專利名稱：含復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金與鋁合金連接領(lǐng)域，具體涉及一種鎂合金與鋁合金高強(qiáng)焊接的方法。
背景技術(shù)：
鋁合金一直是國防工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一。因鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能好等特點(diǎn)，可制成各種截面的型材、管材、板材等，所以，鋁合金是構(gòu)件輕量化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鋁合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機(jī)的蒙皮、隔框和長梁等；在航天工業(yè)中，鋁合金是運(yùn)載火箭和宇宙飛行器的重要構(gòu)件材料。作為一種迅速崛起的新型綠色工程結(jié)構(gòu)材料，Mg合金在航空航天、國防、汽車工業(yè)、電子通訊等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。而鎂合金的發(fā)展及應(yīng)用離不開連接問題，良好的連接是簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低產(chǎn)品成本的有效措施之一，因此連接技術(shù)的發(fā)展將直接影響Mg合金的廣泛應(yīng)用。目前在各種輕金屬工程結(jié)構(gòu)中Al仍占據(jù)主導(dǎo)地位，而如果將Mg與Al結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)Mg/Al異種金屬結(jié)構(gòu)的焊接，獲得界面牢固的焊接接頭，充分發(fā)揮鎂、鋁各自的性能優(yōu)勢，將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金和鋁合金作為結(jié)構(gòu)件在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。如果實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金異種金屬的焊接并形成可靠的焊接結(jié)構(gòu)件，不僅能充分發(fā)揮鎂合金、鋁合金各自的優(yōu)異性能，還能夠大大拓展其在高科技領(lǐng)域的使用。然而鎂鋁異種金屬因其物理化學(xué)性質(zhì)的差異利用一般的焊接方法要實(shí)現(xiàn)其可靠連接十分困難，兩種金屬直接焊接主要存在的問題是(I)鎂具有較大的熱脆性，且活性很高，容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)在表面形成一層惰性氧化物膜，氧化物膜的存在不利于母材原子的相互擴(kuò)散；
(2)鎂與鋁易相互反應(yīng)，焊接接頭界面區(qū)域生成大量高硬度脆性金屬間化合物并出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度不高。目前，在焊接母材之間添加中間層是一種解決鎂鋁擴(kuò)散焊接接頭非常有效的方法。研究表明，通過添加單一 Zn、Ag等作為中間層焊接可以實(shí)現(xiàn)Mg-Al異種金屬焊接，但通過設(shè)計(jì)復(fù)合中間層的擴(kuò)散焊接方法焊接Mg-Al異種金屬尚未報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種含復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散接方法，該方法通過采用鋁薄膜和鎳箔作為復(fù)合中間層，并且利用真空擴(kuò)散焊接工藝在低溫下實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的高強(qiáng)焊接。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案
本發(fā)明提供的是一種含復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，其利用磁控濺射技術(shù)在鎂合金待焊面沉積鋁薄膜層，同時(shí)添加鎳箔作為復(fù)合中間層，利用真空擴(kuò)散焊接工藝在較低溫度下實(shí)現(xiàn)了鎂合金與鋁合金異種材料的高強(qiáng)焊接，具體包括以下步驟
(I)待焊面的清洗
對鎂合金、鎳箔、鋁合金待焊面進(jìn)行機(jī)械拋光，用無水乙醇或丙酮進(jìn)行超聲清洗后轉(zhuǎn)入無水乙醇或丙酮中存放；
(2)鎂合金待焊面的磁控濺射鍍Al薄膜處理
利用磁控濺射技術(shù)對清洗后的鎂合金表面沉積鋁薄膜，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
(3)鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
利用真空擴(kuò)散焊接工藝對鎂合金與鋁合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接，其方法是將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次疊放形成工件，隨后置入真空擴(kuò)散焊接爐，當(dāng)真空度優(yōu)于6 X KT3Pa時(shí)，開始加熱；擴(kuò)散焊接工藝為焊接溫度40(T460°C，保溫時(shí)間l(Tl20min，焊接壓力 O. I 3MPa ；
經(jīng)過上述步驟，實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的擴(kuò)散焊接，得到Mg/Al薄膜/Ni箔/Al的焊接件。所述磁控濺射技術(shù)所采用的靶材可以為純度99. 99%的鋁靶，其工藝參數(shù)可以為基片溫度為(T300°C，濺射功率為5(Tl00W，氬氣氣壓為O. 5 I. 5Pa，沉積時(shí)間為l(T30min。所述鎂合金可以為AZ31B或MB2鎂合金，或由純鎂替換。所述鋁合金可以為LY12或6061鋁合金，或由純鋁替換。所述的鎳箔厚度可以為l(Tl00Mm，純度為99. 9%。本發(fā)明提供的鎂合金與鋁合金的擴(kuò)散焊接方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要優(yōu)點(diǎn)
其一.在低溫下實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的高強(qiáng)焊接
在低溫下實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的高強(qiáng)焊接是通過采用鋁薄膜和鎳箔作為復(fù)合中間層實(shí)現(xiàn)的，其中，鋁薄膜采用磁控濺射技術(shù)沉積在母材鎂合金待焊面，鋁薄膜的加入能改善Mg合金待焊面抗氧化能力，改變了鎂/鋁連接界面物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，同時(shí)鋁薄膜和鎳箔復(fù)合中間層的添加阻礙了鎂鋁原子的直接相互擴(kuò)散，阻止了高硬度脆性鎂鋁系金屬間化合物的生成，提高了 Mg-Al的焊接強(qiáng)度，其剪切強(qiáng)度達(dá)到26MPa。其二 .可以實(shí)現(xiàn)多種鎂合金和鋁合金的高強(qiáng)度焊接。其三.工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、利于推廣，并能為其他異種金屬連接提供中間層設(shè)計(jì) 思路。


圖I是本發(fā)明的工藝流程圖。圖2是本發(fā)明在磁控濺射工藝基片溫度300°C，濺射功率50W，氬氣氣壓I. 5Pa，沉積時(shí)間IOmin在Mg表面沉積的Al薄膜物相分析圖。圖3是本發(fā)明在磁控濺射工藝基片溫度0°C，濺射功率100W，氬氣氣壓O. 5Pa，沉積時(shí)間30min,在Mg表面沉積的Al薄膜顯微結(jié)構(gòu)圖。圖4是在連接溫度440°C，保溫時(shí)間30min，連接壓力3MPa下制備的鎂鋁擴(kuò)散焊接界面顯微結(jié)構(gòu)圖。圖5是圖4所示界面元素線掃描圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的含復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接的方法，選用磁控濺射鍍膜技術(shù)在焊接母材鎂合金待焊面沉積鋁薄膜層，和鎳箔一起作為復(fù)合中間層，利用真空擴(kuò)散焊接實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金高強(qiáng)焊接目的。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但并不局限于下面所述實(shí)施例。實(shí)施例I :
對鎂合金、鋁合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，其中鎂合金待焊件為直徑Φ25X5mm Mgl純鎂，鋁合金待焊件為直徑Φ25Χ5πιπι1060Α純鋁，鎳箔厚度10Mm，鋁薄膜厚度I. 5Mm。具體步驟如下
I.待焊面的清洗 用超精密平面磨床將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，焊前用1000#、1200#砂紙和05、06號金相砂紙打磨圓薄片的待焊面，進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮溶液超聲清洗lOmin，轉(zhuǎn)入丙酮溶液中存放。2.鎂合金待焊面磁控濺射鍍Al薄膜處理
將上述處理后的鎂合金待焊面采用磁控濺射沉積Al薄膜層。磁控濺射Al薄膜工藝為基片溫度300°C，濺射功率50W，氬氣氣壓I. 5Pa，沉積時(shí)間lOmin，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；如圖2所示為Mg表面沉積的Al薄膜物相分析圖。3.鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次裝入WC硬質(zhì)合金模具(簡稱模具)中；將裝配好的模具放入真空擴(kuò)散焊接爐進(jìn)行擴(kuò)散連接，擴(kuò)散焊接工藝條件為焊接溫度440°C，保溫時(shí)間30min，焊接壓力3MPa。得到的連接體結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到26MPa。擴(kuò)散焊接界面顯微結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，界面元素線掃描圖如圖5所示。實(shí)施例2
對鎂合金、鋁合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，其中鎂合金待焊件為直徑Φ25Χ5πιπι ΜΒ2鎂合金，鋁合金待焊件為直徑Φ25Χ5πιπι2Α12鋁合金，鎳箔中間層厚度lOOMm，鋁薄膜厚度2Mm。具體步驟如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，焊前用1000#、1200#砂紙和05、06號金相砂紙打磨圓薄片的待焊面，進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮溶液超聲清洗lOmin，轉(zhuǎn)入丙酮溶液中存放。2.鎂合金待焊面磁控濺射鍍Al薄膜處理
將上述處理后的鎂合金待焊面采用磁控濺射沉積Al薄膜層。磁控濺射Al薄膜工藝為基片溫度(TC，濺射功率100W，氬氣氣壓O. 5Pa，沉積時(shí)間30min，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；如圖3所示為在Mg表面沉積的Al薄膜顯微結(jié)構(gòu)圖。3.鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次裝入WC硬質(zhì)合金模具(簡稱模具)中；將裝配好的模具放入真空擴(kuò)散焊接爐進(jìn)行擴(kuò)散連接，擴(kuò)散焊接工藝條件為焊接溫度400°C，保溫時(shí)間120min，焊接壓力O. IMPa0得到的連接體結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到15MPa。實(shí)施例3 對鎂合金、鋁合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，其中鎂合金待焊件為直徑Φ25Χ5πιπι ΑΖ31Β鎂合金，鋁合金待焊件為直徑Φ25X5mm 6061鋁合金，鎳箔中間層厚度30Mm，鋁薄膜厚度
1.8Mm。具體步驟如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，焊前用1000#、1200#砂紙和05、06號金相砂紙打磨圓薄片的待焊面，進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮溶液超聲清洗lOmin，轉(zhuǎn)入丙酮溶液中存放。2.鎂合金待焊面磁控濺射鍍Al薄膜處理
將上述處理后的鎂合金待焊面采用磁控濺射沉積Al薄膜層。磁控濺射Al薄膜工藝為 基片溫度200°C，濺射功率75W，氬氣氣壓I. OPa，沉積時(shí)間20min，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次裝入WC硬質(zhì)合金模具(簡稱模具)中；將裝配好的模具放入真空擴(kuò)散焊接爐進(jìn)行擴(kuò)散連接，擴(kuò)散焊接工藝條件為焊接溫度460°C，保溫時(shí)間lOmin，焊接壓力IMPa。得到的連接體結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到20MPa。實(shí)施例4
對鎂合金、鋁合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，其中鎂合金待焊件為直徑Φ25X5mm Mgl純鎂，鋁合金待焊件為直徑Φ25Χ5·ι 2Α12鋁合金，鎳箔中間層厚度50Mm，鋁薄膜厚度
2.2Mm。具體步驟如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，焊前用1000#、1200#砂紙和05、06號金相砂紙打磨圓薄片的待焊面，進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮溶液超聲清洗lOmin，轉(zhuǎn)入丙酮溶液中存放。2.鎂合金待焊面磁控濺射鍍Al薄膜處理
將上述處理后的鎂合金待焊面采用磁控濺射沉積Al薄膜層。磁控濺射Al薄膜工藝為基片溫度150°C，濺射功率100W，氬氣氣壓I. OPa，沉積時(shí)間30min，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次裝入WC硬質(zhì)合金模具(簡稱模具)中；將裝配好的模具放入真空擴(kuò)散焊接爐進(jìn)行擴(kuò)散連接，擴(kuò)散焊接工藝條件為焊接溫度420°C，保溫時(shí)間15min，焊接壓力2MPa。得到的連接體結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到18MPa。實(shí)施例5
對鎂合金、鋁合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，其中鎂合金待焊件為直徑Φ25X5mm Mgl純鎂，鋁合金待焊件為直徑Φ 25 X 5mm2A12鋁合金，鎳箔中間層厚度80Mm，鋁薄膜厚度2. OMm。具體步驟如下I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，焊前用1000#、1200#砂紙和05、06號金相砂紙打磨圓薄片的待焊面，進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮溶液超聲清洗lOmin，轉(zhuǎn)入丙酮溶液中存放。2.鎂合金待焊面磁控濺射鍍Al薄膜處理
將上述處理后的鎂合金待焊面采用磁控濺射沉積Al薄膜層。磁控濺射Al薄膜工藝為基片溫度100°C，濺射功率25W，氬氣氣壓I. OPa，沉積時(shí)間30min，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次裝入WC硬質(zhì)合金模具(簡稱模具)中；將裝配好的模具放入真空擴(kuò)散焊接爐進(jìn)行擴(kuò)散連接，擴(kuò)散焊接工藝條件為焊接溫度410°C， 保溫時(shí)間lOOmin，焊接壓力0.5MPa。得到的連接體結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到17MPa。實(shí)施例5
對鎂合金、鋁合金進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接，其中鎂合金待焊件為直徑Φ25Χ5πιπι Mgl純鎂，鋁合金待焊件為直徑Φ25Χ5πιπι2Α12鋁合金，鎳箔中間層厚度80Mm，鋁薄膜厚度I. 8Mm。具體步驟如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，焊前用1000#、1200#砂紙和05、06號金相砂紙打磨圓薄片的待焊面，進(jìn)行機(jī)械拋光，用丙酮溶液超聲清洗lOmin，轉(zhuǎn)入丙酮溶液中存放。2.鎂合金待焊面磁控濺射鍍Al薄膜處理
將上述處理后的鎂合金待焊面采用磁控濺射沉積Al薄膜層。磁控濺射Al薄膜工藝為基片溫度150°C，濺射功率50W，氬氣氣壓O. 8Pa，沉積時(shí)間25min，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接
將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次裝入WC硬質(zhì)合金模具(簡稱模具)中；將裝配好的模具放入真空擴(kuò)散焊接爐進(jìn)行擴(kuò)散連接，擴(kuò)散焊接工藝條件為焊接溫度430°C，保溫時(shí)間45min，焊接壓力2MPa。得到的連接體結(jié)合緊密，平行性好，平面精度高，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到19MPa。
權(quán)利要求
1.ー種鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，其特征是一種含復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，該方法是添加鋁薄膜和鎳箔作為復(fù)合中間層，利用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金異種金屬材料的高強(qiáng)焊接，具體包括以下步驟 (1)待焊面的清洗 對鎂合金、鎳箔、鋁合金待焊面進(jìn)行機(jī)械拋光，用無水こ醇或丙酮進(jìn)行超聲清洗后轉(zhuǎn)入無水こ醇或丙酮中存放； (2)鎂合金待焊面的磁控濺射鍍Al薄膜處理 利用磁控濺射對清洗后的鎂合金表面沉積鋁薄膜，形成鎂合金待焊面含Al薄膜的待焊件； (3)鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接 利用真空擴(kuò)散焊接エ藝對鎂合金與鋁合金進(jìn)行擴(kuò)散焊接，其方法是將表面含Al薄膜的鎂合金、鎳箔、鋁合金依次疊放形成エ件，隨后置入真空擴(kuò)散焊接爐，當(dāng)真空度優(yōu)于6 X KT3Pa時(shí)，開始加熱；擴(kuò)散焊接エ藝為焊接溫度40(T460°C，保溫時(shí)間l(Tl20min，焊接壓力 O. I 3MPa ； 經(jīng)過上述步驟，實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的擴(kuò)散焊接，得到Mg/Al薄膜/Ni箔/Al的焊接件。
2.如權(quán)利要求I所述的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，其特征是所述磁控濺射過程所采用的靶材為純度99. 99%的鋁靶，其エ藝參數(shù)為基片溫度為(T300°C，濺射功率為50 100W，氬氣氣壓為O. 5 I. 5Pa，沉積時(shí)間為l(T30min。
3.如權(quán)利要求I所述的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，其特征是所述鎂合金為AZ31B或MB2鎂合金，或由純鎂替換。
4.如權(quán)利要求I所述的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，其特征是所述鋁合金為LY12或6061鋁合金，或由純鋁替換。
5.如權(quán)利要求I所述的鎂合金與鋁合金擴(kuò)散焊接方法，其特征是所述的鎳箔厚度為IO^lOOMm,純度為 99. 9%。
全文摘要
本發(fā)明基于含復(fù)合中間層的鎂合金與鋁合金低溫高強(qiáng)焊接的方法是利用鋁薄膜和鎳箔作為復(fù)合中間層，其中鋁薄膜是通過磁控濺射沉積在鎂合金待焊面上，采用真空擴(kuò)散焊接在焊接溫度400~460℃，保溫10~120min，焊接壓力0.1~3MPa。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用鋁薄膜和鎳箔復(fù)合中間層實(shí)現(xiàn)鎂合金與鋁合金的擴(kuò)散焊接；鋁薄膜層和鎳箔的加入改變了鎂/鋁界面物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，避免了界面處高硬度脆性鎂鋁金屬間化合物的生成，剪切強(qiáng)度達(dá)到26MPa，其中鎂合金待焊面上磁控濺射鍍鋁膜提高了易氧化的鎂合金待焊面的抗氧化性，并改善Mg-Ni之間生成物的結(jié)構(gòu)與性能，適合不同種類的鎂合金與鋁合金的可靠焊接，工藝簡單，平行精度高，焊接件變形小。
文檔編號B23K20/14GK102861986SQ20121038580
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者沈強(qiáng), 張建, 羅國強(qiáng), 李美娟, 王傳彬, 張聯(lián)盟 申請人:武漢理工大學(xué)