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CN118926700A - 一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法 - Google Patents

一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法 Download PDF

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CN118926700A
CN118926700A CN202411250708.2A CN202411250708A CN118926700A CN 118926700 A CN118926700 A CN 118926700A CN 202411250708 A CN202411250708 A CN 202411250708A CN 118926700 A CN118926700 A CN 118926700A
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magnesium
aluminum alloy
alloy ultrathin
improving
performance
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CN202411250708.2A
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吴哲
武贤龙
周楷涵
王佑宾
高清帅
王宁
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Original Assignee
Northeast Forestry University
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Abstract

本发明公开了一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，包括以下步骤：将经过预处理的铝合金超薄板和镁合金超薄板进行搭接，铝合金超薄板在上，镁合金超薄板在下，在搭接区域夹设中间层，中间层从上至下依次为锌箔、镍箔，得到待焊件；对待焊件的搭接区域进行激光焊接。本发明的方法，不仅可以有效控制因激光能量过高导致镁合金温度过高进而引起的热缺陷，使焊缝成形质量更好，接头缺陷更少，还可以抑制元素扩散现象的发生，以韧性相取代脆性相，改善熔池内部发生的冶金反应，使得镁/铝合金超薄板接头的力学性能得到大幅度提升。

Description

一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法
技术领域
本发明属于异种金属材料焊接工艺技术领域，具体涉及一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法。
背景技术
镁合金具有密度低、比强度高、塑性高等特点，铝合金具有成本低、耐腐蚀性强等特点。Mg/Al复合结构材料构件能够将两者优点结合，且与制造业高质量发展需求有着良好的适配性，可以广泛应用于航空航天、交通运载等领域，应用前景十分广阔。因而，镁合金和铝合金材料的成功连接成为未来发展的必然趋势。
然而，镁合金与铝合金作为两异种金属，在热物理性质上具有较大的差异性，如沸点差异(镁合金约为1380K、铝合金约为2793K)，导热系数差异(镁合金约为114W·m-1·k-1、铝合金约为167W·m-1·k-1)等，这些差异的存在使得在镁/铝连接过程中极易出现气孔、裂纹等缺陷，并且由于冶金的不相容性极易在镁/铝界面处产生硬而脆的Mg-Al金属间化合物(IMC)，包括Mg17Al12、Mg2Al3和MgAl，这使得镁/铝合金连接后获得的接头的性能并不理想。另外，采用常规焊接方法对镁合金超薄板和铝合金超薄板进行焊接时，通常无法保证激光热源能够在接头内部有均衡的纵向能量输入，进而导致接头内部纵向呈现出较大的温度梯度，以至于上部IMC层厚度大，底部甚至出现未熔合的现象，这严重影响了接头的力学性能。因此，如何克服上述缺陷，获得一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，对于实现镁/铝合金超薄板连接件的广泛应用具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，包括以下步骤：
S1、将铝合金超薄板、镁合金超薄板进行预处理；
S2、将预处理的铝合金超薄板和预处理的镁合金超薄板进行搭接，在搭接区域夹设中间层，得到待焊件；所述预处理的铝合金超薄板在上，所述预处理的镁合金超薄板在下，所述中间层从上至下依次为锌箔、镍箔；
S3、对待焊件的搭接区域进行激光焊接。
上述的方法，进一步改进的，步骤S2中，所述锌箔的厚度为0.01mm～0.03mm，所述锌箔的纯度≥99.9％，所述镍箔的厚度为0.01mm～0.03mm，所述镍箔的纯度≥99.9％。
上述的方法，进一步改进的，步骤S1中，所述镁合金超薄板的厚度为0.1mm～0.5mm，所述铝合金超薄板的厚度为0.1mm～0.5mm。
上述的方法，进一步改进的，所述镁合金超薄板和铝合金超薄板的宽度相同；所述镍箔和锌箔的大小、形状均相同，且能完全覆盖在搭接区域。
上述的方法，进一步改进的，步骤S3中，所述激光焊接采用纳秒脉冲激光发射器进行激光焊接。
上述的方法，进一步改进的，步骤S3中，所述激光焊接的工艺参数为：激光功率为20W～50W，焊接速度为10mm/s～70mm/s，脉冲频率为20kHz～30kHz，离焦量为0。
上述的方法，进一步改进的，步骤S3中，所述激光焊接按照同心圆式的激光扫描路径进行焊接；所述同心圆式的激光扫描路径具体为：预设同心圆的最外层圆的直径为3.6mm、最内层圆的直径为0.08mm、且每相邻同心圆的直径相差0.08mm，将激光焊接设备的激光束沿相邻同心圆之间的间隙移动，由外向内形成同心圆式的焊接轨迹。
上述的方法，进一步改进的，步骤S3中，所述纳秒脉冲激光发射器的最大输出功率为50W、脉冲频率为20kHz～200kHz、光斑直径为0.1mm。
上述的方法，进一步改进的，步骤S3中，所述待焊件在激光焊接之前先进行以下处理：采用夹具将待焊件夹紧；所述待焊件的各材料之间的间隙＜0.1mm。
上述的方法，进一步改进的，步骤S1中，所述预处理为依次进行打磨、抛光、浸泡、干燥；所述打磨的具体过程为：依次采用400目、800目、1200目的砂纸分别对镁合金超薄板、铝合金超薄板表面进行打磨；所述抛光的具体过程为：分别对打磨后的镁合金超薄板、铝合金超薄板进行抛光，抛光过程中加入金刚石喷雾抛光剂；所述抛光采用抛光机进行抛光，所述抛光机的转速为300r/min，所述金刚石喷雾抛光剂的粒度为2.5μm；所述浸泡为采用无水乙醇进行浸泡；所述干燥为采用冷风机吹干。
上述的方法，进一步改进的，步骤S1中，所述铝合金超薄板的材质为6061铝合金，所述镁合金超薄板的材质为AZ31B镁合金。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，铝合金超薄板在上、镁合金超薄板在下将两者进行搭接，搭接区域嵌入锌箔-镍箔作为中间层，进行激光焊接。本发明的方法，以锌箔-镍箔作为中间层，一方面，可以吸收部分激光能量，有效控制因激光能量过高导致镁合金温度过高进而引起的热缺陷，使焊缝成形质量更好，接头缺陷更少；另一方面，能够阻隔激光焊接时液态镁/铝流动所导致的直接接触，进而遏制Mg、Al元素的混合，有效地避免脆性Mg-Al金属间化合物的生成，同时，在结合面处产生大量的Mg-Zn、Mg-Ni和Al-Ni等混合韧性相，使得镁/铝合金超薄板接头的力学性能得到大幅度提升。本发明的方法，可以广泛地应用于镁合金超薄板和铝合金超薄板激光焊接相关领域，其镁合金超薄板、铝合金超薄板厚度均可低至0.2mm，应用前景十分广阔。
(2)本发明的方法，采用纳秒脉冲激光发射器进行激光焊接，激光焊接的工艺参数为：激光功率为20W～50W、焊接速度为10mm/s～70mm/s、脉冲频率为20kHz～30kHz、离焦量为0，且按照同心圆式的激光扫描路径，可以改善激光温度场的分布，有利于缩小接头内部的温度梯度，调控出接头内部纵向上更为均匀的激光能场，使得镁/铝合金超薄板接头的成形质量更好，避免产生焊接不充分现象。
附图说明
图1为本发明实施例1中待焊件夹紧在焊接工作台的示意图。
图2为本发明实施例1中镁合金超薄板、铝合金超薄板的搭接示意图。
图3为本发明实施例1中激光焊接的激光扫描路径的示意图。
图4为本发明实施例1中镁合金超薄板和铝合金超薄板激光焊接后焊缝的表面实物图。图4中，(a)为铝侧焊缝，(b)为镁侧焊缝。
图5为对比例1中镁合金超薄板和铝合金超薄板激光焊接后焊缝的表面实物图。图5中，(a)为铝侧焊缝，(b)为镁侧焊缝。
图6为本发明实施例1、对比例1～4中镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的SEM图。图6中，(a)为对比例1镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的SEM图，(b)为对比例2镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的SEM图，(c)为对比例3镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的SEM图，(d)为对比例4镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的SEM图，(e)为实施例1镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的SEM图。
图7为本发明实施例1、对比例1中镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的EDS图。图7中，(a)为对比例1镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的EDS图，(b)为实施例1镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接后熔池的EDS图。
图8为本发明实施例1、对比例1中镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接接头的XRD图。图8中，(a)为对比例1镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接接头的XRD图，(b)为实施例1镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接接头的XRD图。
图9为本发明实施例1、对比例1～4中镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接接头的抗拉强度直方图。
图10为本发明实施例1、对比例5～7中镁合金超薄板和铝合金超薄板焊接接头的抗拉强度直方图。
图中各标号表示：
1、镁合金超薄板；2、铝合金超薄板；3、夹板；4、螺栓；5、焊接区域；6、工作台；7、螺栓孔；8、中间层；9、脉冲激光。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1：
一种本发明的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，包括以下步骤：
S1、选用AZ31B镁合金超薄板、6061铝合金超薄板、镍箔、锌箔作为原材料，其中，镁合金超薄板、铝合金超薄板的尺寸规格均为50mm×10mm×0.2mm，镍箔、锌箔的尺寸规格均为10mm×10mm×0.02mm，锌箔、镍箔的纯度均为99.9％。
(2)依次采用400目、800目、1200目的砂纸分别打磨镁合金超薄板、铝合金超薄板表面，去除表面氧化物；再采用300r/min转速的抛光盘进行抛光，抛光过程中加入粒度为2.5μm的金刚石喷雾抛光剂，增大抛光布的摩擦力，以去除表面划痕；将镁合金超薄板、铝合金超薄板放在无水乙醇中浸泡五分钟，并用冷风机吹干；得到预处理的镁合金超薄板、预处理的铝合金超薄板。
(3)预处理的铝合金超薄板在上、预处理的镁合金超薄板在下将两者进行搭接，在搭接区域从上至下依次嵌入锌箔、镍箔作为中间层，采用夹具将其夹紧在焊接工作台上，如图1、图2所示，得到待焊件；即待焊件从上至下依次为预处理的铝合金超薄板、锌箔、镍箔、预处理的镁合金超薄板，待焊件的各材料之间的间隙＜0.1mm。
具体操作：在工作台6上将预处理的材料按照自上而下依次为铝合金超薄板2、中间层8、镁合金超薄板1的搭接顺序进行搭接，然后将夹板3按压在搭接好的待焊件上，用螺栓4穿过夹板3拧紧在螺栓孔7中，将待焊件固定在工作台6上，露出焊接区域5；然后，调整好激光焊接参数，绘制好激光扫描路径，发射脉冲激光9进行纳秒脉冲激光焊接。
(4)采用纳秒脉冲激光发射器对待焊件的搭接区域进行激光焊接；其中，激光焊接按照同心圆式的激光扫描路径进行焊接，如图3所示，具体为：预设同心圆的最外层直径为3.6mm、最内层直径为0.08mm、每相邻两个圆的直径相差0.08mm，将相邻两个圆的间距为0.04mm的圆环作为焊接图案，由外向内的方向进行焊接，即由最外层同心圆向最内层同心圆的方向移动；激光焊接的工艺参数为：激光功率为25W、激光扫描速度为50mm/s、脉冲频率为20kHz离焦量为0。
本实施例中，采用的纳秒脉冲激光发射器为JW-F30W激光器，该激光器的最大输出功率为50W、脉冲频率为20kHz～200kHz、光斑直径为0.1mm。
表1AZ31B镁合金超薄板成分(质量百分含量％)
Mg Al Zn Mn Si Fe Cu Ni
＞95 3.1 0.9 0.32 0.012 0.0021 0.009 0.0009
表2 6061铝合金超薄板成分(质量百分含量％)
Al Mg Mn Si Fe Cu Cr Zn Ti
＞96 0.6～1.2 0.15 0.40 0.70 0.15 0.05～0.35 0.25 0.1
对比例1：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，搭接区域不设置中间层。
对比例2：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，在搭接区域仅嵌入锌箔作为中间层。
对比例3：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，在搭接区域仅嵌入钛箔作为中间层。
对比例4：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，在搭接区域仅嵌入镍箔作为中间层。
对比例5：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，在搭接区域从上至下依次嵌入钛箔、锌箔作为中间层。
对比例6：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，在搭接区域从上至下依次嵌入镍箔、锌箔作为中间层。
对比例7：
一种镁/铝合金超薄板焊接的方法，与实施例1中提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法基本相同，区别仅在于：步骤(3)中，在搭接区域从上至下依次嵌入镍箔、钛箔作为中间层。
通过SEM扫描电子显微镜观察焊缝微观形貌；EDS量色散光谱仪观察截面处元素分布；X射线衍射仪检测接头的物相组成；万能试验机在常温情况下对焊接后的接头进行拉伸试验，采三个数据点取平均值，结果如图4～图10所示。
结合图4、图5可以看出，对比例1中未添加中间层条件下对铝合金超薄板、镁合金超薄板进行焊接，其铝侧焊缝中间、边缘产生不同程度的裂纹，镁侧表现出明显清晰的焊缝，且中心处伴有裂纹。相较于对比例1，实施例1中以锌箔-镍箔作为中间层对铝合金超薄板、镁合金超薄板进行激光焊接，其铝侧成形性良好，镁侧焊缝模糊、且在中心处没有焊缝出现，表现出了良好的温度分布，避免了高温下镁合金产生的热缺陷。可见，本发明的方法以锌箔-镍箔作为中间层，在对铝合金超薄板、镁合金超薄板进行激光焊接时，可以吸收部分激光能量，有效控制了因激光能量过高导致镁合金温度过高进而引起的热缺陷，使焊缝成形质量更好，接头缺陷更少。
结合图6～图8可以看出，对比例1中未添加中间层条件下，Mg、Al元素扩散强烈，产生Mg17Al12、Mg2 Al3等二元脆性相。对比例2中以锌箔作为中间层，如图(b)所示，由于锌箔的沸点较低，在高能量激光束照射下汽化，在SEM图像中已无法观察到中间层的存在，可见，锌箔作为中间层对于Mg、Al元素扩散的抑制作用不明显。对比例3中以钛箔作为中间层，如图(c)所示，在脉冲激光作用下，钛箔在中间层区域以“细长条”状出现，两脉冲点之间间距较大，由于钛箔没有充分熔化形成液态金属(钛的熔点为1933K)，从而也就无法抑制Mg、Al元素的结合。对比例4中以镍箔作为中间层，如图(d)所示，虽然可以看出镍箔已充分熔化形成液态金属，但出现明显且较大的塌陷，不利于接头力学性能的提升。相较于不添加中间层、锌箔中间层、钛箔中间层、镍箔中间层，实施例1中以锌箔-镍箔作为中间层，在脉冲激光高能量密度作用下，锌箔和镍箔有效地抑制了Mg、Al元素之间的扩散，转而在结合面处产生MgZn2、MgZn、AlNi3、AlNi、MgNi2等二元韧性相，提升了焊接接头的力学性能；同时，在结合面处产生Mg-Al-Zn三元韧性相，进一步提升了焊接接头的力学性能。可见，本发明中采用锌箔-镍箔作为中间层对铝合金超薄板、镁合金超薄板进行激光焊接，在结合面处不仅可以有效阻隔Mg、Al元素深入扩散，还可以产生大量Mg-Zn、Mg-Ni和Al-Ni等混合韧性相，使Mg-Al脆性相变得可控，从而提高焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能。
结合图9、图10可以看出，相较于对比例1中未添加中间层，以锌箔、钛箔、镍箔、镍箔-锌箔作为中间层，其焊接接头抗拉强度提升十分有限；而以钛箔-锌箔、镍箔-钛箔作为中间层，其焊接接头抗拉强度反而下降；实施例1中以锌箔-镍箔作为中间层，其焊接接头抗拉强度达到70.2MPa，提升26.5％。
综上所述，本发明的方法以锌箔-镍箔作为中间层，一方面，改善焊缝表面形貌，使接头内部温度分布更为均匀，有效控制热缺陷的过多产生；另一方面，抑制元素扩散现象的发生，以韧性相取代了脆性相，改善了熔池内部发生的冶金反应，使焊接接头的力学性能得到极大提升。本发明的方法，适用于镁/铝合金超薄板激光焊接相关领域，如纳秒脉冲激光焊接，应用前景十分广泛。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将铝合金超薄板、镁合金超薄板进行预处理；
S2、将预处理的铝合金超薄板和预处理的镁合金超薄板进行搭接，在搭接区域夹设中间层，得到待焊件；所述预处理的铝合金超薄板在上，所述预处理的镁合金超薄板在下，所述中间层从上至下依次为锌箔、镍箔；
S3、对待焊件的搭接区域进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S2中，所述锌箔的厚度为0.01mm～0.03mm，所述锌箔的纯度≥99.9％，所述镍箔的厚度为0.01mm～0.03mm，所述镍箔的纯度≥99.9％。
3.根据权利要求2所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S1中，所述镁合金超薄板的厚度为0.1mm～0.5mm，所述铝合金超薄板的厚度为0.1mm～0.5mm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S3中，所述激光焊接采用纳秒脉冲激光发射器进行激光焊接。
5.根据权利要求4所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S3中，所述激光焊接的工艺参数为：激光功率为20W～50W，焊接速度为10mm/s～70mm/s，脉冲频率为20kHz～30kHz，离焦量为0。
6.根据权利要求5所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S3中，所述激光焊接按照同心圆式的激光扫描路径进行焊接；所述同心圆式的激光扫描路径具体为：预设同心圆的最外层圆的直径为3.6mm、最内层圆的直径为0.08mm、且每相邻同心圆的直径相差0.08mm，将激光焊接设备的激光束沿相邻同心圆之间的间隙移动，由外向内形成同心圆式的焊接轨迹。
7.根据权利要求6所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S3中，所述纳秒脉冲激光发射器的最大输出功率为50W、脉冲频率为20kHz～200kHz、光斑直径为0.1mm。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S3中，所述待焊件在激光焊接之前先进行以下处理：采用夹具将待焊件夹紧；所述待焊件的各材料之间的间隙＜0.1mm。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S1中，所述预处理为依次进行打磨、抛光、浸泡、干燥；所述打磨的具体过程为：依次采用400目、800目、1200目的砂纸分别对镁合金超薄板、铝合金超薄板表面进行打磨；所述抛光的具体过程为：分别对打磨后的镁合金超薄板、铝合金超薄板进行抛光，抛光过程中加入金刚石喷雾抛光剂；所述抛光采用抛光机进行抛光，所述抛光机的转速为300r/min，所述金刚石喷雾抛光剂的粒度为2.5μm；所述浸泡为采用无水乙醇进行浸泡；所述干燥为采用冷风机吹干。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的提高镁/铝合金超薄板接头性能的方法，其特征在于，步骤S1中，所述铝合金超薄板的材质为6061铝合金，所述镁合金超薄板的材质为AZ31B镁合金。
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