一种制备镁与铝异种金属复合板的方法

摘要

本发明公开了一种制备镁与铝异种金属复合板的方法，包括镁与铝板材表面的氧化膜清除；将镁与铝板材叠放在一起，四边用脉冲钨极氩弧焊方法连续焊接牢固；将四周焊接后的镁与铝叠合件置于箱式电炉中，压紧叠合件在460℃－520℃温度下加热镁与铝叠合件实施扩散连接等步骤。本发明方法不需采用价格昂贵的真空加热设备、连接温度低，在普通的箱式电加热炉中即能够获得无裂纹、无脆性化合物的镁－铝扩散焊复合板，连接界面的剪切强度为22－30MPa(达到铝母材剪切强度的50％)，能够满足镁－铝异种复合板的使用要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种异种金属复合板的制备方法，尤其涉及一种以非真空扩散连接方式制备镁与铝异种有色金属复合板的方法，属于金属的焊接技术领域。

背景技术

结构材料的不断研发是提高焊接结构技术水平的重要支柱。其中新型有色金属材料是最重要的一类材料，地壳中含量很高的铝、镁均为有色金属。尤其是镁具有低密度、高比强度、高比刚度和可以再回收利用等优点，近年来成为人们关注的焦点，被誉为“21世纪新型的绿色环保工程材料”。

镁及镁合金在汽车零部件、电子产品及航空航天领域中的应用不断扩大，取代铝及铝合金零部件的比例逐年扩大。在某些特殊场合，还要求将镁与铝焊接成复合构件，以充分发挥镁与铝各自的性能优势，这可以大大提高工业装备对轻质结构件的性能要求。但由于镁和铝表面极易形成氧化膜、二者的物理化学性能差异较大，所以焊接时接头处产生的热应力易导致焊接裂纹，焊接性差。此外，镁和铝焊接时，接头区还容易形成脆性的镁铝化合物，降低接头的强韧性，影响焊件的使用性能。

国内外有关镁与铝异种活性金属的焊接主要采用钨极氩弧焊、电子束焊和搅拌摩擦焊。例如，李亚江等提出一种镁与铝异种金属间的脉冲氩弧焊方法(国家发明专利ZL20510042591-X)。A.C.Somasekharan等人采用搅拌摩擦焊技术对镁与6061铝合金进行连接，由于搅拌摩擦焊是依靠搅拌头摩擦产生热量，使元素扩散和晶粒重新组合实现镁与6061铝合金之间的结合，因此对工件定位要求严格，只适合于平直接头，难以实现复杂接头的连接。A.Ben-Artzy等采用不同的焊丝作为填充金属，用钨极氩弧焊和电子束焊技术对纯铝与铸造镁合金进行焊接，发现在接头熔合区附近出现镁与铝的共晶组织，并且在镁合金一侧的熔合区附近容易形成连续脆性相，降低接头的强韧性。

因此，解决制造镁与铝复合板的焊接难题，实现镁与铝异种金属间的可靠扩散连接，制备出镁与铝的复合板结构件，会大大推动镁及其合金在航空航天、电子及汽车领域的广泛应用。

发明内容

针对现有镁与铝异种金属连接技术的不足，本发明的目的是提出一种制备镁与铝异种金属复合板的方法。该方法不需采用价格昂贵的真空加热设备、连接温度低，在普通的箱式电加热炉中通过镁与铝表面的扩散连接到一起，能够获得无裂纹、无脆性化合物的镁-铝扩散焊复合板，连接界面的剪切强度为22MPa-30MPa(达到铝母材剪切强度的50％)，能够满足镁-铝异种金属复合板的使用要求。

本发明所述制备镁与铝异种金属复合板的方法，步骤如下：

(1)选用等形状和尺寸的镁与铝板材，采用机械处理和化学处理方式清除其表面的氧化膜，洗净、吹干待用；

(2)将上述待用的镁与铝板材叠放在一起，四边用脉冲钨极氩弧焊方法连续焊接牢固，脉冲钨极氩弧焊的工艺参数是：基值电流70A—100A、脉冲电流110A—130A、脉冲持续时间6s—9s、焊接电压24V—26V，焊接速度1.4mm/s—1.8mm/s，氩气流量12L/min—18L/min；

(3)将四周焊接后的镁与铝叠合板件置于箱式电炉中，用上、下压板或钢块压紧叠合板件，压力设为0.05MPa—0.10MPa；

(4)利用箱式电炉，在460℃—520℃温度下加热镁与铝叠合板件实施扩散连接，并保温10min—30min；

(5)扩散连接完成后，关闭箱式电炉电源，待炉膛温度自然冷却至100℃以下时，开炉门取出焊件，即得镁与铝异种金属复合板。

上述制备镁与铝异种金属复合板的方法中：

步骤(1)所述的机械处理是先用磨床加工，使镁和铝试样上、下表面平行，表面光洁度≥6级；或/和用细砂纸打磨，使其表面粗糙度达到Ra1.6μm—6.4μm；再用体积百分比为55％—60％酒精溶液清洗、清水冲洗、烘干。

步骤(1)所述的化学处理是将镁和铝板先在体积百分比为10％—15％的稀氢氟酸溶液中浸泡5min—8min，然后水洗、丙酮清洗、最后吹干。

步骤(2)所述的脉冲钨极氩弧焊的焊接工艺参数优选：基值电流80A—90A、脉冲电流110A—120A、脉冲持续时间6s—8s、焊接电压24V—25V，焊接速度1.4mm/s—1.6mm/s，氩气流量14L/min—16L/min。

步骤(4)所述加热温度优选480℃—500℃；升温速度为10℃/min—15℃/min。

应用本发明方法在箱式电炉的加热过程中，使镁、铝叠合界面处于局部塑变状态，在随后的保温阶段镁与铝在叠合界面处发生相互扩散，形成完整的扩散结合。由于扩散连接过程持续一定的时间，可消除镁与铝结合界面的热脆性，而且工艺上对加热温度、压力的影响也不很敏感，所以镁与铝界面扩散质量良好。

本发明的特点是在非真空中采用普通箱式电炉加热，使镁与铝接触表面发生塑性变形，实现原子之间的相互扩散结合，形成镁与铝复合板。这种制造镁与铝异种金属复合板的方法不仅能够提高生产效率，降低成本，还可以保证避免其他元素扩散到镁和铝母材中，生成其他类型的脆性化合物，影响扩散界面的性能。

采用本发明的方法可以在非真空条件下获得不出现Mg-Al脆性化合物的扩散焊接头，结合界面区域无裂纹产生，扩散界面剪切强度达22-30MPa(达到铝母材剪切强度的50％)，满足镁与铝异种金属复合板的使用要求。这项技术操作简便、成本低、适用性强，便于推广应用。

具体实施方式

实施例1：

直径50mm、厚度3mm的镁圆片与直径50mm、厚度6mm铝圆片叠合在一起，制成镁与铝复合板，具体步骤如下：

先将镁圆片和铝圆片的表面采用磨床加工至光洁度6级，用M280金相砂纸打磨，使其表面粗糙度达到Ra3.0μm，用体积百分比58％酒精溶液清洗，清除表面的氧化膜，再用清水冲洗。再将镁圆片和铝圆片在体积百分比10％的稀氢氟酸溶液中浸泡5min、水洗、丙酮清洗、最后吹干。

将镁圆片和铝圆片叠合在一起，四边用脉冲钨极氩弧焊方法连续焊接牢固；脉冲钨极氩弧焊的焊接工艺参数是：基值电流85A、脉冲电流115A、脉冲持续时间6s、焊接电压24V，焊接速度1.5mm/s，氩气流量15L/min。

将四周焊接后的镁与铝叠合件置于箱式电炉中，用上、下压板压紧(压力0.06MPa)，以15℃/min的升温速度升温至480℃，保温时间20min。保温完成后关闭电源，工件随炉冷却至100℃以下，打开炉门取出焊件，得到镁与铝异种金属复合板。经检测镁与铝复合板的界面剪切强度为22MPa。

实施例2：

将长度和宽度均为100mm、厚度10mm的镁板与铝板叠合在一起，制成镁与铝复合板的方法，具体步骤如下：

先将镁板和铝板的表面采用磨床加工至光洁度6级，用M280金相砂纸打磨，使其表面粗糙度达到Ra 3.0μm，用体积百分比60％酒精溶液清洗，清除镁板和铝板表面的氧化膜，再用清水冲洗。再将镁板和铝板在体积百分比10％的稀氢氟酸溶液中浸泡6min、水洗、丙酮清洗、最后吹干。

将镁板和铝板叠合在一起，四边用脉冲钨极氩弧焊方法连续焊接牢固；脉冲钨极氩弧焊的焊接工艺参数是：基值电流95A、脉冲电流125A、脉冲持续时间7s、焊接电压25V，焊接速度1.6mm/s，氩气流量16L/min。

将四周焊接后的镁与铝叠合件置于箱式电炉中，用上、下压板压紧(压力0.08MPa)，以10℃/min的升温速度升温至510℃，保温时间25min。保温完成后关闭电源，工件随炉冷却至100℃以下，打开炉门取出焊件，得到镁与铝异种金属复合板。经检测镁与铝复合板的界面剪切强度为24MPa。