專利名稱：一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于有色金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，尤其涉及一種用于活性有色金屬鎂與鋁的快速擴(kuò)散焊連接方法工藝，屬于有色金屬的焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)材料是工業(yè)裝備的主要組成部分，其性能決定了工業(yè)裝備的水平，新結(jié)構(gòu)材料的不斷研發(fā)是提高工業(yè)技術(shù)水平的重要支柱。其中新型有色金屬材料是最重要的一類材料，地殼中金屬含量最高的鋁、鎂均為有色金屬。尤其是鎂具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度和可再回收利用等優(yōu)點(diǎn)而成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，日益成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的理想材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)新型的綠色環(huán)保工程材料”。
隨著鎂及鎂合金在汽車零部件、電子產(chǎn)品及航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，有望逐漸取代鋁及鋁合金零部件。在某些特殊場合下，還要求將鎂與鋁焊接成復(fù)合構(gòu)件，以充分發(fā)揮鎂與鋁各自的性能優(yōu)勢，大大提高工業(yè)裝備對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件的性能要求。但由于鎂和鋁表面極易形成氧化膜、二者的物理化學(xué)性能差異較大，所以焊接時(shí)接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力易導(dǎo)致焊接裂紋，焊接性差。此外，鎂和鋁焊接時(shí)，接頭區(qū)還容易形成脆性的鎂鋁化合物，降低接頭的強(qiáng)韌性，影響焊件的使用性能。
國內(nèi)外有關(guān)鎂與鋁異種活性金屬的焊接主要采用鎢極氬弧焊、電子束焊和攪拌摩擦焊。例如，A.C.Somasekharan等人采用攪拌摩擦焊技術(shù)對鎂與6061鋁合金進(jìn)行連接，由于攪拌摩擦焊是依靠攪拌頭摩擦產(chǎn)生熱量，使元素?cái)U(kuò)散和晶粒重新組合實(shí)現(xiàn)鎂與6061鋁合金之間的結(jié)合，因此對工件定位要求非常嚴(yán)格，只適合于平直接頭，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接頭的連接。A.Ben-Artzy等采用不同的焊絲作為填充金屬，用鎢極氬弧焊和電子束焊技術(shù)對純鋁與鑄造鎂合金進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)在接頭熔合區(qū)附近出現(xiàn)鎂與鋁的共晶組織，并且在鎂合金一側(cè)的熔合區(qū)附近容易形成連續(xù)脆性相，降低接頭的強(qiáng)韌性。因此，解決鎂與鋁的焊接難題，實(shí)現(xiàn)鎂與鋁異種活性金屬的可靠連接，制備出鎂與鋁的復(fù)合結(jié)構(gòu)件，會(huì)大大推動(dòng)鎂及其合金在航空航天、電子及汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有鎂與鋁熔焊連接技術(shù)的不足，提出一種鎂-鋁異種金屬的固態(tài)快速擴(kuò)散連接的工藝。該項(xiàng)技術(shù)不需添加中間合金層，連接溫度低，通過鎂與鋁表面的局部快速塑變在固態(tài)下擴(kuò)散連接到一起，能夠獲得無裂紋、無脆性化合物的鎂-鋁擴(kuò)散焊接頭，接頭剪切強(qiáng)度為26MPa(達(dá)到鋁母材剪切強(qiáng)度的50％)，能夠滿足鎂-鋁異種復(fù)合結(jié)構(gòu)的使用要求。
本發(fā)明的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，由下述步驟組成(1)焊前清理鎂與鋁的待焊工件表面，并拭凈、吹干；(2)將鎂與鋁待焊工件用上、下壓頭壓緊，置于擴(kuò)散焊真空室中，通過計(jì)算機(jī)程序控制，在高真空下實(shí)現(xiàn)鎂與鋁的快速擴(kuò)散連接，工藝參數(shù)為加熱溫度460～540℃，保溫時(shí)間10～30min，壓力0.05～0.10MPa，真空度1.33×10-4～1.33×10-5Pa；
(3)保溫完成后，通過氣動(dòng)閥門控制和水循環(huán)聯(lián)合快速冷卻，待真空室冷卻至100℃以下時(shí)，關(guān)閉氮?dú)?，打開爐門和取出焊件，獲得界面結(jié)合良好的鎂/鋁擴(kuò)散焊接頭。
其中，上述步驟(1)所述的焊前清理包括機(jī)械處理和化學(xué)處理。
其中，所述的機(jī)械處理是先用磨床加工，使鎂和鋁試樣上、下表面平行，表面光潔度≥6級；再用金相砂紙打磨，使其表面粗糙度達(dá)到Ra 1.6～6.4μm，再用濃度為55％～60％酒精清洗、清水清洗。
其中，所述的化學(xué)處理是將鎂和鋁先在稀氫氟酸溶液中浸泡5～8min，然后水洗、丙酮清洗、最后吹干。稀氫氟酸溶液濃度10％～15％為宜。
其中，上述步驟(2)所述的加熱是以10～15℃/min的升溫速度加熱到連接溫度。
其中，上述步驟(3)所述的所述的快速冷卻是以10～20℃/min的冷卻速度冷卻至100℃以下，關(guān)閉氮?dú)狻?br> 其中，上述步驟(3)所述的冷卻方式采用充氮?dú)夂退h(huán)聯(lián)合快速冷卻方式。
擴(kuò)散連接加熱前，先使真空室中的真空度達(dá)10-5Pa，然后通過計(jì)算機(jī)程序控制將工件快速加熱至連接溫度，使鎂、鋁界面處于局部塑變狀態(tài)，在隨后的保溫階段鎂與鋁在界面處發(fā)生相互擴(kuò)散，形成完整的結(jié)合。針對鎂具有較大的熱脆性，對溫度、壓力的影響較敏感這一特點(diǎn)，擴(kuò)散連接過程的加熱溫度、保溫時(shí)間、壓力和冷卻速度都是采用計(jì)算機(jī)精確控制的。
本發(fā)明的特點(diǎn)是在高真空中采用快速加熱方法，使鎂與鋁接觸表面發(fā)生瞬時(shí)塑性變形，實(shí)現(xiàn)原子之間的相互擴(kuò)散結(jié)合，形成鎂-鋁擴(kuò)散連接接頭，不需添加中間合金層。這種擴(kuò)散連接方法不僅能夠提高焊接效率，還可以避免添加元素?cái)U(kuò)散到鎂和鋁母材中，生成其他類型的脆性化合物，影響接頭的組織性能。
采用上述工藝方法可以獲得不出現(xiàn)Mg-Al脆性化合物的焊接接頭，接頭界面區(qū)域無裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)散焊接頭的界面剪切強(qiáng)度達(dá)26MPa(達(dá)到鋁母材剪切強(qiáng)度的50％)，滿足鎂-鋁異種復(fù)合構(gòu)件的使用要求。該工藝操作簡便、成本低、適用性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1直徑50mm×3mm鎂圓片與直徑50mm×6mm鋁圓片擴(kuò)散連接，具體步驟如下擴(kuò)散焊前將50mm×3mm鎂圓片與直徑50mm×6mm鋁圓片的表面采用磨床加工，光潔度6級，然后用M280金相砂紙打磨，使其表面粗糙度達(dá)到Ra 3.0μm，再用濃度為59％酒精清洗、清水清洗。在10％稀氫氟酸溶液中浸泡5min、水洗、丙酮清洗、最后吹干。
試樣處理后迅速將鎂、鋁圓片疊合置于擴(kuò)散焊真空室中，用上、下壓頭壓緊，以10℃/min的升溫速度快速升溫至480℃，保溫時(shí)間20min，壓力0.07MPa，真空度6.5×10-4Pa。保溫完成后真空室采用充氮?dú)馀c水循環(huán)聯(lián)合快速冷卻，真空室冷卻至100℃以下，關(guān)閉氮?dú)?，打開爐門和取出焊件。得到的鎂/鋁復(fù)合圓片的擴(kuò)散接頭的界面剪切強(qiáng)度為22MPa。
實(shí)施例2直徑60mm×10mm鎂管與直徑60mm×10mm鋁管的擴(kuò)散連接，鎂管和鋁管的長度均為30mm，具體步驟如下擴(kuò)散焊前將60mm×10mm鎂管與直徑60mm×10mm鋁管的表面采用磨床加工，光潔度6級，然后用M280金相砂紙打磨，使其表面粗糙度達(dá)到Ra 5.0μm，再用濃度為59％酒精清洗、清水清洗。在15％稀氫氟酸溶液中浸泡6min、水洗、丙酮清洗、最后吹干。
試樣處理后迅速將鎂管、鋁管疊合置于擴(kuò)散連接真空室中，用上、下壓頭壓緊，以15℃/min的升溫速度快速升溫至540℃，保溫時(shí)間15min，壓力0.09MPa，真空度6.5×10-5Pa。
保溫完成后真空室采用充氮?dú)馀c水循環(huán)聯(lián)合快速冷卻，真空室冷卻至100℃以下，關(guān)閉氮?dú)?，打開爐門和取出焊件。得到的鎂-鋁復(fù)合管接頭的界面剪切強(qiáng)度為24MPa。
權(quán)利要求
1.一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，步驟如下(1)連接前清理鎂與鋁的待焊工件表面，并拭凈、吹干；(2)將鎂與鋁待焊工件置于真空室中，用上、下壓頭壓緊，通過計(jì)算機(jī)程序控制，在高真空下實(shí)現(xiàn)鎂與鋁的快速擴(kuò)散連接，工藝參數(shù)為加熱溫度460～540℃，保溫時(shí)間10～30min，壓力0.05～0.10MPa，真空度1.33×10-4～1.33×10-5Pa；(3)保溫完成后，通過氣動(dòng)閥門控制和水循環(huán)聯(lián)合快速冷卻，待真空室冷卻至100℃以下時(shí)，關(guān)閉氮?dú)?，打開爐門和取出焊件，獲得界面結(jié)合良好的鎂-鋁擴(kuò)散焊接頭。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，其特征在于，步驟(1)所述的焊前清理包括機(jī)械處理和化學(xué)處理。
3.如權(quán)利要求2所述的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，其特征在于，所述的機(jī)械處理是先用磨床加工，使鎂和鋁試樣上、下表面平行，表面光潔度≥6級；再用金相砂紙打磨，使其表面粗糙度達(dá)到Ra 1.6～6.4μm，再用濃度為55～60％酒精清洗、清水清洗。
4.如權(quán)利要求2所述的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，其特征在于，所述的化學(xué)處理是將鎂和鋁待焊件先在稀氫氟酸溶液中浸泡5～8min，然后水洗、丙酮清洗、最后吹干。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，其特征在于，步驟(2)所述的快速加熱是以10～15℃/min的升溫速度加熱到連接溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，其特征在于，步驟(3)所述的快速冷卻是以10～20℃/min的冷卻速率冷卻至100℃以下。
7.如權(quán)利要求1所述的一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，其特征在于，步驟(3)所述的冷卻方式采用充氮?dú)夂退h(huán)聯(lián)合快速冷卻方式。
全文摘要
一種鎂與鋁異種金屬間的快速擴(kuò)散焊連接方法，屬于有色金屬的焊接技術(shù)領(lǐng)域。步驟如下連接前清理鎂與鋁的待焊工件表面，將鎂與鋁待焊工件置于真空室中，用上、下壓頭壓緊，在高真空下實(shí)現(xiàn)鎂與鋁的快速擴(kuò)散連接?？焖偌訜岷捅赝瓿珊?，通過氣動(dòng)閥門控制和水循環(huán)快速冷卻至100℃以下，然后關(guān)閉氮?dú)夂腿〕龊讣?，獲得界面結(jié)合良好的鎂－鋁擴(kuò)散焊接頭。采用本發(fā)明的方法可獲得不出現(xiàn)Mg－Al脆性化合物的焊接接頭，接頭界面區(qū)域無裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)散焊接頭的界面剪切強(qiáng)度達(dá)26MPa，滿足鎂－鋁異種復(fù)合構(gòu)件的使用要求。該方法操作簡便、成本低、適用性強(qiáng)。
文檔編號B23K20/02GK1943957SQ200610068958
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者李亞江, 王娟, 劉鵬 申請人:山東大學(xué)