[发明专利]一种镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法

说明书

技术领域

本发明属于异种材料连接技术领域，具体涉及镁合金与钢的接触反应扩散钎焊连接方法。

背景技术

镁合金是目前实际应用的质量最轻的金属结构材料，被称为“21世纪的绿色工程环保材料”。由于它具有密度小(仅为1.74g/cm³)，比强度和比刚度高，减震性和抗磁性好，易于切削加工和回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航空、航天和国防等工业领域具有极其重要的应用价值和前景。然而镁合金的应用不可避免地会遇到与钢的连接问题，所以开发出镁合金与钢的高效焊接技术，特别是针对轻质复杂结构以及需大面积部件的连接显得尤为迫切。

镁合金的熔点较低，仅为650℃，对焊接温度很敏感，在传统的熔焊过程中易发生镁合金的氧化及蒸发现象，甚至在常温下镁合金也很容易发生氧化。镁钢属于异种材料，其物理化学性能相差较大，尤其是两种材料的熔点、线膨胀系数相差显著，大大增加了焊接这两种金属的难度。目前涉及镁合金与钢的连接方法主要有熔化焊、激光熔钎焊、钎焊、扩散焊以及搅拌摩擦焊。熔焊的最大问题是难于实现对焊接过程的控制，高温下镁合金容易发生过烧现象，氧化严重，并且在焊接过程中会产生较大的应力集中及大量气孔。刘黎明在熔焊镁合金与钢方面做了大量的研究。研究表明，单一的以激光和电弧为热源焊接镁合金与钢有很多的弊端。镁合金对激光能量的吸收率差，单一的用激光焊接镁钢异种金属易导致熔深不够，形成的镁钢异种金属焊接接头中易出现裂纹和气孔等缺陷，力学性能较差。单一的弧焊过程中，由于电弧本身能量是比较发散的，因此加大了在焊接中焊接热影响区的范围，使得接头的性能降低。此后，刘黎明等又利用激光电弧复合焊对镁钢进行焊接，仍未能有效的解决镁钢界面金属氧化物的问题。由于熔焊焊接温度较高，而镁合金是一种很活泼的金属，熔点沸点都比较低，很容易发生氧化生成脆性相MgO，造成焊缝中出现夹杂。在高温下还易与N2反应生成氮化物，进一步降低焊接接头的性能。

M.Wahba用激光为热源焊接镁合金AZ31B/SP781镀锌钢。由于镁合金与钢之间较大的物理性质差异，其焊接过程很不稳定(飞溅，熔深比不稳定等)，特别是当激光光束穿透镁合金进入钢试样使钢侧形成类似锁孔的形貌时，其稳定性很差。檀财旺以镁焊丝为填充材料，对AZ31镁合金/DP980镀锌钢异种合金进行单、双光束激光熔钎焊试验研究。采用单、双光束进行填丝熔钎焊均可获得较满意的外观成形，但是剪切强度测试结果表明无论单、双光束对镁合金与钢进行焊接剪切强度均较低，并且指出焊趾处裂纹的存在是导致接头失效的主要原因。

传统钎焊方法焊接镁合金与钢时一般采用熔点较低的钎料，例如Al基钎料或Zn基钎料。通过加热保温，利用钎料熔化润湿铺展后与母材反生冶金反应获得钎焊接头，由于镁合金在焊接过程中易发生氧化，一般在焊接过程中需要使用钎剂，焊后需要进行清理，并且存在气孔、“大包围”和“小包围”等焊接缺陷，接头致密性差，难以实现高致密性连接。

Takahiro等人利用扩散焊对镁合金AZ31与不同的钢板(SPCC和GI两种型号)研究锌层与铝元素对镁钢异种金属扩散焊的影响。研究结果表明，SPCC钢与镁合金并没有实现有效连接，这是因为在焊接过程中镁合金发生了氧化，其表面生成了氧化层，阻碍了镁钢之间的接触扩散。另一方面，采用相同的焊接工艺成功实现GI钢与镁合金的结合。此外，通过EPMA分析发现镁钢界面处形成一层很薄且不连续的Fe-Al金属间化合物层，正是依靠这层Fe-Al化合物才使得这两种材料形成冶金结合。所以在扩散焊中严格控制氧含量是很有必要的。

Y.Abe和Watanabe等人利用搅拌摩擦焊实现镁钢异种金属的对接连接。研究了搅拌头的旋转速度与搅拌头的偏移量对镁钢异种金属接头的微观组织和力学性能的影响。研究发现随着搅拌头的旋转速度的增加，焊缝接触面处的镁的塑性变形量提高，从而使接头的力学性能得到提高到约为镁合金母材的70％左右。但拉伸断裂位置在镁钢的界面处,说明界面的结合强度不理想。S.JANA等人采用搅拌摩擦焊技术焊接镁合金与钢异种金属进行了研究，同样发现镀锌钢板上的Zn层与镁合金的发应生成的Zn-Mg合金层提高了镁/钢接头的力学性能。

综上所述，开发出一种新型的镁合金与钢连接方法显得尤为紧迫。接触反应扩散钎焊是一种在较低的温度下依靠母材之间或母材与中间层材料之间的冶金反应(共晶反应)产生液相来实现连接的工艺方法，它能够很好的避免传统钎焊工艺中液态钎料的宏观填缝所带来的“大包围”和“小包围”现象，并且由于整个焊接过程在真空钎焊炉中进行，无需使用钎剂，是一种绿色环保的连接方法。能够很好的适应复杂精密结构件以及大面积部件的连接。

发明内容