專利名稱：用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料焊接領(lǐng)域，具體涉及一種用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
作為工業(yè)領(lǐng)域中最輕的兩種金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金和鋁合金具有比強(qiáng)度高、比剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，二者的優(yōu)質(zhì)連接可以有效降低產(chǎn)品重量，簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，因此航空航天、汽車、軌道交通等領(lǐng)域?qū)︽V/鋁異質(zhì)金屬的高穩(wěn)定性和高可靠性連接提出了迫切的需求。然而鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接困難較大，這主要體現(xiàn)在鎂、鋁元素在430°C左右即可發(fā)生反應(yīng)，生成連續(xù)分布的鎂-鋁金屬間化合物層，該金屬間化合物層具有高脆性的特征，可嚴(yán)重惡化焊接接頭的力學(xué)性能。以激光焊接為例，接頭剪切強(qiáng)度僅為20MPa左右(約為鎂合金母材的15%)。針對(duì)鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)在鎂/鋁異質(zhì)金屬之間添加第三方金屬的方法以提高接頭的性能。目前已公開的添加材料包括Zn (非專利文獻(xiàn)l)、Ti (非專利文獻(xiàn)2)和Fe (非專利文獻(xiàn)3)等單種金屬，另外還包括Al-Zn (非專利文獻(xiàn)4)、Sn-Zn(非專利文獻(xiàn)5)、A1-Zn-Ce (非專利文獻(xiàn)6)等二元和三元合金，這些金屬主要起到“阻礙”作用，通過(guò)避免鎂合金母材和鋁合金母材的直接接觸，進(jìn)而減少鎂-鋁金屬間化合物的生成。以上焊接材料針對(duì)鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接仍然存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在:(I)焊接材料元素較少，最多僅為三元合金，因此只適用于單一種類的鎂合金和鋁合金母材，應(yīng)用范圍窄；
(2)合金元素較少，導(dǎo)致接頭性能增強(qiáng)效果小，以上焊接材料主要針對(duì)接頭的室溫靜載拉伸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，蠕變抗力、高溫抗拉性能、耐腐蝕性能、屈服強(qiáng)度等因素?zé)o法同時(shí)兼顧，接頭綜合性能較差；(3)以上報(bào)道均屬于實(shí)驗(yàn)室分析階段，批量材料生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，特別是非專利文獻(xiàn)1、5和6均采用熱浸鍍的方法將焊接材料預(yù)置于母材表面，生產(chǎn)效率低。上述問(wèn)題的存在使得這些焊接材料難以滿足工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。目前針對(duì)鋁合金、鋼鐵、銅合金等異質(zhì)金屬的連接已經(jīng)形成了成熟的焊接材料成分設(shè)計(jì)及制備技術(shù)，這些焊接材料中都包含6-8種甚至更多的合金元素，通過(guò)這些元素的添加以保證接頭的綜合性能，然而目前還未見用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的多元合金焊接材料的報(bào)道。非專利文獻(xiàn)I:L.M.Liu, J.H.Tan, L.M.Zhao, X.J.Liu.The relationship betweenmicrostructure and properties of Mg/Al brazed j oints using Zn filler metal.Materials characterization, 59(2008):479-483.
非專利文獻(xiàn)2:Ming Gao, Shuwen Mei, Xiangyou Li, Xiaoyan Zeng.Characterization and formation mechanism of laser-welded Mg and Al alloys usingTi interlayer.Scripta Materialia, 67(2012):193-196.
非專利文獻(xiàn)3:Qi Xiaodong, Liu Liming.Fusion Welding of Fe-added lapjoints between AZ31B magnesium alloy and 6061 aluminum alloy by hybridlaser-tungsten inert gas welding technique.Materials&Design, 33(2012):436-443.
非專利文獻(xiàn)4:Fei Liu, Daxin Ren, Liming Liu.Effect of Al foils interlayeron microstructures and mechanical properties of Mg-Al butt joints welded by gastungsten arc welding filling with Zn filler metal.Materials&Design, 46(2013):419-425.
非專利文獻(xiàn)5:Zhi Wang, Hongyang Wang, Liming Liu.Study on low temperaturebrazing of magnesium alloy to aluminum alloy using Sn—xZn solders, Materials andDesign, 39(2012):14-19.
非專利文獻(xiàn)6:L.M.Zhao, Z.D.Zhang.Effect of Zn alloy interlayer oninterface microstructure and strength of diffusion-bonded Mg-Al joints.ScriptaMaterialia, 58(2008)283-286.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以提高焊縫整體力學(xué)和機(jī)械性能的鎂/鋁異質(zhì)金屬連接用焊接材料及其制備方法。本發(fā)明的用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料具有如下技術(shù)特征:它的組分由Zn、Al、Sn、Cu、Ag、S1、Mn、Ti和稀土元素組成，各組分按重量百分比分別為=Zn =60-80%,Al:5-35%, Sn: 10-25%，Cu:1.0-5.0%, Ag:0.2-1.5%, Si:0.1-1.0%, Mn:0.1-2.5%, Ti:
0.1-1.0%，稀土元素:0.01-0.5%O作為本發(fā)明焊接材料中使用的稀土元素，可以列舉Ce、Y、La等，可以單獨(dú)使用，也可以2種以上混合使用。本發(fā)明焊接材料可為箔焊材或絲焊材，箔焊材的厚度一般為0.1-lmm，絲焊材的直徑一般為0.8_5mm。本發(fā)明焊接材料的制備方法具有如下技術(shù)特征:將符合焊接材料組分配比的各種高純金屬在高溫條件下熔煉 形成鑄錠，將鑄錠加工成直徑為40-60_的棒狀或者厚度為1-3mm的平板狀焊材坯料，將坯料在150-20(TC條件下預(yù)熱，在250-30(TC條件下對(duì)其進(jìn)行熱擠壓成形，最終制備成用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料。本發(fā)明是針對(duì)鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的特性，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的用于鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接的多元合金焊接材料，該焊接材料中具有特定配比的9種元素。之前報(bào)道中的相關(guān)焊材主要通過(guò)“阻礙作用”避免鎂鋁異質(zhì)金屬母材間發(fā)生反應(yīng)，以減少金屬間化合物的生成。而本焊材則是基于焊縫高度合金化的思路，通過(guò)成分設(shè)計(jì)，充分利用鎂、鋁母材與焊接材料中各元素間的反應(yīng)，使焊縫形成包括鎂、鋁、鋅、錫等元素在內(nèi)的多種固溶體及強(qiáng)化相，在保證接頭具有較高室溫靜載抗拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，焊接材料中各元素發(fā)揮其自身效應(yīng)，提高了接頭的綜合性能:如Zn、Sn可以增加熔體流動(dòng)性，并具有沉淀強(qiáng)化作用；Cu可以提高焊縫強(qiáng)度、降低焊接裂紋;Ag可以增加抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，與稀土元素同時(shí)作用可提高接頭的高溫抗拉性能；Si可改善焊縫的螺變性能；Mn、Ti可以細(xì)化晶粒,提高合金的焊接性能。采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)本焊接材料的熔點(diǎn)較低，僅為370-385 ，同時(shí)潤(rùn)濕性好，在鋁合金表面潤(rùn)濕角僅為21-30° ; (2)用本焊接材料焊接鎂/鋁異質(zhì)金屬，可以使接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到150-180MPa ; (3)應(yīng)用范圍廣，可適用于各類鎂合金和鋁合金之間的焊接，例如AZ系列、AM系列、ZK系列的軋制鎂合金和鑄造鎂合金，以及純鋁、鑄鋁、高強(qiáng)鋁、硬鋁等鋁合金；(4)焊接材料制造工藝簡(jiǎn)單，成本較低，便于大規(guī)模批量生產(chǎn)；(5)可焊的接頭形式為對(duì)接、搭接、角接、T型接頭以及管-管接頭等結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例1首先將各種高純金屬進(jìn)行凈化處理，再按照質(zhì)量百分比分別稱量好各種高純金屬，總的百分比為 100%，各組分配比為 Zn:60%, Al:25%，Sn:10%，Cu:2.0%，Ag:0.2%，Si:0.5%，Mn:2.0%，T1:0.2%，稀土元素(Ce0.06%、Y0.4%):0.1%。將上述各組分材料放入熔煉爐，加熱到900°C并保溫15分鐘使其充分熔化混合形成鑄錠。將鑄錠加工成直徑為60_的棒狀，在150°C條件下預(yù)熱，在300°C條件下進(jìn)行熱擠壓，最終得到直徑3mm用于鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接的絲型焊接材料(絲焊材)。針對(duì)3mm厚AZ61鎂合金板材與3mm厚6061鋁合金板材，采用鎢極氬弧焊進(jìn)行對(duì)接焊，利用得到的絲焊材可以得到拉伸強(qiáng)度為ISOMPa的鎂/鋁異質(zhì)金屬接頭(拉伸實(shí)驗(yàn)條件:室溫下，采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以2mm/min的拉伸速度進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試)。實(shí)施例2首先將各種高純金屬進(jìn)行凈化處理，再按照質(zhì)量百分比分別稱量好各種高純金屬，總的百分比為 100%，各組分配比為 Zn:65%, Al:10%，Sn:20%，Cu:2.5%，Ag:0.5%，Si:0.5%,Mn:1.3%, T1:0.1%，稀土元素Ce:0.1%。將上述各組分材料放入熔煉爐，加熱到900°C并保溫15分鐘使其充分熔化混合形成鑄錠。將鑄錠加工成厚度為1_的片狀，在200°C條件下預(yù)熱，在300°C條件下進(jìn)行熱擠壓，最終得到厚度0.1mm用于鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接的箔型焊接材料(箔焊材)。針對(duì)2mm厚AZ31鎂合金板材與2mm厚LYll硬質(zhì)招合金板材,在真空爐中加熱到370°C進(jìn)行搭接釬焊連接，利用得到的箔焊材可以得到剪切強(qiáng)度為95MPa的鎂/鋁異質(zhì)金屬釬焊接頭(拉伸實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1)。實(shí)施例3首先將各種高純金屬進(jìn)行凈化處理，再按照質(zhì)量百分比分別稱量好各種高純金屬，總的百分比為 100%,各元素配比為 Zn:77%, Al:8%，Sn:10%，Cu:1.5%，Ag:1.0%，Si:0.6%, Mn:1.5%, T1:0.2%，稀土元素(La0.08%、Ce0.08%、Y0.04%):0.2%。將上述各組分材料放入熔煉爐，加熱到900°C并保溫15分鐘使其充分熔化混合形成鑄錠。將鑄錠加工成直徑為40mm的棒狀，在180°C條件下預(yù)熱，在270°C條件下進(jìn)行熱擠壓，最終得到直徑1.0mm用于鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接的絲型焊接材料(絲焊材)。針對(duì)Imm壁厚AM80鑄造鎂合金管材與Imm壁厚ZL105鑄造鋁合金管材，采用激光_電弧復(fù)合熱源進(jìn)行管材的角接連接，利用得到的絲焊材可以得到拉伸強(qiáng)度為I5OMPa的鎂/鋁異質(zhì)金屬焊接接頭(拉伸實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1)。
權(quán)利要求
1.一種用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料，其特征在于，它的組分由Zn、Al、Sn、Cu、Ag、S1、Mn、Ti和稀土元素組成，各組分按重量百分比分別為=Zn =60-80%, Al:5_35%，Sn:10-25%, Cu:1.0-5.0%, Ag:0.2-1.5%, Si:0.1-1.0%, Mn:0.1-2.5%, Ti:0.1-1.0%，稀土元素:0.01-0.5%。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接材料，其特征在于，所述稀土元素為Ce、Y、La中的I種或2種以上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的焊接材料，其特征在于，所述焊接材料為厚度0.1-1mm的箔焊材或直徑0.8-5mm的絲焊材。
4.權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的焊接材料的制備方法，其特征在于，將符合焊接材料組分配比的各種高純金屬在高溫條件下熔煉形成鑄錠，將鑄錠加工成直徑為40-60mm的棒狀或者厚度為l_3mm的平板狀焊材坯料，將坯料在150-200°C條件下預(yù)熱，在250-300°C條件下對(duì)其進(jìn)行熱擠壓成形，最終制備成用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鎂/鋁異質(zhì)金屬連接的焊接材料，其特征在于，它的組分由Zn、Al、Sn、Cu、Ag、Si、Mn、Ti和稀土元素組成，各組分按重量百分比分別為Zn60-80%，Al5-35%，Sn10-25%，Cu1.0-5.0%，Ag0.2-1.5%，Si0.1-1.0%，Mn0.1-2.5%，Ti0.1-1.0%，稀土元素0.01-0.5%。采用本發(fā)明的焊接材料焊接鎂/鋁異質(zhì)金屬，可以使接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到150-180MPa。
文檔編號(hào)B23K35/26GK103143854SQ20131005867
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者劉黎明, 任大鑫, 張兆棟, 劉飛 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)