镁合金的钎焊材料及钎料研究方法

一，镁合金钎焊及钎料简介钎焊是采用了比母材熔化温度低的钎料，焊接时钎料熔化为液态而母材保持为固态，依靠液态钎料与固态母材间的相互扩散形成冶金结合，获得牢固的接头，钎焊温度一般低于母材温度20-30℃。不少用其它焊接方法难阻甚至无法进行连接的结构，采用钎焊却可以解决。而且，在很多情况下，钎焊能保证焊件具有更高的可靠性。然而，相对熔焊和压焊技术，钎焊接头的强度一般比较低、耐热能力差的缺点也很明显，因此，钎焊较适于连接精密、微型、复杂、多钎缝、异类材料的焊件。钎焊的特点：相对于熔焊与压焊，钎焊加热温度低于母材熔点，对母材的物理化学性能一般没有明显不利影响；钎焊温度低，焊件整体加热均匀所引起的应力和变形小，对焊件的尺寸精度影响小；钎焊可以用于结构复杂、开敞性差的焊件，并可以一次完成多缝多零件的连接；容易实现异种金属、金属与非金属材料的连接；对热源要求较低，工艺过程较简单。与铝合金相比，镁合金在焊接时更易形成疏松、热脆性较大的氧化膜及夹渣，这些特殊的性质对镁合金的焊接产生一系列的困难，使其焊接工艺更为复杂；与此同时，由于镁合金的热膨胀系数大，在熔化焊时易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷，故需要采用坡口预处理、夹具固定、焊前焊后热处理等措施，以保证获得性能良好的焊接接头。从钎料方面来看，也没有广泛应用的镁舍金焊接的钎料，离工业实际大规模应用仍有相当距离。铸造和挤压镁合金的钎焊方法主要有火焰钎焊、炉中钎捍、浸沾钎焊等。、可以用于钎焊的镁合金系有：Mg-Al-Zn系，Mg-Zr系，Mg-Mn系，Mg-Zn-Re系，Mg-Zn-Zr系。镁合金钎焊过程可能出现的问题及对策有：美国焊接学会编写的《焊接手册》记载的焊料有三种：AZ92A(钎焊温度582-616),AZ125（钎焊温度570-595），与日本标准中的MC3(604-615)与AZ92成分相近。这三种上三种钎料都适合于火焰钎焊、炉中钎焊和浸渍钎焊。但这三种钎料熔点较高(604-627℃)，配以的钎剂熔点温度也较高(约538℃)，超过大多镁合金的燃点及熔点温度，因此只适于钎焊AZl0A、K1A及M1A等少量几种合金含量较低的镁合金，并不适于钎焊得到应用的如Mg-Al-Zn系等镁合金。中国机械工程学会焊接学会的《焊接手册》记载的钎料有：Mg-12Al-0.5Zn的Mg-Al-Zn钎料。国内外新出现的钎料有：钎料钎焊温度(℃)性能Mg-12Al-11Cd-4Ni560-580NA-配合F390Mg钎剂Al-25Mg03.5Cu426-448122-13室温，93Mpa于260℃Al-32Mg-2Cu-1Si焊后沉淀强化250-24h。含Cu焊料需防腐处理Mg-12Al-2Ca437-565焊接AZ91/15SiC复合材料时焊接件的室温TS=180-193MPa，200℃时58-70MPaMg-(32-35)Al-2Ca需在镁合金基体再结晶温度附近焊接钎料200℃TS=11-14MPa，冷却后焊缝容易产生残余应力Mg-4.7Al-8Zn-0.6Ca液相线600Mg-8Al-8Zn-0.2Mn液相线52AZ88铸造镁合金350-400可热轧成型In-34.5Mg-(0.2-6.4)Zn-0.8Al480日本人发明的用于AZ31的低熔点钎料，钎剂用mol分数59.7CaCl2-18.5LiCl-21.8NaCl，有效减少氧化膜有良好强度Mg-12Zn-3Ce非晶钎料良好的焊接性和耐腐性性，用于AZ91焊接有良好效果Mg-5Al-5Zn-5Nd非晶钎料Mg-32Al-2Zn450美国专利，用于焊接镁基复合材料，有良好的流动性，润湿性，需在气体保护下焊接。值得注意的是SiC/TiC/Al2O3颗粒增强的复合材料钎料对焊接力学性能有很大的改进Mg-48Ag-2Zn475Mg-39Li-2Zn350Mg-33Al-33Li325郑州机械研究所发明的镁合金钎料：Mg-(30-34)Al-(1-3)Ce480-500(钎料熔化温度385-406)采用高频感应钎焊工艺焊接AZ31B接头抗剪强度28-30MPa，抗拉33-39MPa.有效避免基体氧化和烧损Al-(10-12)Zn-(25-28)Mg439-468(钎料熔化温度500-510)良好的铺展性和填充性，高频感应钎焊AZ31B的接头抗剪强度223-28MPa抗拉强度39-44MPa.Mg-(25-31)Al-(1-3)Cu-(1-3)Sn450-470(钎料熔化温度421-438)良好的铺展性和填充性，高频感应焊接AZ61A时接头抗剪31-38MPa抗拉40-47MPa北京工业大学发明的镁合金钎料：Mg-(48-51)Zn410-430(钎料熔化温度337-361)高频钎焊AZ31B时抗剪28-29MPa,抗拉37-39MPa.Zn-(10-13)Al-(18-20)Mg500-510(钎料熔化温度379-488)高频钎焊AZ31B时抗剪43-45MPa抗拉59-62MPa.Zn-(4-8)Mg420-450(钎料熔化温度365-395)高频钎焊AZ31B时抗剪38-43MPa抗拉52-53MPaZn-(0.5-1.5)Nd-(45-49)Mg400-430(钎料熔化温度333-356)高频钎焊AZ31B时抗剪38-39MPa抗拉53-62MPa(40-55)Mg-(39-55)Zn-(1-5)Al-(0.1-1.5)Er钎料熔点340-380感应钎焊AZ31B的抗剪强度为40.1-58MPa，接头晶粒细化，强度比不加Er的钎料提高5-25%Mg-(1-2.5)Al-(46-52)Zn380-400钎料熔化温度336-361适合多种钎焊方法，对AZ31B焊接接头的剪切强度大于52MPa,抗拉强度大于72MPa二，镁合金钎料的制备研究方法钎料的选择原则，为了获得所需的钎焊温度，多采用二元或多元合金。结合镁合金的特点其钎料需要满足的要求有：1）对母材有良好的润湿性和铺展性；2）由于镁合金的低电极电位需要防止钎料中高电位的元素对母材的腐蚀；3）由于母材温熔点低故钎料需具有较低的熔点，同时可减少母材晶粒粗大所带来的性能损失；4）钎料元素能与母材发生溶解、扩散等相互作用，便于形成牢固的结合；5）焊接接头能满足使用要求，达到一定的力学性能，同时需考虑经济性和环境保护问题。理想的钎料是主元素与母材的基体金属相同的共晶合金，如铝合金的Al-Si钎料，铜合金的Cu-Ag、Cu-P钎料，镍基合金的Ni-Si钎料。与母材的共晶合金的优点有：1）钎料对母材的扩散性、润湿性好；2）与母材形成共晶合金利于反应和提高接头强度；3）接头的抗腐蚀性能优于钎料主元素与母材不同种的钎料合金；4）可以通过调整钎料的组成和钎焊参数来控制钎焊是母材向钎料的熔入量。镁合金钎料的合金元素选择主要有如下表所示。理论上，可以作为添加的合金元素有Ag、Be、Ce、Cr、Ga、Ge、Al、Mn、Nd、Pb、Pr、Sb、Si、Sn、Zn，其中Ce、La、Nd、Pr、Y、Ge、Sr、Be、Pb价格较高，Ni、Co、Bi具有较强的腐蚀性。合金元素特性作用Al共晶温度437℃下最大溶解度12.7%，100℃降为2%；铸造组织由于非平衡结晶为镁基体和Mg17Al121,随Al元素含量增加，熔点降低，超过10%后凝固温度范围减小铸造性能增加；2,Al对镁合金有固溶强化和时效强化的作用3,Al含量超过4%时可以形成氧化铝保护膜等一定程度提高耐腐蚀性Zn具有相同的HCP晶格，340℃时固溶度最大8.4%，150℃时为1.7%1,固溶强化提高强度，与Zr、RE弥散强化；2,Zn可能恶化镁合金的热裂纹敏感性；但AZ88抗热裂纹性较高；3,可以提高镁合金流动性Mn623℃时固溶度2.2%，500℃下降为0.75%，400℃时0.25%。主要用于变形镁合金中，含Mn为1.3-2.5%；铸造镁合金中含Mn的合金少，个别只有0.15-0.5%1,与镁不形成化合物，析出纯锰，对镁合金强化作用不大，却降低塑性；2,与杂质铁元素结合，提高抗腐蚀性能，特别是海水，并在中性介质中无应力腐蚀开裂倾向；3,钎料一般焊0.1-0.5wt%提高耐蚀性Si638.8℃溶解度醉倒为1.38%，与镁生成热稳定相Mg2Si1形成弥散的Mg2Si相改善铸件的抗蠕变性；2增加镁合金熔融状态的流动性；Sn镁中最大固溶度14.85%，形成可以显著降低钎料熔点，但过多会使合金变脆Mg2SnY565℃固溶度最大12%1加入Y利于细化接头晶粒净化晶界，提高接头强度；2细化晶粒，提高强度Be0.002%Be可以防止火焰钎焊时着火Ca1加入Ca焊接Mg-Ca-O氧化膜致密性,利于减少Mg和Zn的烧损，提高抗燃烧能力；Ce有利于降低铸造镁合金焊接接头的气孔率Cu可以提高Mg-Zn合金的耐温性，减少其热敏感性，可焊性增加Nd钕与Mg形成Mg9Nd提高耐温性和抗蠕变性钎料的熔炼所使用的熔炼剂应满足，1）熔点低于合金液熔点；2）熔剂密度应小于金属液密度防止夹杂且能隔绝空气；3）要求熔剂粘度小便于在金属液上摊开，同时又要求粘度适中便于浇注是熔剂分离；4）不产生有害杂质和气体，不与镁合金、炉壁、炉气等发生反应，不挥发，无公害不燃烧。另外，可以采用气体保护，如氩气或CO2和SF6混合气流量分别为150L/h和50mL/min，但SF6对环境有害的气体，应尽量避免使用。电阻炉熔炼工艺：坩埚干燥预热，模具200-250℃预热原料清理烘干坩埚放入电阻炉，镁锭先放入，适合的温度加入合金锭700-800℃熔炼，适度搅拌和扒渣浇注，脱模后干燥细砂中冷却制样。钎料的成分设计及分析。针对初步选定的各个成分的钎料做焊接接头的力学性能，端口形貌，组织成分的分析，在针对母材的焊接特点和性能要求，更改钎料的设计成分。对改善成分后的钎料进行如下表所示的检测：检测方式作用备注DTA热差分析测试钎料的固相线和液相线的温度范围也可以采用DSC，梅特勒一托利多TGA／DSCl同步分析仪测试钎料的润湿性检测钎料对母材的润湿性好坏GB/T11364-2008《钎料润湿性试验方法》钎焊接头强度测试钎焊接头拉伸强度、剪切强度等GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》SEM接头组织观察，与断口形貌观察或OM观察XRD焊缝的组织、相的检测EDXS参考：硕士论文郑州大学《镁还合金钎料及钎焊接头的组织性能研究》、大连理工大学《镁合金钎料制备及接头性能研究》、武汉科技大学《提高AZ31镁合金塑性的工艺及机理研究》