CN102248278A - 镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法，该方法主要包括以下步骤：（1）焊接母材的机械加工处理步骤：将镁合金和铝合金加工、打磨、抛光，并用超声清洗；（2）利用磁控溅射镀膜设备控制工艺参数在镁合金及铝合金上沉积Cu薄膜；（3）将镀膜母材利用模具装配后置于真空热压炉内，控制焊接温度、保温时间以及压力，得到焊接接头。本发明的优点在于：（1）Cu薄膜能很好地保护焊接母材表面，减少惰性金属氧化物层的生成。（2）Cu元素改善了焊接界面的物相组成和显微结构，抑制了焊接接头中间层脆性金属间化合物的形成。（3）焊接接头强度高，拉伸强度能够达到10MPa~20MPa；焊接接头变形小和残余应力小。

Description

镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法

技术领域

本发明涉及镁合金与铝合金焊接领域，特别是一种镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法。

背景技术

铝是地壳中含量最高的金属元素，铝合金是目前使用最广的金属结构材料之一。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，同时其塑性好，能够加工成各种型材，具有良好的导电性、导热性和抗蚀性等特点。铝合金在汽车、航空航天、建筑装饰等领域有着广泛的应用。

近些年来，镁合金作为一种新型的工程结构材料越来越引起了社会各界的广泛关注，因其具有比强度高、刚度大、抗冲击性能好、抗震性好、热容量低、冷凝速度快、良好的机械加工性能等优点，现已广泛的应用于汽车制造、航空航天、民用电子产品等领域。

如果实现镁合金与铝合金异种金属的焊接并形成可靠的焊接结构件，不仅能充分发挥镁合金、铝合金各自的优异性能，还能够大大拓展其在高科技领域，特别是在航空航天方面的应用，所以实现镁铝异种金属的焊接具有非常深远的现实意义。然而镁铝异种金属因其物理化学性质的差异利用一般的焊接方法要实现其可靠连接十分困难，两种金属直接焊接主要存在的问题是：（1）镁、铝的活性很高，容易与空气中的氧气发生反应在表面形成一层氧化物膜，氧化物膜的存在不利于母材原子的相互扩散，导致焊接工艺难以控制；（2）镁与铝易相互反应，焊接接头界面区域生成大量高硬度脆性金属间化合物并出现分层现象，导致焊接接头强度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法，以克服现有镁合金与铝合金直接扩散焊接中存在的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法，具体是采用包括以下步骤的方法： 

（1）焊接母材机械加工处理：

将购买的焊接母材利用线切割的方法进行初加工，然后利用超精密平面磨床对切割后的待焊件进行打磨，并用砂纸打磨待焊面以除去表面氧化层和利用高精密抛光机对待焊面抛光，以保证其表面粗糙度Ra优于0.1μm，最后利用有机溶剂作为清洗剂对抛光后的待焊件进行超声清洗，得到表面清洁的待焊件；

（2）焊接母材的表面镀膜处理：

将表面清洁的待焊件放入预先抽真空的样品室内，然后利用磁控溅射工艺在待焊件镁和铝表面各沉积一层Cu薄膜，溅射结束后待衬底自然冷却后取出镀膜处理后的待焊件；

（3）待焊件扩散焊接步骤：

将镀膜处理后的待焊件叠放装入WC硬质合金模具中，模具的上下压头表面喷涂氮化硼陶瓷作为阻焊剂；随后将模具放置在真空热压炉中的上下压头之间，关闭炉门；对炉腔抽真空；当炉内真空度达到10^-3Pa ~10^-4Pa后利用预先设定的温度程序进行加热，炉内温度达到420℃~470℃后保温30min~2h，实施真空扩散焊接；在保温阶段前对待焊件施加轴向压力3MP~10MPa，保温阶段结束后，卸掉压力；关闭电源，炉冷却后取出焊接件；

经过上述步骤，实现镁合金母材与铝合金母材的夹层扩散焊接。

所述有机溶剂可以为无水乙醇或丙酮。

所述磁控溅射工艺可以采用纯度为99.99%的铜靶作为靶材。

在沉积Cu薄膜过程中，样品室的真空度可以为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-4Pa。

在沉积Cu薄膜过程中，其工艺可以为：衬底温度为80℃~200℃，升温速率为5℃~15℃，溅射功率为80W~150W，氩气气压为0.5Pa~1.5Pa，沉积时间为30min~1.5h。

在真空扩散焊接过程中，升温速度采用多步逐级升温，具体是先按5℃～10℃/min的升温速率升温至320℃～370℃，然后以2℃～10℃/min的升温速率升至420℃～470℃。

所述镁合金母材可以为纯镁、AZ31B或MB2镁合金。

所述铝合金母材可以为纯铝、LY12或6061铝合金。

本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：

1. 利用真空扩散焊接方法，在较低焊接温度下不仅实现了镁铝异种金属的焊接，焊接接头连接紧密，焊接接头拉伸强度能够达到10MPa~20MPa，而且焊接件整体平行度好、精度高。

2. 利用磁控溅射镀膜技术在焊接母材镁合金和铝合金表面沉积Cu薄膜，能够制备强度高、平行度高、变形小和残余应力小的镁/铝焊接接头，

3. 工艺简单，利于推广，特别适合镁合金与铝合金低温夹层扩散焊接。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明的模具装配示意图。

图3是本发明的模具机构剖面图。

图4是本发明加入厚度为0.3μmCu中间层后在焊接温度440℃，保温时间60min，焊接压力5MPa下扩散焊接镁合金和铝合金的焊接界面的扫描电子探针(EPMA)显微结构及Cu元素线能谱图。

图5是本发明加入厚度为0.5μmCu中间层后在焊接温度470℃，保温时间60min，焊接压力5MPa下扩散焊接镁合金和铝合金的焊接界面的扫描电子探针（EPMA）显微结构及Cu元素线能谱图。

图中：1.上压头；2. WC硬质合金上压头； 3. WC硬质合金内套；4. WC硬质合金外套； 5.氮化硼陶瓷阻焊层； 6.铝合金待焊件； 7. Cu薄膜层； 8.镁合金待焊件；9. WC硬质合金下压头； 10.下压头； 11.反应中间层； 12.铝基体侧； 13.镁基体侧。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。 

实施例1：

将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接连接，其中：镁合金待焊件8为直径Φ23×2mm MB2镁合金，铝合金待焊件6为直径Φ23×2mm LY12铝合金。磁控溅射Cu薄膜层7厚度0.5μm，扩散连接工艺条件是：焊接温度470℃，保温时间30min，焊接压力3MPa。

参见图1，将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接的具体步骤如下：

1.待焊件机械加工处理： 

用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000^#、1200^#SiC砂纸和05、06、07号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，并用高精密抛光机抛光，以保证其表面粗糙度Ra优于0.1μm，后用丙酮溶液超声清洗10min。

2.待焊件表面镀膜处理：

将上述处理后的待焊件送到预先抽真空（1.0×10^-3Pa~1.0×10^-4Pa）的样品室内，采用磁控溅射镀膜工艺在待焊件表面沉积一层厚度为0.5μm 的Cu薄膜层7（图2），溅射结束后的衬底自然冷却后取出镀膜待焊件。

所述磁控溅射镀膜工艺为现有技术，其工艺参数包括衬底温度、衬底升温速率、溅射功率、氩气分压、溅射时间。其中：衬底温度为80℃~200℃；衬底升温速率为5℃~15℃；溅射功率为80W~150W；氩气分压为0.5Pa~1.5Pa；溅射时间为30min~90min。

3.待焊件扩散焊接：

将待焊件叠放装入WC硬质合金模具（简称模具）中；对模具的WC硬质合金上压头2、WC硬质合金下压头9喷涂氮化硼陶瓷作为阻焊剂，形成氮化硼陶瓷阻焊层5；随后将模具放置在真空热压炉中的上压头1、下压头10之间，关闭炉门；利用机械泵和分子泵对真空热压炉腔体抽真空，当该炉内真空度优于9.0×10^-3Pa后利用预先设定的温度程序进行加热，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至370℃，然后以5℃/min升至420℃，再以2℃/min升至470℃，保温30min，当温度升至350℃时施加3MPa轴向压力，保温阶段结束后，完全卸掉压力；待该炉冷却后取出焊接件。检测结果显示焊接件接头拉伸强度达到15MPa、平行度为0.012mm。

实施例2：

将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接连接，其中：镁合金待焊件8为直径Φ23×2mm MB2镁合金，铝合金待焊件6为直径Φ23×2mm LY12铝合金。磁控溅射Cu薄膜层7厚度0.1μm，扩散连接工艺条件是：焊接温度420℃，保温时间120min，焊接压力10MPa。

参见图1，将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接的具体步骤如下：

1.待焊件机械加工处理： 

用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000^#、1200^#SiC砂纸和05、06、07号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，并用高精密抛光机抛光，以保证其表面粗糙度Ra优于0.1μm，后用丙酮溶液超声清洗10min。

2.待焊件表面镀膜处理：

将上述处理后的待焊件送到预先抽真空（1.0×10^-3Pa~1.0×10^-4Pa）的样品室内，采用磁控溅射镀膜工艺在待焊件表面沉积一层厚度为0.1μm 的Cu薄膜层7（图2），溅射结束后的衬底自然冷却后取出镀膜待焊件。

所述磁控溅射镀膜工艺为现有技术，其工艺参数包括衬底温度、衬底升温速率、溅射功率、氩气分压、溅射时间。其中：衬底温度为80℃~200℃；衬底升温速率为5℃~15℃；溅射功率为80W~150W；氩气分压为0.5Pa~1.5Pa；溅射时间为30min~90min。

3.待焊件扩散焊接：

将待焊件叠放装入WC硬质合金模具（简称模具）中；对模具的WC硬质合金上压头2、WC硬质合金下压头9喷涂氮化硼陶瓷作为阻焊剂，形成氮化硼陶瓷阻焊层5；随后将模具放置在真空热压炉中的上压头1、下压头10之间，关闭炉门；利用机械泵和分子泵对真空热压炉腔体抽真空，当该炉内真空度优于9.0×10^-3Pa后利用预先设定的温度程序进行加热，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至320℃，然后以5℃/min升至370℃，再以2℃/min升至420℃，保温120min，当温度升至370℃时施加3MPa轴向压力，保温阶段结束后，完全卸掉压力；待该炉冷却后取出焊接件。检测结果显示焊接件接头拉伸强度达到10.5MPa、平行度为0.008mm。

实施例3：

将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接连接，其中：镁合金待焊件8为直径Φ23×2mm MB2镁合金，铝合金待焊件6为直径Φ23×2mm LY12铝合金片。磁控溅射Cu薄膜层7厚度0.3μm，扩散连接工艺条件是：焊接温度440℃，保温时间60min，焊接压力5MPa。

参见图1，将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接的具体步骤如下：

1.待焊件机械加工处理： 

用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000^#、1200^#SiC砂纸和05、06、07号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，并用高精密抛光机抛光，以保证其表面粗糙度Ra优于0.1μm，后用丙酮溶液超声清洗10min。

2.待焊件表面镀膜处理：

将上述处理后的待焊件送到预先抽真空（1.0×10^-3Pa~1.0×10^-4Pa）的样品室内，采用磁控溅射镀膜工艺在待焊件表面沉积一层厚度为0.3μm 的Cu薄膜层7（图2），溅射结束后的衬底自然冷却后取出镀膜待焊件。

所述磁控溅射镀膜工艺为现有技术，其工艺参数包括衬底温度、衬底升温速率、溅射功率、氩气分压、溅射时间。其中：衬底温度为80℃~200℃；衬底升温速率为5℃~15℃；溅射功率为80W~150W；氩气分压为0.5Pa~1.5Pa；溅射时间为30min~90min。

3.待焊件扩散焊接：

将待焊件叠放装入WC硬质合金模具（简称模具）中；对模具的WC硬质合金上压头2、WC硬质合金下压头9喷涂氮化硼陶瓷作为阻焊剂，形成氮化硼陶瓷阻焊层5；随后将模具放置在真空热压炉中的上压头1、下压头10之间，关闭炉门；利用机械泵和分子泵对真空热压炉腔体抽真空，当该炉内真空度优于9.0×10^-3Pa后利用预先设定的温度程序进行加热，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至340℃，然后以5℃/min升至390℃，再以2℃/min升至440℃，保温60min，当温度升至390℃时施加5MPa轴向压力，保温阶段结束后，完全卸掉压力；待该炉冷却后取出焊接件。检测结果显示焊接件接头拉伸强度达到17.2MPa、平行度为0.006mm。从图4中可以看出，镁铝焊接界面结合良好，Cu薄膜层7厚度较为均匀，没有明显的裂纹、孔洞等缺陷。

实施例4：

将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接连接，其中：镁合金待焊件8为直径Φ23×2mm MB2镁合金，铝合金待焊件6为直径Φ23×2mm LY12铝合金。磁控溅射Cu薄膜层7厚度0.4μm，扩散连接工艺条件是：焊接温度420℃，保温时间60min，焊接压力5MPa。

参见图1，将镁合金待焊件8与铝合金待焊件6进行扩散焊接的具体步骤如下：

1.待焊件机械加工处理： 

用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000^#、1200^#SiC砂纸和05、06、07号金相砂纸打磨圆薄片的待焊接面，并用高精密抛光机抛光，以保证其表面粗糙度Ra优于0.1μm，后用丙酮溶液超声清洗10min。

2.待焊件表面镀膜处理：

将上述处理后的待焊件送到预先抽真空（1.0×10^-3Pa~1.0×10^-4Pa）的样品室内，采用磁控溅射镀膜工艺在待焊件表面沉积一层厚度为0.4μm 的Cu薄膜层7（图2），溅射结束后的衬底自然冷却后取出镀膜待焊件。

所述磁控溅射镀膜工艺为现有技术，其工艺参数包括衬底温度、衬底升温速率、溅射功率、氩气分压、溅射时间。其中：衬底温度为80℃~200℃；衬底升温速率为5℃~15℃；溅射功率为80W~150W；氩气分压为0.5Pa~1.5Pa；溅射时间为30min~90min。

3.待焊件扩散焊接：

将待焊件叠放装入WC硬质合金模具（简称模具）中；对模具的WC硬质合金上压头2、WC硬质合金下压头9喷涂氮化硼陶瓷作为阻焊剂，形成氮化硼陶瓷阻焊层5；随后将模具放置在真空热压炉中的上压头1、下压头10之间，关闭炉门；利用机械泵和分子泵对真空热压炉腔体抽真空，当该炉内真空度优于9.0×10^-3Pa后利用预先设定的温度程序进行加热，对被焊工件升温；按10℃/min的升温速率升温至320℃，然后以5℃/min升至370℃，再以2℃/min升至420℃，保温30min，当温度升至370℃时施加3MPa轴向压力，保温阶段结束后，完全卸掉压力；待该炉冷却后取出焊接件。检测结果显示焊接件接头拉伸强度达到20MPa、平行度为0.008mm。

上述实施例采用的WC硬质合金模具，其结构如图2和图3所示，该模具由WC硬质合金上压头2、WC硬质合金下压头9、WC硬质合金内套3、WC硬质合金外套4组成，其中：待焊件置于WC硬质合金上压头2、WC硬质合金下压头9之间。所述上压头和下压头的***分别由一个WC硬质合金内套3套住，两个内套***再分别由一个WC硬质合金外套4套住，以保证待焊件对齐，并接触紧密。从图3中可以看出，镁铝焊接界面结合良好，中间层厚度较为均匀，没有明显的裂纹、孔洞等缺陷。编号11、12和13分别是反应中间层、铝基体侧和镁基体侧。

上述实施例中，超精密平面磨床可以采用型号为PFG500DXAL超精密平面磨床（日本冈本工作机械制作社）。

上述实施例中，高精密抛光机可以采用型号为MA-200高精密抛光机（日本 New Metals and Chemicals Corporation, Ltd）。

Claims (8)

1.一种镁合金与铝合金夹层扩散焊接的方法，其特征是采用包括以下步骤的方法： 

（1）焊接母材机械加工处理：

将购买的焊接母材利用线切割的方法进行初加工，然后利用超精密平面磨床对切割后的待焊件进行打磨，并用砂纸打磨待焊面以除去表面氧化层和利用高精密抛光机对待焊面抛光，以保证其表面粗糙度Ra优于0.1μm，最后利用有机溶剂作为清洗剂对抛光后的待焊件进行超声清洗，得到表面清洁的待焊件；

（2）焊接母材的表面镀膜处理：

将表面清洁的待焊件放入预先抽真空的样品室内，然后利用磁控溅射工艺在待焊件镁和铝表面各沉积一层Cu薄膜，溅射结束后待衬底自然冷却后取出镀膜处理后的待焊件；

（3）待焊件扩散焊接步骤：

将镀膜处理后的待焊件叠放装入WC硬质合金模具中，模具的上下压头表面喷涂氮化硼陶瓷作为阻焊剂；随后将模具放置在真空热压炉中的上下压头之间，关闭炉门；对炉腔抽真空；当炉内真空度达到10^-3Pa ~10^-4Pa后利用预先设定的温度程序进行加热，炉内温度达到420℃~470℃后保温30min~2h，实施真空扩散焊接；在保温阶段前对待焊件施加轴向压力3MP~10MPa，保温阶段结束后，卸掉压力；关闭电源，炉冷却后取出焊接件；

经过上述步骤，实现镁合金母材与铝合金母材的夹层扩散焊接。

2.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

3.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：所述磁控溅射工艺采用纯度为99.99%的铜靶作为靶材。

4.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：在沉积Cu薄膜过程中，样品室的真空度为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-4Pa。

5.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：在沉积Cu薄膜过程中，其工艺为：衬底温度为80℃~200℃，升温速率为5℃~15℃，溅射功率为80W~150W，氩气气压为0.5Pa~1.5Pa，沉积时间为30min~1.5h。

6.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：在真空扩散焊接过程中，升温速度采用多步逐级升温，具体是先按5℃～10℃/min的升温速率升温至320℃～370℃，然后以2℃～10℃/min的升温速率升至420℃～470℃。

7.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：所述镁合金母材为纯镁、AZ31B或MB2镁合金。

8.如权利要求1所述的镁合金与铝合金的夹层扩散焊接方法，其特点在于：所述铝合金母材为纯铝、LY12或6061铝合金。

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