CN104084658B - 一种镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法 - Google Patents

一种镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法 Download PDF

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Abstract

一种镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，属于异种材料连接领域。镁合金的熔点仅为650℃，对焊接温度很敏感。镁和钢属于异种材料，尤其是两种异种材料的熔点、线膨胀系数相差显著，增加了焊接这两种金属的难度。本发明通过在镁合金表面制备中间纯铜层，组合成镁合金/Cu/钢钎焊结构，固定置于真空扩散炉内，连接面压力为0.0375～0.2MPa，加热、保温，然后再加热、保温，停止加热，随炉冷却至150℃以下，实现了镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接。本发明焊接温度较低，对母材影响小，无需钎料，避免了“大包围、小包围”现象，一定程度上解决了焊接镁合金与金属异种金属钎焊接头无缺陷(相对熔焊)，钎焊接头室温剪切强度达到39.6MPa。

Description

一种镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法
技术领域
本发明属于异种材料连接技术领域，具体涉及镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法。
背景技术
镁合金是目前实际应用的质量最轻的金属结构材料，被称为“21世纪的绿色工程环保材料”。由于它具有密度小(仅为1.74g/cm3)，比强度和比刚度高，减震性和抗磁性好，易于切削加工和回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航空、航天和国防等工业领域具有极其重要的应用价值和前景。然而镁合金的应用不可避免地会遇到与钢的连接问题，所以开发出镁合金与钢的高效焊接技术，特别是针对轻质复杂结构以及需大面积部件的连接显得尤为迫切。
镁合金的熔点较低，仅为650℃，对焊接温度很敏感，在传统的熔焊过程中易发生镁合金的氧化及蒸发现象，甚至在常温下镁合金也很容易发生氧化。镁钢属于异种材料，其物理化学性能相差较大，尤其是两种材料的熔点、线膨胀系数相差显著，大大增加了焊接这两种金属的难度。目前涉及镁合金与钢的连接方法主要有熔化焊、激光熔钎焊、钎焊、扩散焊以及搅拌摩擦焊。熔焊的最大问题是难于实现对焊接过程的控制，高温下镁合金容易发生过烧现象，氧化严重，并且在焊接过程中会产生较大的应力集中及大量气孔。刘黎明在熔焊镁合金与钢方面做了大量的研究。研究表明，单一的以激光和电弧为热源焊接镁合金与钢有很多的弊端。镁合金对激光能量的吸收率差，单一的用激光焊接镁钢异种金属易导致熔深不够，形成的镁钢异种金属焊接接头中易出现裂纹和气孔等缺陷，力学性能较差。单一的弧焊过程中，由于电弧本身能量是比较发散的，因此加大了在焊接中焊接热影响区的范围，使得接头的性能降低。此后，刘黎明等又利用激光电弧复合焊对镁钢进行焊接，仍未能有效的解决镁钢界面金属氧化物的问题。由于熔焊焊接温度较高，而镁合金是一种很活泼的金属，熔点沸点都比较低，很容易发生氧化生成脆性相MgO，造成焊缝中出现夹杂。在高温下还易与N2反应生成氮化物，进一步降低焊接接头的性能。
M.Wahba用激光为热源焊接镁合金AZ31B/SP781镀锌钢。由于镁合金与钢之间较大的物理性质差异，其焊接过程很不稳定(飞溅，熔深比不稳定等)，特别是当激光光束穿透镁合金进入钢试样使钢侧形成类似锁孔的形貌时，其稳定性很差。檀财旺以镁焊丝为填充材料，对AZ31镁合金/DP980镀锌钢异种合金进行单、双光束激光熔钎焊试验研究。采用单、双光束进行填丝熔钎焊均可获得较满意的外观成形，但是剪切强度测试结果表明无论单、双光束对镁合金与钢进行焊接剪切强度均较低，并且指出焊趾处裂纹的存在是导致接头失效的主要原因。
传统钎焊方法焊接镁合金与钢时一般采用熔点较低的钎料，例如Al基钎料或Zn基钎料。通过加热保温，利用钎料熔化润湿铺展后与母材反生冶金反应获得钎焊接头，由于镁合金在焊接过程中易发生氧化，一般在焊接过程中需要使用钎剂，焊后需要进行清理，并且存在气孔、“大包围”和“小包围”等焊接缺陷，接头致密性差，难以实现高致密性连接。
Takahiro等人利用扩散焊对镁合金AZ31与不同的钢板(SPCC和GI两种型号)研究锌层与铝元素对镁钢异种金属扩散焊的影响。研究结果表明，SPCC钢与镁合金并没有实现有效连接，这是因为在焊接过程中镁合金发生了氧化，其表面生成了氧化层，阻碍了镁钢之间的接触扩散。另一方面，采用相同的焊接工艺成功实现GI钢与镁合金的结合。此外，通过EPMA分析发现镁钢界面处形成一层很薄且不连续的Fe-Al金属间化合物层，正是依靠这层Fe-Al化合物才使得这两种材料形成冶金结合。所以在扩散焊中严格控制氧含量是很有必要的。
Y.Abe和Watanabe等人利用搅拌摩擦焊实现镁钢异种金属的对接连接。研究了搅拌头的旋转速度与搅拌头的偏移量对镁钢异种金属接头的微观组织和力学性能的影响。研究发现随着搅拌头的旋转速度的增加，焊缝接触面处的镁的塑性变形量提高，从而使接头的力学性能得到提高到约为镁合金母材的70％左右。但拉伸断裂位置在镁钢的界面处,说明界面的结合强度不理想。S.JANA等人采用搅拌摩擦焊技术焊接镁合金与钢异种金属进行了研究，同样发现镀锌钢板上的Zn层与镁合金的发应生成的Zn-Mg合金层提高了镁/钢接头的力学性能。
综上所述，开发出一种新型的镁合金与钢连接方法显得尤为紧迫。接触反应扩散钎焊是一种在较低的温度下依靠母材之间或母材与中间层材料之间的冶金反应(共晶反应)产生液相来实现连接的工艺方法，它能够很好的避免传统钎焊工艺中液态钎料的宏观填缝所带来的“大包围”和“小包围”现象，并且由于整个焊接过程在真空钎焊炉中进行，无需使用钎剂，是一种绿色环保的连接方法。能够很好的适应复杂精密结构件以及大面积部件的连接。
发明内容
本发明的目的在于提出一种镁合金与钢的连接方法，采用接触反应扩散钎焊工艺，实现镁合金与钢的低温连接，并且无需使用钎剂的绿色环保连接方法。
镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于按以下步骤进行：
一、将镁合金六个表面打磨平整，去除其表面氧化膜，用微弧氧化的方法在镁合金表面制备微弧氧化层；
二、将微弧氧化后的镁合金待焊面打磨平整，露出镁合金金属光泽，采在镁合金待焊面制备厚度为10-50μm的纯铜涂层；
三、将预置了纯铜涂层的镁合金待焊面打磨平整获得不同的涂层厚度，在酒精溶剂中清洗，并干燥；
四、将钢待焊面打磨平整，露出金属光泽，置于丙酮溶剂中超声清洗去除油污，并干燥；
五、将预置了纯Cu层的镁合金与钢组合成对接钎焊结构后，在焊接卡具固定压紧，并置于扩散焊炉的真空室中，此外，在焊接卡具与镁合金和钢的接触面上预先涂敷阻焊剂；
六、施加0.0375～0.2MPa的焊接压力，待真空度低于5×10-3Pa后，以10℃/min的升温速度升温至450～480℃，保温10～40min，再升温至495～555℃，保温20～100min后，随炉冷却至150℃以下，取出焊接试样，完成钎焊。
进一步，所述的镁合金为AZ31B，钢为08F冷轧钢。
进一步，步骤三中将预置了纯Cu层的镁合金待焊面用1500#金相砂纸打磨，然后将待焊面用100％酒精溶剂中清洗，并干燥。
进一步，步骤三中将钢待焊面用800#金相砂纸打磨平整，露出金属光泽，置于丙酮溶剂中超声清洗5～10min，并干燥。
进一步，步骤六中真空扩散炉中的真空度为9×10-4～5×10-3Pa。
进一步，步骤六中真空扩散炉中的真空度为3×10-3Pa。
进一步，微弧氧化参数控制电压为410～430V，脉冲频率为400Hz，占空比为3％，微弧时间为4～8min；电解液为比例为3～6g/L硅酸钠，6～9g/L氟化钾，9～12g/L氢氧化钾，余量为去离子水。
本发明方法中步骤一所述的镁合金为AZ31B，钢为08F冷轧钢；制备镁合金微弧氧化层是为了阻止镁合金在高真空的环境下挥发。步骤二中所述的将微弧氧化的镁合金待焊面打磨至露出金属光泽，并在其表面预置的纯铜涂层是用冷喷涂的方法制备的，用冷喷涂的方法在镁合金待焊面制备纯铜涂层的目的在于防止前期表面处理过程中镁合金发生氧化，并且冷喷涂制备的纯铜涂层表面较为平整且与镁合金具有一定的结合强度，在焊接前期的装卡以及针对大面积焊接部件有很大的优势。步骤三中将预置了纯铜涂层的镁合金待焊面打磨目的是为了获得不同厚度的纯铜中间层。
本发明采用铜涂层作为接触反应扩散钎焊的中间层，其目的在于铜与镁合金能够在较低的温度(共晶温度)下发生共晶反应。在大约485℃时，镁、铜发生共晶反应，生成低熔点共晶液相Mg2Cu，温度进一步升高，镁合金内的Al元素也参与发应，与镁和铜生成Mg-Cu-Al三元化合物。此时镁钢异种金属焊接界面处是液态金属混合相，在一定的保温时间内，Cu和Al元素少量扩散至Fe侧，少量溶解的Fe也扩散至液态金属中，形成固溶相，这在一定程度上能强化钎焊接头的强度，最后，随着温度的降低，混合液态金属凝固形成钎焊接头。本发明中焊接温度及保温时间对钎焊接头影响最大，因此在本发明中将焊接温度设定在495～555℃(镁合金熔化温度为650℃左右)。由Mg-Cu二元相图(附图1)可知，温度过低(≤485℃)，镁铜异种金属间不发生反应，无法形成共晶液相因而无法形成钎焊接头；温度过高，由于镁合金对温度很敏感，不利于镁合金的连接。此外，温度过高容易造成镁合金及界面生成相的过烧现象，严重影响钎焊接头的性能。在焊接温度为530℃下，界面反应产物为块状Mg-Cu-Al三元相、Mg固溶体以及Mg2Cu共晶组织相，界面反应产物不随保温时间的变化而变化。本发明将保温时间设定在20～100分钟，保温时间过短，镁铜异种金属之间反应不完全，铜层在界面还有残留，无法形成良好的钎焊接头。增加保温时间，镁铜异种金属界面反应完全，界面块状Mg-Cu-Al三元相最初在镁合金AZ31B侧产生，尺寸较小，随着保温时间的增加，块状三元相尺寸变大，逐渐的向08F钢侧迁移；Mg2Cu共晶组织在镁钢两侧均有产生，随着保温时间的增加，在08F钢侧的Mg2Cu共晶组织逐渐消失，而镁侧的共晶组织基本上不发生变化。综上所述，本发明方法连接过程中焊接温度低、母材变形小、绿色环保、焊后精度高，适用于高精度构建的连接。本发明可实现对大面积部件表面处理，并且能很好的避免镁合金的氧化，进而降低在后续焊接过程焊缝中氧含量，有效的提高焊接接头的抗剪切强度。
附图说明
图1：Mg-Cu二元相图；
图2：装卡示意图；
图3：本发明中镁合金与钢的接触反应扩散钎焊工艺示意图；
图4：用冷喷涂在镁合金AZ31B表面预置的纯铜涂层；
图5：焊接温度530℃，加载压力0.0375MPa，纯铜涂层厚度50μm，保温时间60min下AZ31B/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头微观组织图。
具体实施方式
具体实施方式
实施例一：
1)将AZ31B镁合金与08F钢分别切成30×10×3mm的长方形条状，在距离镁合金一端末端2～3mm处钻一个Φ2.5mm的小孔(制备镁合金微弧氧化层)，将镁合金外表面用800#砂纸打磨至表面平整有金属光泽后，放入丙酮溶剂中超声清洗10min，擦拭晾干；
2)将08F钢用800#砂纸打磨至表面平整有金属光泽后，放入丙酮溶剂中超声清洗10min，擦拭晾干；
3)用微弧氧化的方法在打磨好的镁合金六个表面制备出微弧氧化层，具体微弧氧化参数(控制电压为415V，脉冲频率为400Hz，占空比为3％，微弧时间为5min；配置的电解液为15L，其具体比例为4g/L硅酸钠，8g/L氟化钾，10g/L氢氧化钾，余量为去离子水。
4)将获得微弧氧化层的镁合金的一个30×10mm表面用800#砂纸打磨光亮进行后一阶段的纯铜涂层制备；
5)用冷喷涂的方法在镁合金AZ31B表面制备纯铜涂层，且涂层厚度为50μm。
6)将预置了纯Cu层的镁合金与钢组合成对接钎焊结构后，用卡具固定压紧(如附图1所示)，并置于真空扩散炉真空室中，在焊接卡具与AZ31B镁合金和08F钢的接触面预先涂敷阻焊剂；
7)关闭真空室门，施加焊接压力为0.0375MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa以下后以10℃/min的升温速度升温至450℃，保温10min，再升温至530℃后，保温20min，之后随炉冷却至150℃以下，焊接完成。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为11.6MPa。
实施例二：
本实施例与实施例一不同的是步骤7中当升温至530℃后，保温40min。其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为20.3MPa。
实施例三：
本实施例与实施例一不同的是步骤7中当升温至530℃后，保温60min。其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为39.6MPa。
实施例四：
本实施例与实施例一不同的是步骤7中当升温至530℃后，保温80min。其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为34.3MPa。
实施例五：
本实施例与实施例一不同的是步骤7中当升温至530℃后，保温100min。其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为29.6MPa。
实施例六：
本实施例与实施例一不同的是步骤7中施加焊接压力为0.2MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至480℃，保温30min，再升温至495℃后，保温20min，其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为12.5MPa。
实施例六：
本实施例与实施例一不同的是步骤5中铜涂层的厚度用1500#砂纸打磨至10μm；步骤7中施加焊接压力为0.05MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至450℃，保温10min，再升温至495℃，保温15min，其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为12.5MPa。
实施例七：
本实施例与实施例一不同的是步骤5中铜涂层的厚度用1500#砂纸打磨至20μm；步骤7中施加焊接压力为0.1MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至460℃，保温20min，再升温至495℃，保温40min，其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为23.5MPa。
实施例八：
本实施例与实施例一不同的是步骤5中铜涂层的厚度用1500#砂纸打磨至30μm；步骤7中施加焊接压力为0.15MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至470℃，保温25min，再升温至495℃，保温60min，其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为16.0MPa。
实施例九：
本实施例与实施例一不同的是步骤5中铜涂层的厚度用1500#砂纸打磨至40μm；步骤7中施加焊接压力为0.2MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至480℃，保温30min，再升温至495℃，保温80min，其它与实施例一相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为20.5MPa。
具体实施方式十：
本实施例与实施例六不同的是步骤7中施加焊接压力为0.1MPa，待真空度达到3.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至460℃，保温20min，再升温至515℃，保温60min，其它与实施例六相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为18.7MPa。
实施例十一：
本实施方式与实施例七不同的是步骤7中施加焊接压力为0.05MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至450℃，保温15min，再升温至515℃，保温80min，其它与实施例七相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为32.0MPa。
实施例十二：
本实施例与实施例八不同的是步骤7中施加焊接压力为0.2MPa，待真空度达到1.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至480℃，保温30min，再升温至515℃，保温20min，其它与实施例八相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为16.5MPa。
实施例十三：
本实施例与实施例九不同的是步骤7中施加焊接压力为0.05MPa，待真空度达到5.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至450℃，保温15min，再升温至515℃，保温40min，其它与实施例九相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为24.6MPa。
实施例十四：
本实施例与实施例六不同的是步骤7中施加焊接压力为0.15MPa，待真空度达到3.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至470℃，保温25min，再升温至535℃，保温80min，其它与实施例六相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为15.7MPa。
实施例十五：
本实施例与实施例七不同的是步骤7中施加焊接压力为0.2MPa，待真空度达到3.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至480℃，保温30min，再升温至535℃，保温80min，其它与实施例七相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为26.3MPa。
实施例十六：
本实施例与实施例八不同的是步骤7中施加焊接压力为0.05MPa，待真空度达到9.0×10-4Pa后以10℃/min的升温速度升温至450℃，保温15min，再升温至535℃，保温40min，其它与实施例八相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为29.8MPa。
实施例十七：
本实施例与实施例九不同的是步骤7中施加焊接压力为0.10MPa，待真空度达到9.0×10-4Pa后以10℃/min的升温速度升温至460℃，保温20min，再升温至535℃，保温20min，其它与实施例九相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为36.1MPa。
实施例十八：
本实施例与实施例六不同的是步骤7中施加焊接压力为0.2MPa，待真空度达到2.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至480℃，保温30min，再升温至555℃，保温40min，其它与实施例六相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为20.8MPa。
实施例十九：
本实施例与实施例七不同的是步骤7中施加焊接压力为0.15MPa，待真空度达到3.0×10-3Pa后以10℃/min的升温速度升温至470℃，保温25min，再升温至555℃，保温20min，其它与实施例七相同。
获得AZ31B镁合金/Cu/08F钢接触反应扩散钎焊接头，剪切强度最高为33.8MPa。

Claims (7)

1.镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于按以下步骤进行：
一、将镁合金六个表面打磨平整，去除其表面氧化膜，用微弧氧化的方法在镁合金表面制备微弧氧化层；
二、将微弧氧化后的镁合金待焊面打磨平整，露出镁合金金属光泽，在镁合金待焊面制备厚度为10-50μm的纯铜涂层；
三、将预置了纯铜涂层的镁合金待焊面打磨平整获得不同的涂层厚度，在酒精溶剂中清洗，并干燥；
四、将钢待焊面打磨平整，露出金属光泽，置于丙酮溶剂中超声清洗去除油污，并干燥；
五、将预置了纯Cu层的镁合金与钢组合成对接钎焊结构后，在焊接卡具固定压紧，并置于扩散焊炉的真空室中，此外，在焊接卡具与镁合金和钢的接触面上预先涂敷阻焊剂；
六、施加0.0375～0.2MPa的焊接压力，待真空度低于5×10-3Pa后，以10℃/min的升温速度升温至450～480℃，保温10～40min，再升温至495～555℃，保温20～100min后，随炉冷却至150℃以下，取出焊接试样，完成钎焊。
2.根据权利要求1所述的镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于所述的镁合金为AZ31B，钢为08F冷轧钢。
3.根据权利要求1所述的镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于步骤三中将预置了纯Cu层的镁合金待焊面用1500#金相砂纸打磨，然后将待焊面用100％酒精溶剂中清洗，并干燥。
4.根据权利要求1所述的镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于步骤三中将钢待焊面用800#金相砂纸打磨平整，露出金属光泽，置于丙酮溶剂中超声清洗5～10min，并干燥。
5.根据权利要求1所述的镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于步骤六中真空扩散炉中的真空度为9×10-4～5×10-3Pa。
6.根据权利要求1所述的镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于步骤六中真空扩散炉中的真空度为3×10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法，其特征在于：微弧氧化参数控制电压为410～430V，脉冲频率为400Hz，占空比为3％，微弧时间为4～8min；配置的电解液为15L，其具体比例为4g/L硅酸钠，8g/L氟化钾，10g/L氢氧化钾，余量为去离子水。
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