CN110014271B - 一种基于微弧氧化的合金室温连接方法 - Google Patents

一种基于微弧氧化的合金室温连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于微弧氧化的合金室温连接方法。该方法包括如下步骤：将两块合金待焊面进行抛光，组装形成待焊接头，两个待焊面的间隙为30～100μm；然后将组装好的接头浸入电解液中，两块合金并联接正极、碳棒接负极，正负极之间间距为10mm～50mm，进行微弧氧化，使两个待焊面分别向中心开始生长氧化膜，直至两侧氧化膜生长相遇形成接头。本发明可以在室温下对各种铝合金进行连接，不仅能够解决焊接热循环带来的母材软化问题，而且解决了低温钎焊接头强度低的不足。

Description

一种基于微弧氧化的合金室温连接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种基于微弧氧化的铝合金室温连接方法。
背景技术
铝合金密度小、比强度高、导电导热性能好，通过添加合金元素并进行热处理可以显著提高合金力学性能。在结构件上使用Al代替钢能够减轻重量、降低能耗，在电气电子领域使用Al代替Cu，能够显著降低成本。因此铝及其合金现在已经广泛应用在汽车、航天航空、精密仪器和电子器件等领域。
在铝合金应用的这些领域，都需要对铝合金进行连接。然而，对于形变强化和热处理强化的铝合金，焊接热过程在不同程度上都会对母材的力学性能产生影响。这主要是由于铝合金在受到焊接热循环会发生几种软化：1)对于非晶铝合金，高于玻璃化温度焊接时，铝合金会由于发生晶化而导致软化，而非晶铝合金的玻璃化温度一般在300℃以下；2)对于形变强化和细晶强化的铝合金，焊接温度高于再结晶温度时，会发生再结晶导致的软化，而纯Al的再结晶温度仅为150℃；3)对于热处理强化的铝合金，高于强化相重熔温度，会发生强化相重熔导致的软化。
因此，为了减少由于焊接热循环导致的铝合金软化，需要尽可能的降低焊接温度。因此目前铝合金焊接的发展方向是如何降低焊接温度，主要的解决办法是低温钎焊。
牛志伟等人(牛志伟,黄继华,刘凯凯,等.Al-Si-Ge-Zn钎料钎焊6061铝合金接头组织与性能分析[J].焊接学报,2017,38(9):97-101.)在钎焊6061铝合金时，采用新型Al-Si-Ge-Zn钎料将钎焊温度控制在了570℃。哈尔滨工业大学陈伟等(陈伟.Sn-Zn钎料超声钎焊铝合金工艺及接头强化机制研究[D].哈尔滨工业大学,2009.)设计使用Sn-xZn钎料，在超声辅助作用下钎焊了2A12铝合金，将铝合金连接温度降到300℃。马鑫等人(马鑫,李宝才,钱乙余.铝的无铅软钎焊试验研究[J].焊接,2008(03):47-54.)在Sn-0.7Cu钎料中加入1.5～2.5％(质量分数)的Ag，使用HAS500钎剂成功在260℃下钎焊了1060铝，得到了强度较高的钎焊接头。冯正林(冯正林.1060铝软钎焊用Sn基钎料合金的研究[D].华南理工大学,2018.)以Sn-0.1Al为钎料钎焊了1060铝，同样通过使用钎剂去除铝表面氧化膜，使钎焊温度降到231.85℃。
因此，据目前来看，铝合金低温连接使用的低温钎料主要是Sn基钎料，但是Sn与Al的结合性差，接头强度低，加入Zn、Al后强度可以提高，但是钎焊温度至少高于230℃。仍然远高于纯Al的再结晶温度，经历焊接热循环后铝合金仍然会发生比较严重的软化。
针对铝合金的微弧氧化技术，沈雁等人(沈雁,刘桂香,谢荣.电参数对2A12铝合金微弧氧化膜组织结构的影响[J].现代制造工程,2019(02):65-69)采用微弧氧化技术在2A12铝合金表面制备了致密、平整的氧化膜。徐兵等人(徐兵,宋仁国.7075铝合金基体粗糙度对微弧氧化陶瓷膜层表面质量的影响[J].金属热处理,2019,44(03):37-41)在恒压下采用固定的氧化工艺对不同表面粗糙度的7075铝合金进行微弧氧化处理，得到不同致密度的氧化膜。专利号CN201810332372的发明通过向常用微弧氧化电解液中加入纳米二氧化钛的方式使所制备的氧化膜更加致密。但是，由于当前微弧氧化技术对操作条件要求严格，仅在用于金属表面生成氧化膜来起到改善金属表面性质方面进行了研究，还未应用于金属连接领域。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提出一种基于微弧氧化的合金室温连接方法。该方法首先将两块铝合金待焊面进行抛光，组装形成接头。将组装好的接头浸入电解液中，进行微弧氧化，氧化膜分别从两侧待焊面生长，直至生长相遇形成Al/Al2O3/Al的接头。本发明可以在室温下对各种铝合金进行连接，不仅能够解决焊接热循环带来的母材软化问题，而且解决了低温钎焊接头强度低的不足。
本发明采取的方案为：
一种基于微弧氧化的合金室温连接方法，该方法包括以下步骤：
将两块合金待焊面进行抛光，组装形成待焊接头，两个待焊面的间隙为30～100μm；然后将组装好的接头浸入电解液中，两块合金并联接正极、碳棒接负极，正负极之间间距为10mm～50mm，进行微弧氧化，使两个待焊面分别向中心开始生长氧化膜，直至两侧氧化膜生长相遇形成接头；
其中，电解槽中加入电解液，电解液的溶质为强碱和主成膜剂，溶剂为水；电解液的pH值为9～13；电解液中，强碱的浓度为4～5g/L；主成膜剂的浓度为4～14g/L；
所述的强碱为NaOH或KOH；主成膜剂硅酸盐、铝酸盐或磷酸盐中的一种或多种；优选为Na2SiO3或Na(PO3)6；
所述的氧化为恒电流模式，电流密度为10～50A/dm2，微弧氧化处理时间为10～60min。
所述的合金为铝合金、镁合金或钛合金。
所述的氧化温度为10℃～35℃。
所述的两块合金的成分相同或不同。
本发明的实质性特点为：
当前技术中，铝合金连接工艺属于金属焊接研究领域,一般的铝合金连接方法有钎焊、弧焊等，其工艺温度皆高于纯铝的再结晶温度，使之造成母材的软化，进而影响母材的性能。
本发明首次将材料表面改性中的微弧氧化法，应用于金属连接领域，使其在室温下对各种铝合金进行连接，不仅能够解决焊接热循环带来的母材软化问题，而且解决了低温钎焊接头强度低的不足，结构强度可达23.76MPa。
本发明的有益效果为：
1)连接过程不需要加热，室温下即可进行，可以避免焊接热过程对母材力学性能的影响；
2)连接过程不需要去除铝合金表面氧化膜；
3)可以适应各个牌号铝合金的连接；
4)微弧氧化膜与铝母材的界面结合强度高；
5)微弧氧化膜生长速率快，可以进行大面积焊接，连接效率高。
附图说明
图1为基于微弧氧化的铝合金室温连接示意图
图2为接头形成机理示意图，其中，图2a为5min氧化膜生长状态；图2b为20min氧化膜生长状态；图2c为35min氧化膜生长状态；
图3为实施例2中得到的铝合金表面微弧氧化层形貌。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：本实施方式中采用微弧氧化的方式将同种金属6061铝合金进行了连接，所采用的电解液为NaOH溶液，所用的主要成膜剂为Na2SiO3。
本实施方式中，使用微弧氧化方式连接6061铝合金是按照下述步骤进行的：
步骤一、将待连接6061铝合金的表面进行清理，去除表面的油污杂质，将表面进行打磨抛光，将两金属之间的间隙设置为100μm，试件组装及装置示意图如图1所示。
步骤二、根据所需要求配置电解液，电解液的溶质为5g/L的NaOH、12g/L的Na2SiO3，溶剂为水，其中Na2SiO3为主成膜剂。
步骤三、组装接头时两块铝合金接正极，碳棒接负极，正负极之间的距离为20mm，将组装好的接头浸入电解液中进行微弧氧化，具体参数：电流密度为15A/dm2，微弧氧化处理时间为50min，。两侧铝合金表面将同时生成氧化膜，当两侧氧化膜生长总厚度达到100μm后，两侧铝合金将形成连接，氧化膜生长过程示意图如2所示，其机理是微弧氧化所产生的氧化膜表面参差不齐，两侧氧化膜相遇时相互交叉生长，也就增加了其接头的剪切强度。随后对连接接头在电子万能试验机(AGS-XD50kN)上进行拉剪力学试验，拉剪速度为0.5mm/min；为了确保剪切试验准确性，每组至少选取3个试样进行测试。力学性能试验按国家标准GB/T11363-2008《钎焊接头试验方法》进行。最终得到连接接头的拉剪强度为23.76MPa。
实施例2：本实施方式中采用微弧氧化的方式将异种铝合金(6061铝合金和5083铝合金)进行了连接，所采用的电解液为KOH溶液，所用的主要成膜剂为NaAlO2。
本实施方式中，使用微弧氧化方式连接6061铝合金和5083铝合金是按照下述步骤进行的：
步骤一、将待连接6061铝合金和5083铝合金的表面进行清理，去除表面的油污杂质，将表面进行打磨抛光，将两金属之间的间隙设置为50μm，试件组装示意图如图1所示。
步骤二、根据所需要求配置电解液，以电解液的溶质为4g/L的KOH、12g/L的NaAlO2,溶剂为水。其中NaAlO2为主要成膜剂。
步骤三、组装接头时铝合金接正极，碳棒接负极，正负极之间的距离为20mm，将组装好的接头浸入电解液中进行微弧氧化，具体参数：电流密度为30A/dm2，微弧氧化处理时间为30min。氧化膜生长过程示意图如2所示。当两侧铝合金表面的氧化膜生长总厚度达到50μm后，异种铝合金形成连接，连接接头形貌如图3所示，随后对连接接头在电子万能试验机(AGS-XD50kN)上进行拉剪力学试验，拉剪速度为0.5mm/min；为了确保剪切试验准确性，每组至少选取3个试样进行测试。力学性能试验按国家标准GB/T11363-2008《钎焊接头试验方法》进行。最终得到连接接头的拉剪强度为20.26MPa。
实施例3：本实施方式中采用微弧氧化的方式将同种镁合金AZ91(其化学成分为：8.56％Al、0.82％Mn、0.41％Zn，余量为Mg)进行了连接，所采用的电解液为NaOH溶液，所用的主要成膜剂为Na2SiO3。
本实施方式中，使用微弧氧化方式连接同种镁合金AZ91是按照下述步骤进行的：
步骤一、将待连接镁合金的表面进行清理，去除表面的油污杂质，将表面进行打磨抛光，将两金属之间的间隙设置为80μm，试件组装示意图如图1所示。
步骤二、根据所需要求配置电解液，电解液的溶质为5g/L的NaOH、12g/L的Na2SiO3，溶剂为水，其实Na2SiO3为主成膜剂。
步骤三、组装接头时镁合金接正极，碳棒接负极，正负极之间的距离为10mm，将组装好的接头浸入电解液中进行微弧氧化，具体参数：电流密度为50A/dm2，微弧氧化处理时间为10min。当两侧镁合金表面的氧化膜总厚度达到80μm后，使两侧镁合金形成连接，氧化膜生长过程示意图如2所示。随后对连接接头在电子万能试验机(AGS-XD50kN)上进行拉剪力学试验，拉剪速度为0.5mm/min；为了确保剪切试验准确性，每组至少选取3个试样进行测试。力学性能试验按国家标准GB/T11363-2008《钎焊接头试验方法》进行。最终得到连接接头的拉剪强度为21.23MPa。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种基于微弧氧化的合金室温连接方法，其特征为该方法包括如下步骤：
将两块合金待焊面进行抛光，组装形成待焊接头，两个待焊面的间隙为30~100μm；然后将组装好的接头浸入电解液中，两块合金并联接正极、碳棒接负极，正负极之间间距为10mm~50mm，进行微弧氧化，使两个待焊面分别向中心开始生长氧化膜，直至两侧氧化膜生长相遇形成接头；
其中，电解槽中加入电解液，电解液的溶质为强碱和主成膜剂，溶剂为水；电解液的pH值为9~13；电解液中，强碱的浓度为4~5g/L；主成膜剂的浓度为4~14g/L；
所述的强碱为NaOH或KOH；主成膜剂硅酸盐、铝酸盐或磷酸盐中的一种或多种；
所述的氧化为恒电流模式，电流密度为10~50A/dm2，微弧氧化处理时间为10~60min；
所述的合金为铝合金、镁合金或钛合金。
2.如权利要求1所述的基于微弧氧化的合金室温连接方法，其特征为所述的氧化温度为10℃~35℃。
3.如权利要求1所述的基于微弧氧化的合金室温连接方法，其特征为所述的两块合金的成分相同或不同。
4.如权利要求1所述的基于微弧氧化的合金室温连接方法，其特征为所述的主成膜剂为Na2SiO3 。
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