一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质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Sn‑Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，选用与Al和Mg均有较大的固溶度的Sn‑Zn合金作为中间反应材料层，而且Sn‑Zn合金的中间反应材料层与铝镁异质合金能在大气环境的较低焊接温度下施加焊接超声实现有效焊接，无需使用钎剂，绿色环保，焊接时间短，高效焊接，得出的接头组织成分均匀，力学性能好。

Ultrasound-assisted Welding of Al-Mg Alloy with Sn-Zn Alloy as Intermediate Reaction Material Layer

The invention discloses an ultrasonic-assisted welding method for Al-Mg heterogeneous alloy with Sn_Zn alloy as intermediate reaction material layer. Sn_Zn alloy with larger solid solubility with Al and Mg is selected as intermediate reaction material layer, and Sn_Zn alloy intermediate reaction material layer and Al-Mg heterogeneous alloy can be effectively welded by applying welding ultrasound at lower welding temperature in atmospheric environment. It needs to use brazing flux, which is green, environmentally friendly, short welding time and efficient welding. The obtained joint has uniform structure and good mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法
本专利技术涉及铝镁异质合金焊接
，尤其是涉及一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法。
技术介绍
铝合金和镁合金作为典型的轻质合金，在船舶、航天、汽车、3C电子等领域的应用日益广泛。但铝合金和镁合金又有各自的特点和优势，在物理化学性能上有一定的差异。将两者焊接成复合结构，能发挥两种金属各自的特性，获得特殊性能，进一步扩大两种金属的应用范围，因此迫切需要开发和发展铝镁异质合金焊接的技术。采用传统焊接方法焊接铝镁异质合金时，不可避免地会在接头中形成大量脆性的金属间化合物，从而导致接头性能不佳，无法满足使用性能的要求。此外，采用传统的焊接方式进行焊接时，需要采用钎剂或在真空环境下进行以避免金属表面氧化膜的形成，且接头强度普遍偏低。
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Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，通过超声辅助焊接的方式，实现在大气环境下无钎剂的低温、高效焊接，得到的接头力学性能强。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，待焊接母材分别选用镁合金和铝合金，中间反应材料层选用Sn-Zn系合金；表面处理步骤，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，中间反应材料层位于两个待焊接母材的待焊接面之间，中间反应材料层与待焊接母材的焊接界面接触，形成待焊接组件，待焊接组件组装完成；上机固定步骤，将待焊接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；待焊接组件反应步骤，在大气环境下，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感应加热，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过感应加热设备升温中间反应材料层，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，将中间反应材料层的反应温度升温至335-345℃，对待焊接组件施加焊接超声作用时间为4-15秒；焊接组件完成步骤，对待焊接组件取消保温和取消施加焊接超声，保持对待焊接组件施加压力，在大气环境中冷却至室温，得到焊接成品。进一步的技术方案中，所述中间反应材料层的Sn-Zn合金中的Zn含量为5％-23％。进一步的技术方案中，其中一所述待焊接母材选用6160铝合金，另外一所述待焊接母材选用ME20M镁合金。进一步的技术方案中，在所述待焊接组件反应步骤中，优选地，将所述中间反应材料层的反应温度升温至340℃，对待焊接组件施加焊接超声作用时间为5-10秒。进一步的技术方案中，在所述待焊接组件反应步骤中，所述待焊接母材镁合金中的Mg原子溶解与所述中间反应材料层中的Sn结合形成Mg2Sn化合物，所述待焊接母材铝合金中的Al原子溶解与中间反应材料层中的Zn结合成为α-Al固溶体。进一步的技术方案中，在所述待焊接组件反应步骤中，所述Mg2Sn化合物生长形成Mg2Sn层，Mg2Sn层的厚度为1-10μm。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，在所述上机固定步骤中，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，所述焊接前组装步骤，称取做成95-105μm厚度的中间反应材料层的Sn-Zn合金，将Sn-Zn合金放置于所述待焊接母材为铝合金的待焊接面，形成初步组件，通过超声工具头将预涂超声波传导至初步组件，对初步组件进行加载超声及预涂加热，预涂超声波的功率控制在200-500W，预涂超声波的频率控制在10-30kHz，同时通过预涂加热设备升温Sn-Zn合金，预涂加热设备功率控制在4-6kW，预涂加热设备频率控制在200-250kHz，将Sn-Zn合金的温度加热至高出Sn-Zn合金熔点20-50℃，对初步组件施加预涂超声作用时间为2-4秒，初步组件在空气中冷却凝固后打磨平整，形成打磨平整面，将剩余未处理的待焊接母材为镁合金的待焊接面与打磨平整面抵贴，形成待焊接组件。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：在大气环境下实现铝镁异质合金焊接，无需使用钎剂，绿色环保，焊接时间短，高效焊接，得出的接头组织成分均匀，接头力学性能好。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辅助过渡液相扩散焊接结构示意图。图2是本专利技术Al-Zn二元相图。图3是本专利技术Mg-Zn二元相图。图4-6是本专利技术中间反应材料层为91Sn-9Zn的待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用5秒的接头组织形貌示意图。图7-9是本专利技术中间反应材料层为80Sn-20Zn的待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用5秒的接头组织形貌示意图。图10-12是本专利技术中间反应材料层为60Sn-40Zn的待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用5秒的接头组织形貌示意图。图13是本专利技术待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用5秒，中间反应材料层中不同Zn含量得到的接头剪切强度关系示意图。图14-15分别是本专利技术中间反应材料层为80Sn-20Zn，对待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用5秒的断裂路径和断口形貌示意图。图16-18是本专利技术中间反应材料层为80Sn-20Zn，对待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用3秒的接头组织形貌示意图。图19-21是本专利技术中间反应材料层为80Sn-20Zn，对待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用5秒的接头组织形貌示意图。图22-24是本专利技术中间反应材料层为80Sn-20Zn，对待焊接组件加热至340℃施加焊接超声作用10秒的接头组织形貌示意图。图25是本专利技术中间反应材料层为80Sn-20Zn，对待焊接组件的温度加热至340℃施加焊接超声不同时间的接头剪切强度关系示意图。图26-27是中间反应材料层为80Sn-20Zn的常规焊接在340℃保温1分钟的接头组织形貌示意图。图28-29是中间反应材料层为80Sn-20Zn的常规焊接在340℃保温3分钟的接头组织形貌示意图。图30-31分别是中间反应材料层为80Sn-20Zn的常规焊接在340℃保温1分钟的断裂路径和断口形貌示意图。图32是本专利技术在预涂超声设备上对待焊接母材预涂中间反应材料层的结构示意图。图中：1、超声工具头2、加热设备3、待焊接母材4、中间反应材料层。具体实施方式以下仅为本专利技术的较佳实施例，并不因此而限定本专利技术的保护范围。实施例一一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Sn‑Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质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：待焊接母材分别选用镁合金和铝合金，中间反应材料层选用Sn‑Zn系合金；表面处理步骤，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，中间反应材料层位于两个待焊接母材的待焊接面之间，中间反应材料层分别与待焊接母材的待焊接面接触，形成待焊接组件，待焊接组件组装完成；上机固定步骤，将待焊接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；待焊接组件反应步骤，在大气环境下，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感应加热，焊接超声的功率控制在200‑500W，焊接超声的频率控制在10‑30kHz，同时通过感应加热设备升温中间反应材料层，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，将中间反应材料层的反应温度升温至335‑345℃，对待焊接组件施加焊接超声作用时间为4‑15秒；焊接组件完成步骤，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波，保持对待焊接组件施加压力，在大气环境中冷却至室温，得到焊接成品。...

【技术特征摘要】
1.一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质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：待焊接母材分别选用镁合金和铝合金，中间反应材料层选用Sn-Zn系合金；表面处理步骤，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，中间反应材料层位于两个待焊接母材的待焊接面之间，中间反应材料层分别与待焊接母材的待焊接面接触，形成待焊接组件，待焊接组件组装完成；上机固定步骤，将待焊接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；待焊接组件反应步骤，在大气环境下，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感应加热，焊接超声的功率控制在200-500W，焊接超声的频率控制在10-30kHz，同时通过感应加热设备升温中间反应材料层，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，将中间反应材料层的反应温度升温至335-345℃，对待焊接组件施加焊接超声作用时间为4-15秒；焊接组件完成步骤，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波，保持对待焊接组件施加压力，在大气环境中冷却至室温，得到焊接成品。2.根据权利要求1所述的一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，其特征在于：所述中间反应材料层Sn-Zn合金中的Zn含量为5％-23％。3.根据权利要求2所述的一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，其特征在于：其中一所述待焊接母材选用6160铝合金，另外一所述待焊接母材选用ME20M镁合金。4.根据权利要求3所述的一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，其特征在于：在所述待焊接组件反应步骤中，优选地，将所述中间反应材料层的反应温度升温至340℃，对待焊接组件施加焊接超声作用时间为5-10秒。5.根据权利要求4所述的一种Sn-Zn合金作为中间反应材料层的铝镁异质合金的超声辅助焊接方法，其特征在于：在所述待焊接组件反应步骤中，所述待焊接母材镁合金中的Mg原子溶解与所述中间反应材料层中的Sn结合形成Mg2Sn化合物，所述待焊接母材铝合...

【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