基于不熔中间层的镁与铝快速固-液MIG扩散焊方法

本发明涉及一种适用于异种低熔点金属的快速固-液mig扩散焊接方法，具体涉及一种基于不熔中间层的镁与铝异种金属的快速固-液mig扩散焊方法，属于异种金属材料的特种焊接。

背景技术：

1、轻质金属材料镁与铝被广泛应用在航空航天及新能源汽车工业中，因此镁/铝轻量化焊接结构具有广泛的应用前景。在航空航天和新能源汽车工业中，镁/铝复合结构可替代传统的钢结构，提高军/民用飞机、汽车等现代化交通工具的推重比，对运载设备的轻量化、节能减排等有重大的实际意义。实现镁/铝复合结构的可靠焊接，会大大推动镁/铝轻量化复合结构在飞机、新能源汽车等交通工具制造领域的应用。

2、由于镁与铝的冶金不相溶性和脆性金属间化合物的形成等问题，采用传统熔焊技术难以实现镁与铝的可靠焊接。近年来，针对镁与铝异种金属的直接熔焊研究得到的焊接接头力学性能较差（yaqoob mohsin baqer, s. ramesh, f. yusof, s. m. manladan.challenges and advances in laser welding of dissimilar light alloys: al/mg,al/ti, and mg/ti alloys [j]. international journal of advanced manufacturingtechnology, 2018, 95: 4353-4369.），而通过添加中间层进行镁与铝的焊接研究得到了更多的重视，并取得了一定的研究进展（l. h. shah, a. gerlich, y. zhou. designguideline for intermetallic compound mitigation in al-mg dissimilar weldingthrough addition of interlayer [j]. international journal of advancedmanufacturing technology, 2018, 94: 2667-2678.）。然而经过文献研究发现，在熔焊过程中，添加中间层材料虽然可以抑制mg-al金属间化合物的形成，但同步熔化的中间层材料也可能与镁或铝反应，形成更为复杂的组织，对焊接结构不利。因此本发明提出了一种添加不熔中间层的固-液mig扩散焊方法，利用固态中间层的隔离作用来抑制镁与铝焊接时有害金属间化合物形成的问题。

技术实现思路

1、针对目前镁与铝异种金属焊接技术的不足，为了提高焊接工件强度，降低设备要求，本发明提供了一种基于不熔中间层的镁与铝快速固-液mig扩散焊方法进行镁与铝的薄板对接mig焊。

2、本发明是一种基于不熔中间层的镁与铝快速固-液mig扩散焊技术，在镁与铝熔化焊中添加高熔点的中间层，焊接时控制中间层不熔化，利用固态中间层阻碍液态镁与液态铝的直接接触反应，避免mg-al金属间化合物的形成；同时在焊接热源影响下中间层与两侧液态金属之间发生快速固-液界面扩散，形成可靠的界面结合。利用本发明提供的方法可以实现镁与铝异种金属的无缺陷焊接，形成的镁/铝焊接接头质量稳定、力学性能较高。本发明采用的镁与铝快速固-液mig扩散焊方法进行镁与铝异种金属的焊接，具有以下特点：（1）mig焊接热源可实现镁/中间层/铝的快速固-液扩散焊接，提高焊接效率；（2）利用不熔中间层，阻止了液态镁与液态铝的直接接触，避免了mg-al金属间化合物的形成；（3）固态中间层与两侧液态金属之间通过固-液界面扩散反应，形成可靠的界面结合。具备上述特点的焊接方法，恰恰能抑制镁与铝焊接时有害金属间化合物的形成，实现无缺陷焊接，提高接头的力学性能。

3、本发明提供的一种基于不熔中间层的镁与铝快速固-液mig扩散焊方法，具体包括以下步骤：

4、1）焊前清除中间层、镁母材、铝母材表面的油污和氧化膜，使待焊表面光洁、干燥并且无杂质；

5、2）先用工装夹具将第一母材与箔状中间层进行固定，使用第一母材对应成分的焊丝进行焊接，焊后工件在自然条件下冷却至室温；然后用工装夹具将焊好的复合结构与第二母材对接固定，装配顺序是第一母材/中间层/第二母材，使用第二母材对应成分的焊丝进行焊接；焊接过程中，焊缝正、背双面用惰性气体保护；第一母材和第二母材对应的是镁母材或铝母材，二者顺序可调换；

6、以先焊镁侧后焊铝侧为例，用工装夹具将镁母材水平固定，箔状中间层平面与镁母材待焊面之间以v型结构相接，二者夹角设定为40°~50°；使用直径1.2 mm的az31镁焊丝进行焊接，焊缝正、背双面用惰性气体保护；焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；然后用工装夹具将焊有中间层的镁与铝母材无间隙对接固定，中间层平面与铝母材待焊面形成的坡口角度是50°~40°，使用直径1.2 mm的er5183铝焊丝进行焊接，焊缝正、背双面用惰性气体保护；

7、3）焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；冷却后，打开工装夹具，取下工件。

8、所属步骤1）中，中间层材料可以选择纯钛、钛合金、纯镍、镍合金中的一种；中间层的厚度范围是50 μm ~ 1000 μm。

9、所属步骤1）中，中间层表面的处理方法是：使用细钢刷精磨中间层两侧表面直至全部露出金属光泽，然后用无水丙酮冲洗并晾干。

10、所属步骤1）中，镁母材表面的处理方法是：用钢丝刷精磨镁母材待焊表面，直至全部露出金属光泽；然后用体积分数20%的hno3水溶液浸蚀2 min，再用50 ℃ ~ 90 ℃纯净水清洗2 min；最后用无水丙酮冲洗并晾干。

11、所属步骤1）中，铝母材表面的处理方法是：先用氢氧化钠温水溶液碱洗3 ~ 5min；再用体积分数为30%的硝酸水溶液酸洗2 ~ 3 min；最后用无水丙酮冲洗并晾干。其中碱洗所用氢氧化钠温水溶液中，氢氧化钠的质量分数是10%，可用分析纯度的颗粒状/片状氢氧化钠与纯净水进行溶解配比；氢氧化钠水溶液温度是50 ℃ ~ 60 ℃。

12、所述步骤2）中，中间层与镁母材待焊面的相接方式是：镁母材待焊面处于竖直状态，箔状中间层倾斜放置，使中间层下部与待焊面根部相接，而中间层平面与待焊面呈40°~50°角度。焊好的复合结构与第二母材对接固定的方式是：用工装夹具将焊好的复合结构与第二母材无间隙对接固定，中间层平面与第二母材待焊面形成的坡口角度是50°~40°。

13、所述步骤2）中，镁母材与中间层的焊接工艺参数是：焊接模式是表面张力过渡模式；焊丝正对接缝中心，焊丝干伸长是10 ~ 12 mm，送丝速率是7.5~9.5 m/min；焊接电流为80~90 a，电弧电压为17.8~18.8 v，焊接速率是55~70 cm/min。焊有中间层的镁与铝母材焊接工艺参数是：焊接模式是冷弧焊模式；焊丝正对接缝中心，焊丝干伸长是10 ~ 12 mm，送丝速率是6.5 ~8 m/min；焊接电流是90~110 a，电弧电压是17.5~18.5 v，焊接速率是60~70cm/min。使用的镁焊丝化学成分以质量百分比计：0.0006%ni，0.003%fe，0.0265%si，0.2765%mn，0.003%cu，3.2655%al，0.74%zn，0.0025%ca，余量是mg；使用的铝焊丝化学成分以质量百分比计：4.7%mg，0.8% mn，0.3 % si，0.3 % fe，0.17% zn，0.14% ti，0.08% cu，0.11% cr，余量是al。

14、另外，所述步骤2）中，焊缝正、背双面用惰性气体保护的方式是：焊缝正面用体积分数ar 80% + he 20%的混合气体保护，气体流量是15~25 l/min；焊缝背面用体积分数99.999%的高纯ar气体保护，气体流量是15~20 l/min。

15、本发明的有益效果：

16、（1）本发明提供了一种基于不熔中间层的镁与铝快速固-液mig扩散焊方法，利用不熔中间层阻止了液态镁和液态铝的直接接触，避免了有害中间相的形成，可以制得连接可靠的镁/铝焊接接头；

17、（2）采用本发明的镁与铝快速固-液mig扩散焊方法，通过添加高熔点中间层实现了镁与铝异种金属的快速固-液mig扩散焊接，并且成型件的镁/中间层、铝/中间层界面结合可靠，质量稳定；

18、（3）经过试验测试，选用纯钛、钛合金中间层的镁与铝快速固-液mig扩散焊方法制造的焊接构件，拉伸测试中焊接接头的抗拉强度都超过了110 mpa，与采用搅拌摩擦焊获得的镁/铝接头强度相当，焊接质量较高。