CN103143854B - 用于镁/铝异质金属连接的焊接材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于镁/铝异质金属连接的焊接材料,其特征在于,它的组分由Zn、Al、Sn、Cu、Ag、Si、Mn、Ti和稀土元素组成,各组分按重量百分比分别为:Zn:60-80%,Al:5-35%,Sn:10-25%,Cu:1.0-5.0%,Ag:0.2-1.5%,Si:0.1-1.0%,Mn:0.1-2.5%,Ti:0.1-1.0%,稀土元素:0.01-0.5%。采用本发明的焊接材料焊接镁/铝异质金属,可以使接头抗拉强度达到150-180MPa。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域,具体涉及一种用于镁/铝异质金属连接的焊接材料及其制备方法。
背景技术
作为工业领域中最轻的两种金属结构材料,镁合金和铝合金具有比强度高、比刚度高等一系列优点,二者的优质连接可以有效降低产品重量,简化产品设计,优化产品结构,因此航空航天、汽车、轨道交通等领域对镁/铝异质金属的高稳定性和高可靠性连接提出了迫切的需求。然而镁/铝异质金属焊接困难较大,这主要体现在镁、铝元素在430℃左右即可发生反应,生成连续分布的镁-铝金属间化合物层,该金属间化合物层具有高脆性的特征,可严重恶化焊接接头的力学性能。以激光焊接为例,接头剪切强度仅为20MPa左右(约为镁合金母材的15%)。
针对镁/铝异质金属焊接难点,国内外主要通过在镁/铝异质金属之间添加第三方金属的方法以提高接头的性能。目前已公开的添加材料包括Zn(非专利文献1)、Ti(非专利文献2)和Fe(非专利文献3)等单种金属,另外还包括Al-Zn(非专利文献4)、Sn-Zn(非专利文献5)、Al-Zn-Ce(非专利文献6)等二元和三元合金,这些金属主要起到“阻碍”作用,通过避免镁合金母材和铝合金母材的直接接触,进而减少镁-铝金属间化合物的生成。以上焊接材料针对镁/铝异质金属焊接仍然存在一定的缺陷,主要体现在:(1)焊接材料元素较少,最多仅为三元合金,因此只适用于单一种类的镁合金和铝合金母材,应用范围窄;(2)合金元素较少,导致接头性能增强效果小,以上焊接材料主要针对接头的室温静载拉伸强度进行设计,蠕变抗力、高温抗拉性能、耐腐蚀性能、屈服强度等因素无法同时兼顾,接头综合性能较差;(3)以上报道均属于实验室分析阶段,批量材料生产技术尚不成熟,特别是非专利文献1、5和6均采用热浸镀的方法将焊接材料预置于母材表面,生产效率低。上述问题的存在使得这些焊接材料难以满足工业上的实际应用。目前针对铝合金、钢铁、铜合金等异质金属的连接已经形成了成熟的焊接材料成分设计及制备技术,这些焊接材料中都包含6-8种甚至更多的合金元素,通过这些元素的添加以保证接头的综合性能,然而目前还未见用于镁/铝异质金属连接的多元合金焊接材料的报道。
非专利文献1:L.M.Liu,J.H.Tan,L.M.Zhao,X.J.Liu.The relationshipbetween microstructure and properties of Mg/Al brazed j oints using Zn filler metal.Materials characterization,59(2008):479-483.
非专利文献2:Ming Gao,Shuwen Mei,Xiangyou Li,Xiaoyan Zeng.Characterization and formation mechanism of laser-welded Mg and Al alloys using Tiinterlayer.Scripta Materialia,67(2012):193-196.
非专利文献3:Qi Xiaodong,Liu Liming.Fusion Welding of Fe-added lap jointsbetween AZ31B magnesium alloy and 6061 aluminum alloy by hybrid laser-tungsteninert gas welding technique.Materials&Design,33(2012):436-443.
非专利文献4:Fei Liu,Daxin Ren,Liming Liu.Effect of Al foils interlayer onmicrostructures and mechanical properties of Mg-Al butt joints welded by gastungsten arc welding filling with Zn filler metal.Materials&Design,46(2013):419-425.
非专利文献5:Zhi Wang,Hongyang Wang,Liming Liu.Study on lowtemperature brazing of magnesium alloy to aluminum alloy using Sn-xZn solders,Materials and Design,39(2012):14-19.
非专利文献6:L.M.Zhao,Z.D.Zhang.Effect of Zn alloy interlayer on interfacemicrostructure and strength of diffusion-bonded Mg-Al joints.Scripta Materialia,58(2008)283-286.
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提高焊缝整体力学和机械性能的镁/铝异质金属连接用焊接材料及其制备方法。
本发明的用于镁/铝异质金属连接的焊接材料具有如下技术特征:它的组分由Zn、Al、Sn、Cu、Ag、Si、Mn、Ti和稀土元素组成,各组分按重量百分比分别为:Zn:60-80%,Al:5-35%,Sn:10-25%,Cu:1.0-5.0%,Ag:0.2-1.5%,Si:0.1-1.0%,Mn:0.1-2.5%,Ti:0.1-1.0%,稀土元素:0.01-0.5%。
作为本发明焊接材料中使用的稀土元素,可以列举Ce、Y、La等,可以单独使用,也可以2种以上混合使用。
本发明焊接材料可为箔焊材或丝焊材,箔焊材的厚度一般为0.1-1mm,丝焊材的直径一般为0.8-5mm。
本发明焊接材料的制备方法具有如下技术特征:将符合焊接材料组分配比的各种高纯金属在高温条件下熔炼形成铸锭,将铸锭加工成直径为40-60mm的棒状或者厚度为1-3mm的平板状焊材坯料,将坯料在150-200℃条件下预热,在250-300℃条件下对其进行热挤压成形,最终制备成用于镁/铝异质金属连接的焊接材料。
本发明是针对镁/铝异质金属连接的特性,在大量实验基础上提出的用于镁/铝异质金属焊接的多元合金焊接材料,该焊接材料中具有特定配比的9种元素。之前报道中的相关焊材主要通过“阻碍作用”避免镁铝异质金属母材间发生反应,以减少金属间化合物的生成。而本焊材则是基于焊缝高度合金化的思路,通过成分设计,充分利用镁、铝母材与焊接材料中各元素间的反应,使焊缝形成包括镁、铝、锌、锡等元素在内的多种固溶体及强化相,在保证接头具有较高室温静载抗拉伸强度的同时,焊接材料中各元素发挥其自身效应,提高了接头的综合性能:如Zn、Sn可以增加熔体流动性,并具有沉淀强化作用;Cu可以提高焊缝强度、降低焊接裂纹;Ag可以增加抗拉强度和屈服强度,与稀土元素同时作用可提高接头的高温抗拉性能;Si可改善焊缝的蠕变性能;Mn、Ti可以细化晶粒,提高合金的焊接性能。
采用本发明的优点在于:(1)本焊接材料的熔点较低,仅为370-385℃,同时润湿性好,在铝合金表面润湿角仅为21-30°;(2)用本焊接材料焊接镁/铝异质金属,可以使接头抗拉强度达到150-180MPa;(3)应用范围广,可适用于各类镁合金和铝合金之间的焊接,例如AZ系列、AM系列、ZK系列的轧制镁合金和铸造镁合金,以及纯铝、铸铝、高强铝、硬铝等铝合金;(4)焊接材料制造工艺简单,成本较低,便于大规模批量生产;(5)可焊的接头形式为对接、搭接、角接、T型接头以及管-管接头等结构。
具体实施方式
下述实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例1
首先将各种高纯金属进行净化处理,再按照质量百分比分别称量好各种高纯金属,总的百分比为100%,各组分配比为Zn:60%,Al:25%,Sn:10%,Cu:2.0%,Ag:0.2%,Si:0.5%,Mn:2.0%,Ti:0.2%,稀土元素(Ce0.06%、Y0.4%):0.1%。将上述各组分材料放入熔炼炉,加热到900℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成直径为60mm的棒状,在150℃条件下预热,在300℃条件下进行热挤压,最终得到直径3mm用于镁/铝异质金属焊接的丝型焊接材料(丝焊材)。针对3mm厚AZ61镁合金板材与3mm厚6061铝合金板材,采用钨极氩弧焊进行对接焊,利用得到的丝焊材可以得到拉伸强度为180MPa的镁/铝异质金属接头(拉伸实验条件:室温下,采用万能力学试验机以2mm/min的拉伸速度进行力学性能测试)。
实施例2
首先将各种高纯金属进行净化处理,再按照质量百分比分别称量好各种高纯金属,总的百分比为100%,各组分配比为Zn:65%,Al:10%,Sn:20%,Cu:2.5%,Ag:0.5%,Si:0.5%,Mn:1.3%,Ti:0.1%,稀土元素Ce:0.1%。将上述各组分材料放入熔炼炉,加热到900℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成厚度为1mm的片状,在200℃条件下预热,在300℃条件下进行热挤压,最终得到厚度0.1mm用于镁/铝异质金属焊接的箔型焊接材料(箔焊材)。针对2mm厚AZ31镁合金板材与2mm厚LY11硬质铝合金板材,在真空炉中加热到370℃进行搭接钎焊连接,利用得到的箔焊材可以得到剪切强度为95MPa的镁/铝异质金属钎焊接头(拉伸实验条件同实施例1)。
实施例3
首先将各种高纯金属进行净化处理,再按照质量百分比分别称量好各种高纯金属,总的百分比为100%,各元素配比为Zn:77%,Al:8%,Sn:10%,Cu:1.5%,Ag:1.0%,Si:0.6%,Mn:1.5%,Ti:0.2%,稀土元素(La0.08%、Ce0.08%、Y0.04%):0.2%。将上述各组分材料放入熔炼炉,加热到900℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成直径为40mm的棒状,在180℃条件下预热,在270℃条件下进行热挤压,最终得到直径1.0mm用于镁/铝异质金属焊接的丝型焊接材料(丝焊材)。针对1mm壁厚AM80铸造镁合金管材与1mm壁厚ZL105铸造铝合金管材,采用激光-电弧复合热源进行管材的角接连接,利用得到的丝焊材可以得到拉伸强度为150MPa的镁/铝异质金属焊接接头(拉伸实验条件同实施例1)。
Claims (3)
1.一种用于镁/铝异质金属连接的焊接材料,其特征在于,它的组分由Zn、Al、Sn、Cu、Ag、Si、Mn、Ti和稀土元素组成,各组分按重量百分比分别为:Zn:60-80%,Al:8-25%,Sn:10-25%,Cu:1.0-5.0%,Ag:0.2-1.5%,Si:0.1-1.0%,Mn:0.1-2.5%,Ti:0.1-1.0%,稀土元素:0.01-0.5%;
所述的焊接材料的制备方法,将符合焊接材料组分配比的各种高纯金属在高温条件下熔炼形成铸锭,将铸锭加工成直径为40-60mm的棒状或者厚度为1-3mm的平板状焊材坯料,将坯料在150-200℃条件下预热,在250-300℃条件下对其进行热挤压成形,最终制备成用于镁/铝异质金属连接的焊接材料。
2.如权利要求1所述的焊接材料,其特征在于,所述稀土元素为Ce、Y、La中的1种或2种以上。
3.如权利要求1或2所述的焊接材料,其特征在于,所述焊接材料为厚度0.1-1mm的箔焊材或直径0.8-5mm的丝焊材。
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CN103143854A (zh) | 2013-06-12 |
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