专利名称：含复合中间层的镁合金与铝合金扩散焊接方法
技术领域：
本发明涉及镁合金与铝合金连接领域，具体涉及一种镁合金与铝合金高强焊接的方法。
背景技术：
铝合金一直是国防工业中应用最广泛的金属材料之一。因铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，可制成各种截面的型材、管材、板材等，所以，铝合金是构件轻量化首选的轻质结构材料。铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框和长梁等；在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器的重要构件材料。作为一种迅速崛起的新型绿色工程结构材料，Mg合金在航空航天、国防、汽车工业、电子通讯等领域都具有广阔的应用前景。而镁合金的发展及应用离不开连接问题，良好的连接是简化产品设计、降低产品成本的有效措施之一，因此连接技术的发展将直接影响Mg合金的广泛应用。目前在各种轻金属工程结构中Al仍占据主导地位，而如果将Mg与Al结合起来实现Mg/Al异种金属结构的焊接，获得界面牢固的焊接接头，充分发挥镁、铝各自的性能优势，将会进一步扩大镁合金和铝合金作为结构件在高新技术领域的应用。如果实现镁合金与铝合金异种金属的焊接并形成可靠的焊接结构件，不仅能充分发挥镁合金、铝合金各自的优异性能，还能够大大拓展其在高科技领域的使用。然而镁铝异种金属因其物理化学性质的差异利用一般的焊接方法要实现其可靠连接十分困难，两种金属直接焊接主要存在的问题是(I)镁具有较大的热脆性，且活性很高，容易与空气中的氧气发生反应在表面形成一层惰性氧化物膜，氧化物膜的存在不利于母材原子的相互扩散；
(2)镁与铝易相互反应，焊接接头界面区域生成大量高硬度脆性金属间化合物并出现分层现象，导致焊接接头强度不高。目前，在焊接母材之间添加中间层是一种解决镁铝扩散焊接接头非常有效的方法。研究表明，通过添加单一 Zn、Ag等作为中间层焊接可以实现Mg-Al异种金属焊接，但通过设计复合中间层的扩散焊接方法焊接Mg-Al异种金属尚未报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含复合中间层的镁合金与铝合金扩散接方法，该方法通过采用铝薄膜和镍箔作为复合中间层，并且利用真空扩散焊接工艺在低温下实现镁合金与铝合金的高强焊接。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的是一种含复合中间层的镁合金与铝合金扩散焊接方法，其利用磁控溅射技术在镁合金待焊面沉积铝薄膜层，同时添加镍箔作为复合中间层，利用真空扩散焊接工艺在较低温度下实现了镁合金与铝合金异种材料的高强焊接，具体包括以下步骤
(I)待焊面的清洗
对镁合金、镍箔、铝合金待焊面进行机械抛光，用无水乙醇或丙酮进行超声清洗后转入无水乙醇或丙酮中存放；
(2)镁合金待焊面的磁控溅射镀Al薄膜处理
利用磁控溅射技术对清洗后的镁合金表面沉积铝薄膜，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
(3)镁合金与铝合金扩散焊接
利用真空扩散焊接工艺对镁合金与铝合金进行扩散焊接，其方法是将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次叠放形成工件，随后置入真空扩散焊接炉，当真空度优于6 X KT3Pa时，开始加热；扩散焊接工艺为焊接温度40(T460°C，保温时间l(Tl20min，焊接压力 O. I 3MPa ；
经过上述步骤，实现镁合金与铝合金的扩散焊接，得到Mg/Al薄膜/Ni箔/Al的焊接件。所述磁控溅射技术所采用的靶材可以为纯度99. 99%的铝靶，其工艺参数可以为基片温度为(T300°C，溅射功率为5(Tl00W，氩气气压为O. 5 I. 5Pa，沉积时间为l(T30min。所述镁合金可以为AZ31B或MB2镁合金，或由纯镁替换。所述铝合金可以为LY12或6061铝合金，或由纯铝替换。所述的镍箔厚度可以为l(Tl00Mm，纯度为99. 9%。本发明提供的镁合金与铝合金的扩散焊接方法与现有技术相比具有以下的主要优点
其一.在低温下实现镁合金与铝合金的高强焊接
在低温下实现镁合金与铝合金的高强焊接是通过采用铝薄膜和镍箔作为复合中间层实现的，其中，铝薄膜采用磁控溅射技术沉积在母材镁合金待焊面，铝薄膜的加入能改善Mg合金待焊面抗氧化能力，改变了镁/铝连接界面物相组成和显微结构，同时铝薄膜和镍箔复合中间层的添加阻碍了镁铝原子的直接相互扩散，阻止了高硬度脆性镁铝系金属间化合物的生成，提高了 Mg-Al的焊接强度，其剪切强度达到26MPa。其二 .可以实现多种镁合金和铝合金的高强度焊接。其三.工艺简单、适应性强、利于推广，并能为其他异种金属连接提供中间层设计 思路。
图I是本发明的工艺流程图。图2是本发明在磁控溅射工艺基片温度300°C，溅射功率50W，氩气气压I. 5Pa，沉积时间IOmin在Mg表面沉积的Al薄膜物相分析图。图3是本发明在磁控溅射工艺基片温度0°C，溅射功率100W，氩气气压O. 5Pa，沉积时间30min,在Mg表面沉积的Al薄膜显微结构图。图4是在连接温度440°C，保温时间30min，连接压力3MPa下制备的镁铝扩散焊接界面显微结构图。图5是图4所示界面元素线扫描图。
具体实施方式
本发明提供的含复合中间层的镁合金与铝合金扩散焊接的方法，选用磁控溅射镀膜技术在焊接母材镁合金待焊面沉积铝薄膜层，和镍箔一起作为复合中间层，利用真空扩散焊接实现镁合金与铝合金高强焊接目的。下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述实施例。实施例I :
对镁合金、铝合金进行真空扩散焊接，其中镁合金待焊件为直径Φ25X5mm Mgl纯镁，铝合金待焊件为直径Φ25Χ5πιπι1060Α纯铝，镍箔厚度10Mm，铝薄膜厚度I. 5Mm。具体步骤如下
I.待焊面的清洗 用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000#、1200#砂纸和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊面，进行机械抛光，用丙酮溶液超声清洗lOmin，转入丙酮溶液中存放。2.镁合金待焊面磁控溅射镀Al薄膜处理
将上述处理后的镁合金待焊面采用磁控溅射沉积Al薄膜层。磁控溅射Al薄膜工艺为基片温度300°C，溅射功率50W，氩气气压I. 5Pa，沉积时间lOmin，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；如图2所示为Mg表面沉积的Al薄膜物相分析图。3.镁合金与铝合金扩散焊接
将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次装入WC硬质合金模具(简称模具)中；将装配好的模具放入真空扩散焊接炉进行扩散连接，扩散焊接工艺条件为焊接温度440°C，保温时间30min，焊接压力3MPa。得到的连接体结合紧密，平行性好，平面精度高，接头剪切强度达到26MPa。扩散焊接界面显微结构图如图4所示，界面元素线扫描图如图5所示。实施例2
对镁合金、铝合金进行真空扩散焊接，其中镁合金待焊件为直径Φ25Χ5πιπι ΜΒ2镁合金，铝合金待焊件为直径Φ25Χ5πιπι2Α12铝合金，镍箔中间层厚度lOOMm，铝薄膜厚度2Mm。具体步骤如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000#、1200#砂纸和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊面，进行机械抛光，用丙酮溶液超声清洗lOmin，转入丙酮溶液中存放。2.镁合金待焊面磁控溅射镀Al薄膜处理
将上述处理后的镁合金待焊面采用磁控溅射沉积Al薄膜层。磁控溅射Al薄膜工艺为基片温度(TC，溅射功率100W，氩气气压O. 5Pa，沉积时间30min，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；如图3所示为在Mg表面沉积的Al薄膜显微结构图。3.镁合金与铝合金扩散焊接
将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次装入WC硬质合金模具(简称模具)中；将装配好的模具放入真空扩散焊接炉进行扩散连接，扩散焊接工艺条件为焊接温度400°C，保温时间120min，焊接压力O. IMPa0得到的连接体结合紧密，平行性好，平面精度高，接头剪切强度达到15MPa。实施例3 对镁合金、铝合金进行真空扩散焊接，其中镁合金待焊件为直径Φ25Χ5πιπι ΑΖ31Β镁合金，铝合金待焊件为直径Φ25X5mm 6061铝合金，镍箔中间层厚度30Mm，铝薄膜厚度
1.8Mm。具体步骤如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000#、1200#砂纸和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊面，进行机械抛光，用丙酮溶液超声清洗lOmin，转入丙酮溶液中存放。2.镁合金待焊面磁控溅射镀Al薄膜处理
将上述处理后的镁合金待焊面采用磁控溅射沉积Al薄膜层。磁控溅射Al薄膜工艺为 基片温度200°C，溅射功率75W，氩气气压I. OPa，沉积时间20min，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.镁合金与铝合金扩散焊接
将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次装入WC硬质合金模具(简称模具)中；将装配好的模具放入真空扩散焊接炉进行扩散连接，扩散焊接工艺条件为焊接温度460°C，保温时间lOmin，焊接压力IMPa。得到的连接体结合紧密，平行性好，平面精度高，接头剪切强度达到20MPa。实施例4
对镁合金、铝合金进行真空扩散焊接，其中镁合金待焊件为直径Φ25X5mm Mgl纯镁，铝合金待焊件为直径Φ25Χ5·ι 2Α12铝合金，镍箔中间层厚度50Mm，铝薄膜厚度
2.2Mm。具体步骤如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000#、1200#砂纸和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊面，进行机械抛光，用丙酮溶液超声清洗lOmin，转入丙酮溶液中存放。2.镁合金待焊面磁控溅射镀Al薄膜处理
将上述处理后的镁合金待焊面采用磁控溅射沉积Al薄膜层。磁控溅射Al薄膜工艺为基片温度150°C，溅射功率100W，氩气气压I. OPa，沉积时间30min，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.镁合金与铝合金扩散焊接
将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次装入WC硬质合金模具(简称模具)中；将装配好的模具放入真空扩散焊接炉进行扩散连接，扩散焊接工艺条件为焊接温度420°C，保温时间15min，焊接压力2MPa。得到的连接体结合紧密，平行性好，平面精度高，接头剪切强度达到18MPa。实施例5
对镁合金、铝合金进行真空扩散焊接，其中镁合金待焊件为直径Φ25X5mm Mgl纯镁，铝合金待焊件为直径Φ 25 X 5mm2A12铝合金，镍箔中间层厚度80Mm，铝薄膜厚度2. OMm。具体步骤如下I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000#、1200#砂纸和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊面，进行机械抛光，用丙酮溶液超声清洗lOmin，转入丙酮溶液中存放。2.镁合金待焊面磁控溅射镀Al薄膜处理
将上述处理后的镁合金待焊面采用磁控溅射沉积Al薄膜层。磁控溅射Al薄膜工艺为基片温度100°C，溅射功率25W，氩气气压I. OPa，沉积时间30min，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.镁合金与铝合金扩散焊接
将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次装入WC硬质合金模具(简称模具)中；将装配好的模具放入真空扩散焊接炉进行扩散连接，扩散焊接工艺条件为焊接温度410°C， 保温时间lOOmin，焊接压力0.5MPa。得到的连接体结合紧密，平行性好，平面精度高，接头剪切强度达到17MPa。实施例5
对镁合金、铝合金进行真空扩散焊接，其中镁合金待焊件为直径Φ25Χ5πιπι Mgl纯镁，铝合金待焊件为直径Φ25Χ5πιπι2Α12铝合金，镍箔中间层厚度80Mm，铝薄膜厚度I. 8Mm。具体步骤如下
I.待焊面的清洗
用超精密平面磨床将镁合金和铝合金加工成圆薄片，焊前用1000#、1200#砂纸和05、06号金相砂纸打磨圆薄片的待焊面，进行机械抛光，用丙酮溶液超声清洗lOmin，转入丙酮溶液中存放。2.镁合金待焊面磁控溅射镀Al薄膜处理
将上述处理后的镁合金待焊面采用磁控溅射沉积Al薄膜层。磁控溅射Al薄膜工艺为基片温度150°C，溅射功率50W，氩气气压O. 8Pa，沉积时间25min，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件；
3.镁合金与铝合金扩散焊接
将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次装入WC硬质合金模具(简称模具)中；将装配好的模具放入真空扩散焊接炉进行扩散连接，扩散焊接工艺条件为焊接温度430°C，保温时间45min，焊接压力2MPa。得到的连接体结合紧密，平行性好，平面精度高，接头剪切强度达到19MPa。
权利要求
1.ー种镁合金与铝合金扩散焊接方法，其特征是一种含复合中间层的镁合金与铝合金扩散焊接方法，该方法是添加铝薄膜和镍箔作为复合中间层，利用真空扩散焊接技术实现镁合金与铝合金异种金属材料的高强焊接，具体包括以下步骤 (1)待焊面的清洗 对镁合金、镍箔、铝合金待焊面进行机械抛光，用无水こ醇或丙酮进行超声清洗后转入无水こ醇或丙酮中存放； (2)镁合金待焊面的磁控溅射镀Al薄膜处理 利用磁控溅射对清洗后的镁合金表面沉积铝薄膜，形成镁合金待焊面含Al薄膜的待焊件； (3)镁合金与铝合金扩散焊接 利用真空扩散焊接エ艺对镁合金与铝合金进行扩散焊接，其方法是将表面含Al薄膜的镁合金、镍箔、铝合金依次叠放形成エ件，随后置入真空扩散焊接炉，当真空度优于6 X KT3Pa时，开始加热；扩散焊接エ艺为焊接温度40(T460°C，保温时间l(Tl20min，焊接压力 O. I 3MPa ； 经过上述步骤，实现镁合金与铝合金的扩散焊接，得到Mg/Al薄膜/Ni箔/Al的焊接件。
2.如权利要求I所述的镁合金与铝合金扩散焊接方法，其特征是所述磁控溅射过程所采用的靶材为纯度99. 99%的铝靶，其エ艺參数为基片温度为(T300°C，溅射功率为50 100W，氩气气压为O. 5 I. 5Pa，沉积时间为l(T30min。
3.如权利要求I所述的镁合金与铝合金扩散焊接方法，其特征是所述镁合金为AZ31B或MB2镁合金，或由纯镁替换。
4.如权利要求I所述的镁合金与铝合金扩散焊接方法，其特征是所述铝合金为LY12或6061铝合金，或由纯铝替换。
5.如权利要求I所述的镁合金与铝合金扩散焊接方法，其特征是所述的镍箔厚度为IO^lOOMm,纯度为 99. 9%。
全文摘要
本发明基于含复合中间层的镁合金与铝合金低温高强焊接的方法是利用铝薄膜和镍箔作为复合中间层，其中铝薄膜是通过磁控溅射沉积在镁合金待焊面上，采用真空扩散焊接在焊接温度400~460℃，保温10~120min，焊接压力0.1~3MPa。本发明的优点在于利用铝薄膜和镍箔复合中间层实现镁合金与铝合金的扩散焊接；铝薄膜层和镍箔的加入改变了镁/铝界面物相组成和显微结构，避免了界面处高硬度脆性镁铝金属间化合物的生成，剪切强度达到26MPa，其中镁合金待焊面上磁控溅射镀铝膜提高了易氧化的镁合金待焊面的抗氧化性，并改善Mg-Ni之间生成物的结构与性能，适合不同种类的镁合金与铝合金的可靠焊接，工艺简单，平行精度高，焊接件变形小。
文档编号B23K20/14GK102861986SQ20121038580
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者沈强, 张建, 罗国强, 李美娟, 王传彬, 张联盟 申请人:武汉理工大学