一种镁与铝异种金属间的快速扩散焊连接方法技术

一种镁与铝异种金属间的快速扩散焊连接方法，属于有色金属的焊接技术领域。步骤如下：连接前清理镁与铝的待焊工件表面，将镁与铝待焊工件置于真空室中，用上、下压头压紧，在高真空下实现镁与铝的快速扩散连接。快速加热和保温完成后，通过气动阀门控制和水循环快速冷却至１００℃以下，然后关闭氮气和取出焊件，获得界面结合良好的镁－铝扩散焊接头。采用本发明专利技术的方法可获得不出现Ｍｇ－Ａｌ脆性化合物的焊接接头，接头界面区域无裂纹产生，扩散焊接头的界面剪切强度达２６ＭＰａ，满足镁－铝异种复合构件的使用要求。该方法操作简便、成本低、适用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于有色金属间的快速扩散焊连接方法，尤其涉及一种用于活性有色金属镁与铝的快速扩散焊连接方法工艺，属于有色金属的焊接

技术介绍
结构材料是工业装备的主要组成部分，其性能决定了工业装备的水平，新结构材料的不断研发是提高工业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，地壳中金属含量最高的铝、镁均为有色金属。尤其是镁具有低密度、高比强度、高比刚度和可再回收利用等优点而成为人们关注的焦点，日益成为现代工业产品的理想材料，被誉为“21世纪新型的绿色环保工程材料”。随着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逐渐扩大，有望逐渐取代铝及铝合金零部件。在某些特殊场合下，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，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，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非常严格，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，解决镁与铝的焊接难题，实现镁与铝异种活性金属的可靠连接，制备出镁与铝的复合结构件，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。
技术实现思路
本专利技术针对现有镁与铝熔焊连接技术的不足，提出一种镁-铝异种金属的固态快速扩散连接的工艺。该项技术不需添加中间合金层，连接温度低，通过镁与铝表面的局部快速塑变在固态下扩散连接到一起，能够获得无裂纹、无脆性化合物的镁-铝扩散焊接头，接头剪切强度为26MPa(达到铝母材剪切强度的50％)，能够满足镁-铝异种复合结构的使用要求。本专利技术的，由下述步骤组成(1)焊前清理镁与铝的待焊工件表面，并拭净、吹干；(2)将镁与铝待焊工件用上、下压头压紧，置于扩散焊真空室中，通过计算机程序控制，在高真空下实现镁与铝的快速扩散连接，工艺参数为加热温度460～540℃，保温时间10～30min，压力0.05～0.10MPa，真空度1.33×10-4～1.33×10-5Pa； (3)保温完成后，通过气动阀门控制和水循环联合快速冷却，待真空室冷却至100℃以下时，关闭氮气，打开炉门和取出焊件，获得界面结合良好的镁/铝扩散焊接头。其中，上述步骤(1)所述的焊前清理包括机械处理和化学处理。其中，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；再用金相砂纸打磨，使其表面粗糙度达到Ra 1.6～6.4μm，再用浓度为55％～60％酒精清洗、清水清洗。其中，所述的化学处理是将镁和铝先在稀氢氟酸溶液中浸泡5～8min，然后水洗、丙酮清洗、最后吹干。稀氢氟酸溶液浓度10％～15％为宜。其中，上述步骤(2)所述的加热是以10～15℃/min的升温速度加热到连接温度。其中，上述步骤(3)所述的所述的快速冷却是以10～20℃/min的冷却速度冷却至100℃以下，关闭氮气。其中，上述步骤(3)所述的冷却方式采用充氮气和水循环联合快速冷却方式。扩散连接加热前，先使真空室中的真空度达10-5Pa，然后通过计算机程序控制将工件快速加热至连接温度，使镁、铝界面处于局部塑变状态，在随后的保温阶段镁与铝在界面处发生相互扩散，形成完整的结合。针对镁具有较大的热脆性，对温度、压力的影响较敏感这一特点，扩散连接过程的加热温度、保温时间、压力和冷却速度都是采用计算机精确控制的。本专利技术的特点是在高真空中采用快速加热方法，使镁与铝接触表面发生瞬时塑性变形，实现原子之间的相互扩散结合，形成镁-铝扩散连接接头，不需添加中间合金层。这种扩散连接方法不仅能够提高焊接效率，还可以避免添加元素扩散到镁和铝母材中，生成其他类型的脆性化合物，影响接头的组织性能。采用上述工艺方法可以获得不出现Mg-Al脆性化合物的焊接接头，接头界面区域无裂纹产生，扩散焊接头的界面剪切强度达26MPa(达到铝母材剪切强度的50％)，满足镁-铝异种复合构件的使用要求。该工艺操作简便、成本低、适用性强、便于推广应用。具体实施例方式实施例1直径50mm×3mm镁圆片与直径50mm×6mm铝圆片扩散连接，具体步骤如下扩散焊前将50mm×3mm镁圆片与直径50mm×6mm铝圆片的表面采用磨床加工，光洁度6级，然后用M280金相砂纸打磨，使其表面粗糙度达到Ra 3.0μm，再用浓度为59％酒精清洗、清水清洗。在10％稀氢氟酸溶液中浸泡5min、水洗、丙酮清洗、最后吹干。试样处理后迅速将镁、铝圆片叠合置于扩散焊真空室中，用上、下压头压紧，以10℃/min的升温速度快速升温至480℃，保温时间20min，压力0.07MPa，真空度6.5×10-4Pa。保温完成后真空室采用充氮气与水循环联合快速冷却，真空室冷却至100℃以下，关闭氮气，打开炉门和取出焊件。得到的镁/铝复合圆片的扩散接头的界面剪切强度为22MPa。实施例2直径60mm×10mm镁管与直径60mm×10mm铝管的扩散连接，镁管和铝管的长度均为30mm，具体步骤如下扩散焊前将60mm×10mm镁管与直径60mm×10mm铝管的表面采用磨床加工，光洁度6级，然后用M280金相砂纸打磨，使其表面粗糙度达到Ra 5.0μm，再用浓度为59％酒精清洗、清水清洗。在15％稀氢氟酸溶液中浸泡6min、水洗、丙酮清洗、最后吹干。试样处理后迅速将镁管、铝管叠合置于扩散连接真空室中，用上、下压头压紧，以15℃/min的升温速度快速升温至540℃，保温时间15min，压力0.09MPa，真空度6.5×10-5Pa。保温完成后真空室采用充氮气与水循环联合快速冷却，真空室冷却至100℃以下，关闭氮气，打开炉门和取出焊件。得到的镁-铝复合管接头的界面剪切强度为24MPa。权利要求1.，步骤如下(1)连接前清理镁与铝的待焊工件表面，并拭净、吹干；(2)将镁与铝待焊工件置于真空室中，用上、下压头压紧，通过计算机程序控制，在高真空下实现镁与铝的快速扩散连接，工艺参数为加热温度460～540℃，保温时间10～30min，压力0.05～0.10MPa，真空度1.33×10-4～1.33×10-5Pa；(3)保温完成后，通过气动阀门控制和水循环联合快速冷却，待真空室冷却至100℃以下时，关闭氮气，打开炉门和取出焊件，获得界面结合良好的镁-铝扩散焊接头。2.如权利要求1所述的，其特征在于，步骤(1)所述的焊前清理包括机械处理和化学处理。3.如权利要求2所述的，其特征在于，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；再用金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镁与铝异种金属间的快速扩散焊连接方法，步骤如下：（１）连接前清理镁与铝的待焊工件表面，并拭净、吹干；（２）将镁与铝待焊工件置于真空室中，用上、下压头压紧，通过计算机程序控制，在高真空下实现镁与铝的快速扩散连接，工艺参数为 ：加热温度４６０～５４０℃，保温时间１０～３０ｍｉｎ，压力０．０５～０．１０ＭＰａ，真空度１．３３×１０↑［－４］～１．３３×１０↑［－５］Ｐａ；（３）保温完成后，通过气动阀门控制和水循环联合快速冷却，待真空室冷却至１００℃以下时， 关闭氮气，打开炉门和取出焊件，获得界面结合良好的镁－铝扩散焊接头。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚江，王娟，刘鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]