一种低温超声辅助镁合金焊接的方法技术

本发明专利技术公开了一种低温超声辅助镁合金焊接的方法，包括以下步骤：本焊接方法包括待焊接母材及中间反应材料层，待焊接母材选用镁合金或镁基复合材料，中间反应材料层选用锌箔；将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；然后按照上下层为待焊接母材，中间层为中间反应材料层；将超声工具头向待焊组件施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa，然后温度加热至365‑375℃，焊接超声波振动105‑129秒，进行等温凝固；完成等温凝固后，冷却至室温。整个焊接过程能够在大气条件下完成，缩短等温凝固的时间，接头剪切力度强。

A low temperature ultrasonic assisted magnesium alloy welding method

The invention discloses a low-temperature ultrasonic-assisted magnesium alloy welding method, which comprises the following steps: the welding method comprises a base metal to be welded and an intermediate reaction material layer, a magnesium alloy or a magnesium-based composite material to be welded, a zinc foil to be used as the intermediate reaction material layer, and mechanical grinding and grinding of the welding surface to be welded with the base metal. Ultrasonic cleaning; then according to the upper and lower layers as the base metal to be welded, the middle layer as the intermediate reaction material layer; ultrasonic tool head to be welded components applied pressure, pressure value of 0.1 0.2 MPa, and then heated to 365 375 C, welding ultrasonic vibration 105 129 seconds, isothermal solidification; complete isothermal solidification, cooling to the room Temperature. The whole welding process can be completed under atmospheric conditions, shorten the isothermal solidification time, and the joint shear strength is strong.

【技术实现步骤摘要】
一种低温超声辅助镁合金焊接的方法
本专利技术涉及超声焊接
，尤其是涉及一种低温超声辅助镁合金焊接的方法。
技术介绍
镁合金作为最轻的金属工程结构材料，具有密度低、比强度和比模量高、散热性好、降噪减振、电磁屏蔽与抗辐射能力强等特性，而且尺寸稳定性高、易切削加工、易回收且价格低廉，被誉为21世纪的新型绿色环保工程材料。可靠而高效的连接技术在推动材料的发展和应用过程中发挥着重要作用。对于某些镁合金构件来说，钎焊、扩散焊等连接方法具有尺寸精度高、可设计性强、特别是在复杂的大面积构件的焊接中具有突出的优势。目前现有技术的焊接包括钎焊、扩散焊和过渡液相扩散连接等焊接方法。钎焊存在接头强度低，耐热性差，且焊前清整要求严格，钎料价格较贵等问题。另外，钎焊中存在一个重要问题是钎料表面的氧化膜层很难被去除。这层氧化膜的存在阻碍了液态钎料与待焊接母材的待焊接面的接触、润湿，从而难于形成有效的连接。扩散焊存在对待焊接面要求严格焊接热循环时间长，生产率低设备一次性投资较大，且待焊接母材的尺寸受到设备的限制，无法进行连续式批量生产。过渡液相扩散连接均需要在真空环境下完成，并且所需的连接温度较高和连接时间相对较长，且所获接头的力学性能相对待焊接母材而言偏低。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种低温超声辅助镁合金焊接的方法，在大气环境中完成整个超声焊接过程，极大限度地缩短等温凝固的时间，所需加热温度相对较低，焊接时间短，所获得的接头力学性能强，降低工艺复杂性，降低焊接成本。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种低温超声辅助镁合金焊接的方法，包括以下步骤：表面处理步骤，待焊接母材仅限于镁合金或镁基复合材料，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，选用薄状或片状的锌箔作为中间反应材料层，将中间反应材料层夹持在上下两个待焊接母材的焊接界面，形成一待焊组件；上机固定步骤，将待焊组件放置在超声焊接设备的加工平台，并使超声工具头压紧在待焊组件的上部；将超声工具头向待焊组件纵向方向施加压力，压力值为0.1-0.2MPa；加载超声及感应加热步骤，通过超声工具头将焊接超声波传导至待焊组件，焊接超声波的功率控制在200-500W，焊接超声波的频率控制在10-30kHz，同时通过感应加热设备加热待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz；中间反应材料层消失步骤，将待焊组件温度加热至335-345℃，通过超声工具头对待焊组件超声作用，使中间反应材料层与待焊接母材在超声及温度作用下产生反应，中间反应材料层反应后消失，在上下待焊接母材的焊接界面形成化合物层及溶固体层后，超声工具头停止作用，其中，溶固体层包括第一层和第二层，第一层为Zn原子向待焊接母材内部的固态扩散层；第二层为焊缝液态金属凝固过程中析出的α-Mg(Zn)晶粒；富镁变化步骤，将待焊组件温度加热至365-375℃，超声工具头再次对待焊组件超声作用，焊缝液态金属达到富Mg的亚共晶成分，α-Mg(Zn)相依附于待焊接母材析出并长大；共晶变化步骤，通过超声工具头对待焊组件超声作用，将待焊组件温度降至335-345℃，焊缝液态金属发生共晶反应：L→Mg51Zn20+MgZn；无共析冷却步骤，待焊组件温度下降至295-305℃时，待焊组件中的Mg和Zn原子被限制移动；完成焊接组件步骤，得到焊接成品。进一步的技术方案中，所述中间反应材料消失步骤，所述超声工具头对所述待焊组件超声作用1-3秒，所述中间反应材料层与所述待焊接母材在超声及温度作用下产生反应，中间反应材料层反应后消失；所述富镁变化步骤，待焊组件温度加热至365-375℃，在超声工具头对待焊组件继续超声作用100-125秒，焊缝液态金属达到富Mg的亚共晶成分，α-Mg(Zn)相依附于待焊接母材析出并长大；所述共晶变化步骤，待焊组件温度降到335-345℃，在超声工具头对待焊组件继续超声作用2-3秒，焊缝液态金属发生共晶反应：L→Mg51Zn20+MgZn；所述无共析冷却步骤，待焊组件在1-3秒内温度下降至295-305℃，待焊组件中的Mg和Zn原子被限制移动。进一步的技术方案中，所述富镁变化步骤，所述待焊组件温度加热至365-375℃，在所述超声工具头对待焊组件继续保持超声作用100-125秒后，超声工具头停止超声作用；所述共晶变化步骤，将待焊组件温度降至335-345℃，超声工具头对待焊组件重新启动超声作用，超声作用时间为2-3秒。进一步的技术方案中，所述中间反应材料层大于所述待焊接母材的焊接界面。进一步的技术方案中，在所述焊接前组装步骤中，所述锌箔选用纯锌制成的锌箔，锌箔的厚度为45-55μm。进一步的技术方案中，在所述表面处理步骤中，对所述待焊接母材的所述待焊接面进行打磨，选用1000-1500目的砂纸对待焊接面进行打磨。进一步的技术方案中，在所述表面处理步骤中，所述待焊接母材放置于浓度为90-100％丙酮溶液中并使用清洗超声波进行超声清洗，超声清洗时间为10-20分钟。进一步的技术方案中，在所述加载超声及感应加热步骤中，所述焊接超声波的功率控制在300W，焊接超声波的频率控制在20kHz，同时通过所述感应加热设备加热所述待焊组件，感应加热设备功率控制在5kW，感应加热设备频率控制在225kHz。进一步的技术方案中，在所述上机超声焊接步骤中，将所述超声工具头的压力值设置为0.15MPa。进一步的技术方案中，所述待焊组件的温度加热至365℃，所述焊接超声波振动时间为120秒。本专利技术和现有技术相比所具有的优点是：1.用锌箔作为中间反应材料层并借助焊接超声波辅助，在大气条件下完成镁合金或镁基复合材料的高质量过渡液相扩散连接，降低了工艺的复杂性和加工成本，极大限度地缩短等凝固的时间，所需加热温度相对较低，焊接时间短，所获得的接头力学性能强。2.使用锌箔作为中间反应材料层较薄，在焊接过程中，超声损耗较小，使得超声作用得到增强。3.在焊接过程中，焊接超声波的振动能够有效破除界面氧化膜，促进Mg-Zn共晶反应，加快等温凝固过程并形成典型显微组织结构的接头，接头剪切强度随着焊接超声波作用时间的延长而增加，并且待焊接母材实现有效连接。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的焊接超声波辅助过渡液相扩散连接结构示意图。图2是本专利技术的焊接超声波作用时间为1秒时所获接头微观组织结构示意图；图3是本专利技术的焊接超声波作用时间为3秒时所获接头微观组织结构示意图；图4是本专利技术的焊接超声波作用时间为5秒时所获接头微观组织结构示意图；图5是本专利技术的焊接超声波作用时间为30秒时所获接头微观组织结构示意图；图6是本专利技术的焊接超声波作用时间为60秒时所获接头微观组织结构示意图；图7是本专利技术的焊接超声波作用时间为120秒时所获接头微观组织结构示意图；图8是本专利技术的焊接超声波作用时间为5秒和30秒时接头断口表面的XRD衍射谱示意图；图9是本专利技术的Mg-Zn相图示意图；图10是本专利技术的接头剪切强度以及化合物层、固溶体层和接头厚度随焊接超声波作用时间变化的曲线图；图11是本专利技术的焊接超声波作用时间为5秒时接头的断口形貌和断裂路径；图12是本专利技术的焊接超声波作用时间为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温超声辅助镁合金焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：表面处理步骤，待焊接母材仅限于镁合金或镁基复合材料，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，选用薄状或片状的锌箔作为中间反应材料层，将中间反应材料层夹持在上下两个待焊接母材的焊接界面，形成一待焊组件；上机固定步骤，将待焊组件放置在超声焊接设备的加工平台，并使超声工具头压紧在待焊组件的上部；将超声工具头向待焊组件纵向方向施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa；加载超声及感应加热步骤，通过超声工具头将焊接超声波传导至待焊组件，焊接超声波的功率控制在200‑500W，焊接超声波的频率控制在10‑30kHz，同时通过感应加热设备加热待焊组件，感应加热设备功率控制在4‑6kW，感应加热设备频率控制在200‑250kHz；中间反应材料层消失步骤，将待焊组件温度加热至335‑345℃，通过超声工具头对待焊组件超声作用，使中间反应材料层与待焊接母材在超声及温度作用下产生反应，中间反应材料层反应后消失，在上下待焊接母材的焊接界面形成化合物层及溶固体层后，超声工具头停止作用，其中，溶固体层包括第一层和第二层，第一层为Zn原子向待焊接母材内部的固态扩散层；第二层为焊缝液态金属凝固过程中析出的α‑Mg(Zn)晶粒；富镁变化步骤，将待焊组件温度加热至365‑375℃，超声工具头再次对待焊组件超声作用，焊缝液态金属达到富Mg的亚共晶成分，α‑Mg(Zn)相依附于待焊接母材析出并长大；共晶变化步骤，通过超声工具头对待焊组件超声作用，将待焊组件温度降至335‑345℃，焊缝液态金属发生共晶反应：L→Mg51Zn20+MgZn；无共析冷却步骤，待焊组件温度下降至295‑305℃时，待焊组件中的Mg和Zn原子被限制移动；完成焊接组件步骤，得到焊接成品。...

【技术特征摘要】
1.一种低温超声辅助镁合金焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：表面处理步骤，待焊接母材仅限于镁合金或镁基复合材料，将待焊接母材的待焊接面进行机械打磨和超声清洗；焊接前组装步骤，选用薄状或片状的锌箔作为中间反应材料层，将中间反应材料层夹持在上下两个待焊接母材的焊接界面，形成一待焊组件；上机固定步骤，将待焊组件放置在超声焊接设备的加工平台，并使超声工具头压紧在待焊组件的上部；将超声工具头向待焊组件纵向方向施加压力，压力值为0.1-0.2MPa；加载超声及感应加热步骤，通过超声工具头将焊接超声波传导至待焊组件，焊接超声波的功率控制在200-500W，焊接超声波的频率控制在10-30kHz，同时通过感应加热设备加热待焊组件，感应加热设备功率控制在4-6kW，感应加热设备频率控制在200-250kHz；中间反应材料层消失步骤，将待焊组件温度加热至335-345℃，通过超声工具头对待焊组件超声作用，使中间反应材料层与待焊接母材在超声及温度作用下产生反应，中间反应材料层反应后消失，在上下待焊接母材的焊接界面形成化合物层及溶固体层后，超声工具头停止作用，其中，溶固体层包括第一层和第二层，第一层为Zn原子向待焊接母材内部的固态扩散层；第二层为焊缝液态金属凝固过程中析出的α-Mg(Zn)晶粒；富镁变化步骤，将待焊组件温度加热至365-375℃，超声工具头再次对待焊组件超声作用，焊缝液态金属达到富Mg的亚共晶成分，α-Mg(Zn)相依附于待焊接母材析出并长大；共晶变化步骤，通过超声工具头对待焊组件超声作用，将待焊组件温度降至335-345℃，焊缝液态金属发生共晶反应：L→Mg51Zn20+MgZn；无共析冷却步骤，待焊组件温度下降至295-305℃时，待焊组件中的Mg和Zn原子被限制移动；完成焊接组件步骤，得到焊接成品。2.根据权利要求1所述的一种低温超声辅助镁合金焊接的方法，其特征在于：所述中间反应材料消失步骤，所述超声工具头对所述待焊组件超声作用1-3秒，所述中间反应材料层与所述待焊接母材在超声及温度作用下产生反应，中间反应材料层反应后消失；所述富镁变化步骤，待焊组件温度加热至365-375℃，在超声工具头对待焊组件继续超声作用100-125秒，焊缝液态金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖志伟，
申请(专利权)人：东莞市新玛博创超声波科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44