“单一变量法”，通过优化焊接工艺参数及焊接热输入量，促进Mg/Zn箔/Al界面的冶金反应，限制金属间化合物层的厚度，防止气孔、裂纹等焊接缺陷，提高接头的力学性能和焊接质量，其工艺参数为：焊接能量0～9999J，焊接振幅60%～100%，焊接静压力0～0.65MPa；
经过以上步骤，实现镁合金与铝合金的超声波焊接，得到Mg/Zn箔/Al的焊接件。


2.根据权利要求1所述的异种金属超声波辅助共晶反应钎焊方法，其特征在于：所述的镁合金为AZ31B镁合金，厚度为1mm，工件尺寸为25mm×25mm，化学成分为Mn：0.2~...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷晓燕，高维，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22