一种72Cu-28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种72Cu‑28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法，经过中间反应材料层的设计条件，筛选出72Cu‑28Zn合金为中间反应材料层与镁合金进行焊接，选用72Cu‑28Zn合金作为中间反应材料层有利于降低焊接温度，无需钎料辅助在大气环境下完成焊接，绿色环保，在焊接过程中无脆性金属间化合物产生，得到全固溶体接头，本焊接时间短，接头力学性能高，焊接效果好。

An Ultrasound-assisted Welding Method for Magnesium Alloy with 72Cu-28Zn Alloy as Intermediate Reaction Material Layer

The invention discloses an ultrasonic-assisted welding method for magnesium alloy with 72Cu28Zn alloy as intermediate reaction material layer. Through the design conditions of intermediate reaction material layer, 72Cu28Zn alloy is selected as intermediate reaction material layer for welding with magnesium alloy. Choosing 72Cu28Zn alloy as intermediate reaction material layer is advantageous to reducing welding temperature, and no solder is needed to assist in atmospheric environment. Complete welding, green environmental protection, no brittle intermetallic compounds are produced in the welding process, and get full solid solution joint. The welding time is short, the mechanical properties of the joint are high, and the welding effect is good.

【技术实现步骤摘要】
一种72Cu-28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法
本专利技术涉及镁合金焊接
，尤其是涉及一种72Cu-28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法。
技术介绍
伴随航空航天、交通、3C电子等领域结构轻量化的发展，Mg合金及其复合材料等轻质材料应用越来越广泛，其结构件的高性能制造离不开成熟的焊接技术作支撑。而目前的焊接技术如熔化焊、传统钎焊和过渡液相扩散焊接等存在焊接温度偏高、氧化膜难以去除、待焊接母材易软化等不足，有的焊接技术还需在真空或保护气体下焊接，焊接时间太长，在焊接过程中产生脆性的金属间化合物造成接头力学性能普遍较低。因此迫切需要探索其高性能焊接新方法与新技术。
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72Cu-28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法，经过筛选出合适的中间反应材料层，使用优选工艺方法，在焊接过程中无脆性金属间化合物产生，得到全固溶体接头，本专利技术的焊接时间短，接头力学性能高，焊接效果好。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种72Cu-28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法，包括待焊接母材和中间反应材料层，包括以下步骤：中间反应材料层筛选步骤，条件一，中间反应材料层的熔化温度低于待焊接母材的熔点195-205℃，或中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的共晶温度低于待焊接母材熔点150-300℃，条件二，中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的固溶度的最大值至少达到10％，条件三，中间反应材料层主要元素与待焊接母材中的原子半径差最大不超过50pm，条件四，中间反应材料层主要元素与待焊接母材之间的电极电位差至多在-0.8V以内，中间反应材料层至少满足以上四个条件中的三个条件，根据以上条件，待焊接母材为镁合金，中间反应材料层选用72Cu-28Zn合金；反应前准备步骤，对待焊接母材和中间反应材料层的焊接界面进行机械打磨和超声清洗，将清洗后的待焊接母材和中间反应材料层按照待焊接母材/中间反应材料层/待焊接母材的顺序组装形成待焊接组件；上机超声焊接步骤，将待焊接组件放置于超声焊接设备的加工平台，并是超声工具头压紧在待焊接组件的上部；将超声工具头向待焊接组件纵向方向施加压力，压力值为0.1-0.2MPa；破除氧化膜步骤，通过超声工具头将焊接超声传导至待焊接组件，对待焊接组件进行加载超声及加热，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过加热设备升温中间反应材料层，加热设备功率控制在4-6kW，加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度控制在460℃，在焊接超声的作用下，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的物理状态为液态，形成固液界面，实现初步冶金接合；三元共晶反应步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过加热设备升温中间反应材料层，加热设备功率控制在4-6kW，加热设备频率控制在200-250kHz，将中间反应材料层的反应温度控制在455-465℃，待焊接母材的物理状态为固态，待焊接母材与中间反应材料层发生三元共晶反应，其中反应式为：Mg+Cu→Mg2CuandCuMgZn(ss)phases，中间反应材料层转变为Mg-Cu-Zn共晶组织的液相，Mg-Cu-Zn共晶组织形成Mg-Cu-Zn共晶组织层，在待焊接母材中形成Mg(Cu,Zn)固溶体，Mg(Cu,Zn)固溶体形成Mg(Cu,Zn)固溶体层，Mg-Cu-Zn共晶组织层的厚度比Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度大，Mg(Cu,Zn)固溶体的物理状态为固态；固溶体生长步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，超声焊接设备工艺参数保持不变，中间反应材料层的反应温度控制在455-465℃，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层中的Mg-Cu-Zn共晶组织反应减少为断续的Mg-Cu-Zn共晶组织层区，中间反应材料层中的Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度要比Mg-Cu-Zn共晶组织层区的厚度大；全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过加热设备对中间反应材料层进行保温，加热设备功率控制在4-6kW，加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度保持在455-465℃，Mg-Cu-Zn共晶组织消失，Mg-Cu-Zn共晶组织全部转化Mg(Cu,Zn)固溶体，Mg(Cu,Zn)固溶体的物理状态为固态，从而形成全Mg(Cu,Zn)固溶体接头，待焊接组件等温凝固完成；完成焊接组件步骤，对中间反应材料层取消保温和对待焊接组件取消焊接超声，在大气环境中保持压力冷却至室温，得到焊接成品。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；在所述中间反应材料层筛选步骤中，所述72Cu-28Zn合金的厚度为45-55μm。进一步的技术方案中，所述三元共晶反应步骤中，Mg(Cu,Zn)固溶体形成Mg(Cu,Zn)固溶体层，所述全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤中，接头组织全部由Mg(Cu,Zn)固溶体层组成。进一步的技术方案中，所述三元共晶反应步骤中，Mg-Cu-Zn共晶组织的厚度为40-45μm，Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度为2.5-5μm；所述全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤中，Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度为45-55μm，Mg-Cu-Zn共晶组织的厚度为0μm。进一步的技术方案中，所述待焊接母材包括上基板待焊接母材和下基板待焊接母材，上基板待焊接母材放置于中间反应材料层的上面，下基板待焊接母材放置于中间反应材料层的下面，上基板待焊接母材的尺寸设置为16mm*16mm*3mm，下基板待焊接母材的尺寸设置为20mm*20mm*3mm。进一步的技术方案中，在反应前准备步骤中，对所述待焊接母材的所述待焊接面进行打磨，选用400-1500目的砂纸对待焊接面进行打磨，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，所述超声焊接设备的升温速率为20℃/分钟。进一步的技术方案中，在所述三元共晶反应步骤、所述固溶体生长步骤和全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤中，所述超声焊接设备向所述待焊接组件施加所述焊接超声作用时间为90-120秒。进一步的技术方案中，在所述三元共晶反应步骤、所述固溶体生长步骤和全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤中，所述中间反应材料层的反应温度控制在460℃。进一步的技术方案中，所述待焊接母材选用ME20M镁合金。采用上述结构后，本专利技术和现有技术相比所具有的优点是：1.在大气环境较低焊接温度下，完成黄铜与镁合金的焊接，得到无脆性金属间化合物的全固溶体接头，焊接时间短，接头力学性能高，焊接效果好。2.利用焊接超声作用于待焊接组件，使镁合金中的氧化膜破除并挤出，无需使用钎剂即可实现共晶液相的反应铺展，使待焊接母材与中间反应材料层实现初步冶金焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种72Cu‑28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法，包括待焊接母材和中间反应材料层，其特征在于，包括以下步骤：中间反应材料层筛选步骤，条件一，中间反应材料层的熔化温度低于待焊接母材的熔点195‑205℃，或中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的共晶温度低于待焊接母材熔点150‑300℃，条件二，中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的固溶度最大值至少达到10％，条件三，中间反应材料层主要元素与待焊接母材中的原子半径差最大不超过50pm，条件四，中间反应材料层主要元素与待焊接母材之间的电极电位差至多在‑0.8V以内，中间反应材料层至少满足以上四个条件中的三个条件，根据以上条件，待焊接母材为镁合金，中间反应材料层选用72Cu‑28Zn合金；反应前准备步骤，对待焊接母材和中间反应材料层的焊接界面进行机械打磨和超声清洗，将清洗后的待焊接母材和中间反应材料层按照待焊接母材/中间反应材料层/待焊接母材的顺序组装形成待焊接组件；上机超声焊接步骤，将待焊接组件放置于超声焊接设备的加工平台，并是超声工具头压紧在待焊接组件的上部；将超声工具头向待焊接组件纵向方向施加压力，压力值为0.1‑0.2MPa；破除氧化膜步骤，通过超声工具头将焊接超声传导至待焊接组件，对待焊接组件进行加载超声及加热，焊接超声的功率控制在200‑500W，焊接超声的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备升温中间反应材料层，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，中间反应材料层的反应温度控制在460℃，待焊接组件在焊接超声的作用下，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的物理状态为液态，形成固液界面，实现初步冶金接合；三元共晶反应步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200‑500W，焊接超声的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备升温中间反应材料层，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，将中间反应材料层的反应温度控制在455‑465℃，待焊接母材的物理状态为固态，待焊接母材与中间反应材料层发生三元共晶反应，其中反应式为：Mg+Cu→Mg2Cu and CuMgZn(ss)phases，中间反应材料层转变为Mg‑Cu‑Zn共晶组织的液相，Mg‑Cu‑Zn共晶组织形成Mg‑Cu‑Zn共晶组织层，在待焊接母材中形成Mg(Cu,Zn)固溶体，Mg(Cu,Zn)固溶体形成Mg(Cu,Zn)固溶体层，Mg‑Cu‑Zn共晶组织层的厚度比Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度大，Mg(Cu,Zn)固溶体的物理状态为固态；固溶体生长步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，超声焊接设备工艺参数保持不变，中间反应材料层的反应温度控制在455‑465℃，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层中的Mg‑Cu‑Zn共晶组织反应减少为断续的Mg‑Cu‑Zn共晶组织层区，中间反应材料层中的Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度要比Mg‑Cu‑Zn共晶组织层区的厚度大；全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200‑500W，焊接超声的频率控制在10‑30kHz，同时通过加热设备对中间反应材料层进行保温，加热设备功率控制在4‑6kW，加热设备频率控制在200‑250kHz，中间反应材料层的反应温度保持在455‑465℃，Mg‑Cu‑Zn共晶组织消失，Mg‑Cu‑Zn共晶组织全部转化Mg(Cu,Zn)固溶体，Mg(Cu,Zn)固溶体的物理状态为固态，从而形成全Mg(Cu,Zn)固溶体接头，待焊接组件等温凝固完成；完成焊接组件步骤，对中间反应材料层取消保温和对待焊接组件取消焊接超声，在大气环境中保持压力冷却至室温，得到焊接成品。...

【技术特征摘要】
1.一种72Cu-28Zn合金作为中间反应材料层的镁合金的超声辅助焊接方法，包括待焊接母材和中间反应材料层，其特征在于，包括以下步骤：中间反应材料层筛选步骤，条件一，中间反应材料层的熔化温度低于待焊接母材的熔点195-205℃，或中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的共晶温度低于待焊接母材熔点150-300℃，条件二，中间反应材料层与待焊接母材主要元素之间的固溶度最大值至少达到10％，条件三，中间反应材料层主要元素与待焊接母材中的原子半径差最大不超过50pm，条件四，中间反应材料层主要元素与待焊接母材之间的电极电位差至多在-0.8V以内，中间反应材料层至少满足以上四个条件中的三个条件，根据以上条件，待焊接母材为镁合金，中间反应材料层选用72Cu-28Zn合金；反应前准备步骤，对待焊接母材和中间反应材料层的焊接界面进行机械打磨和超声清洗，将清洗后的待焊接母材和中间反应材料层按照待焊接母材/中间反应材料层/待焊接母材的顺序组装形成待焊接组件；上机超声焊接步骤，将待焊接组件放置于超声焊接设备的加工平台，并是超声工具头压紧在待焊接组件的上部；将超声工具头向待焊接组件纵向方向施加压力，压力值为0.1-0.2MPa；破除氧化膜步骤，通过超声工具头将焊接超声传导至待焊接组件，对待焊接组件进行加载超声及加热，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过加热设备升温中间反应材料层，加热设备功率控制在4-6kW，加热设备频率控制在200-250kHz，中间反应材料层的反应温度控制在460℃，待焊接组件在焊接超声的作用下，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层的物理状态为液态，形成固液界面，实现初步冶金接合；三元共晶反应步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过加热设备升温中间反应材料层，加热设备功率控制在4-6kW，加热设备频率控制在200-250kHz，将中间反应材料层的反应温度控制在455-465℃，待焊接母材的物理状态为固态，待焊接母材与中间反应材料层发生三元共晶反应，其中反应式为：Mg+Cu→Mg2CuandCuMgZn(ss)phases，中间反应材料层转变为Mg-Cu-Zn共晶组织的液相，Mg-Cu-Zn共晶组织形成Mg-Cu-Zn共晶组织层，在待焊接母材中形成Mg(Cu,Zn)固溶体，Mg(Cu,Zn)固溶体形成Mg(Cu,Zn)固溶体层，Mg-Cu-Zn共晶组织层的厚度比Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度大，Mg(Cu,Zn)固溶体的物理状态为固态；固溶体生长步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，超声焊接设备工艺参数保持不变，中间反应材料层的反应温度控制在455-465℃，待焊接母材的物理状态为固态，中间反应材料层中的Mg-Cu-Zn共晶组织反应减少为断续的Mg-Cu-Zn共晶组织层区，中间反应材料层中的Mg(Cu,Zn)固溶体层的厚度要比Mg-Cu-Zn共晶组织层区的厚度大；全Mg(Cu,Zn)固溶体接头形成步骤，超声工具头对待焊接组件继续施加焊接超声，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过加热设备对中间反应材料层进行保温，加热设备功率控制在4-6kW，加热设备频率控制在200-250k...

【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