磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法

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1.本发明涉及异种金属材料焊接技术领域，具体的说是一种能够有效提升铝镁异种金属焊接性能的磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法。


背景技术：

2.随着全球性环境问题的日益突出，节能减排成为了目前世界各国关注的热点问题。据统计，汽车、列车、轮船等交通运输工具是全球温室气体排放的主要源头。以汽车为例，车辆整体重量每减少100kg，每百公里就可以降低0.6l的油耗和500g的co2排放量。同时降低汽车自重对于汽车的操控性、加速性和制动性能均可得到显著提升。因此世界各国将交通工具的轻量化设计与制造列为汽车工业发展的重点方向，而采用轻质金属材料替代传统钢结构则成为了汽车轻量化的最有效途径之一。
3.由于铝的密度仅为钢的三分之一，并具有良好的耐蚀性能；而镁的密度为铝的三分之二，且具有密度小、比强度高、减震性能好等特性，是目前最轻的金属工程结构材料。因此采用铝、镁合金符合构件可以进一步实现汽车结构的轻量化，并使得铝、镁合金各自的优势得到充分利用。据美国能源部预测，到2035年汽车车身材料中铝/镁合金及复合材料的用量将占50％以上。然而由于镁、铝互溶度、熔点、线胀系数等方面存在着较大的差别，并且两者均易形成致密氧化膜。常规熔化焊接方法易在接头处形成裂纹、气孔等缺陷、同时生成大量脆性的mg-al金属间化合物，导致二者之间的焊接难以实现。此外，由于铝、镁钎焊扩散焊接头剪切强度较低且需要真空环境，因此无法满足规模化工业生产需要。
4.超声波焊接和搅拌摩擦焊等固相连接技术由于焊接过程温度较低，可以有效抑制铝、镁异种材料间的脆性金属间化合物的形成，进而显著提升铝/镁焊接接头机械连接强度，逐渐成为铝/镁焊接的研究热点。但由于搅拌摩擦焊方法对于材料规格及装配条件要求较高，且受施焊空间限制较大；此外超声波焊接方法由于收到压电陶瓷等功率器件性能的限制，目前超声输出功率一般难以超过10kw，且大功率超声设备价格加高，以上种种原因极大的限制上述两种方法的工业规模话生产应用。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够有效提升铝镁异种金属焊接性能的磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法。
6.本发明通过以下措施达到：
7.一种磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，其特征在于，待焊接的铝类材料与镁类材料装配固定后，在电流和磁场辅助下完成超声波滚焊连接为一体，其中所述电流由位于超声波滚焊模具同侧的正电极滚轮和负电极滚轮施加至待焊接材料上，所述磁场为恒定磁场，强度范围为2-50mt。
8.本发明中超声波能量场、电流作用下的电阻热场以及恒定磁场均由铝类材料侧作用至铝类材料与镁类材料的焊接界面上，所述铝类材料为铝或铝合金，镁类材料为镁或镁
合金。
9.本发明还包括在镁类材料的待焊接表层设置镀层以有效抑制铝镁界面的直接反应，所述镀层采用镀锌层或镀锡层。
10.本发明所述铝类材料与镁类材料的厚度不大于2mm。
11.本发明在铝镁异种金属超声波固相连接的同时，采用正负电极导轮在铝侧施加电流使其产生内部焦耳热，在热作用下铝侧塑性变形能力得以增强，有利于超声波能量自上而下的传导，同时降低铝/镁焊接过程中对超声波能量的需求。此外通过在镁侧预制镀层(低熔点第三金属)可以有效抑制铝镁界面的直接反应，显著减少界面处金属间化合物的形成；在此基础上在超声波滚焊过程中施加横向磁场，通过电流和磁场作用影响界面原子的扩散或反应过程，最终实现异质界面组织调控，提升铝/镁异种金属接头焊接力学性能。
附图说明：
12.附图1是本发明中一种实施方式示意图。
13.附图2是本发明中铝/镁拉伸试验测试结果图。
14.附图标记：正电极滚轮1、超声波滚焊模具2、磁场3、负电极滚轮4、铝合金板5、镁合金板6、焊接平台7、镀层8。
具体实施方式：
15.本发明提出了一种磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，在铝镁异种金属超声波固相连接的同时，采用正负电极导轮在铝侧施加电流使其产生内部电阻热，进而在热作用下铝侧塑性变形能力得以增强，有利于超声波能量自上而下的传导。此外通过在镁侧预制镀层(低熔点第三金属)可以有效抑制铝镁界面的直接反应，显著减少界面处金属间化合物的形成；在此基础上在超声波滚焊过程中施加横向磁场，通过电磁作用影响界面原子的扩散或反应过程，最终达到异质界面组织调控的目的；其中铝镁异种金属连接过程中超声波能量场、电流阻热场和磁场协同耦合，共同作用与铝镁界面；所述的铝侧材料设定温度范围为50-300℃；所述的预制镀层为锌、锡等低熔点金属；
16.所述的横向磁场为恒定磁场，其设定强度范围为2-50mt。
17.所述的正负电极导轮为黄铜材质，且导轮宽度为20mm、导轮直径不大于50mm。
18.所述的铝侧材质为纯铝及铝合金，所述的铝、镁材料厚度不大于2mm。
19.实施例1
20.首先按照附图结构将铝合金板5和镁合金板6固定装配在焊接平台7上方；其中镁合金板表面镀层8通过电化学、冷喷涂等表面改型方法制备；随后将分别连接电流源正负端的正电极滚轮1和负电极滚轮3放置在铝合金板5上表面，超声波滚焊模具2置于正电极滚轮1和负电极滚轮3之间并沿图示方向滚动；焊接过程中对超声波滚焊模具2、正电极滚轮1和负电极滚轮3施加恒定压力以保证电流和超声波能量的有效传递；平性磁场3和电流作用区域与超声波能量作用区域重合，以实现多能场的耦合。通过以上技术特征可实现铝镁异种金属材料的高效高质连接，经拉伸试验测试，铝/镁焊接接头断裂在镁侧母材区域。
21.本发明在铝镁异种金属超声波固相连接的同时，采用正负电极导轮在铝侧施加电流使其产生内部焦耳热，在热作用下铝侧塑性变形能力得以增强，有利于超声波能量自上
而下的传导，同时降低铝/镁焊接过程中对超声波能量的需求。此外通过在镁侧预制镀层(低熔点第三金属)可以有效抑制铝镁界面的直接反应，显著减少界面处金属间化合物的形成；在此基础上在超声波滚焊过程中施加横向磁场，通过电流和磁场作用影响界面原子的扩散或反应过程，最终实现异质界面组织调控，提升铝/镁异种金属接头焊接力学性能。


技术特征：
1.一种磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，其特征在于，待焊接的铝类材料与镁类材料装配固定后，在电流和磁场辅助下完成超声波滚焊连接为一体，其中所述电流由位于超声波滚焊模具同侧的正电极滚轮和负电极滚轮施加至待焊接材料上，所述磁场为恒定磁场，强度范围为2-50mt。2.根据权利要求1所述的一种磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，其特征在于，超声波能量场、电流作用下的电阻热场以及恒定磁场均由铝类材料侧作用至铝类材料与镁类材料的焊接界面上，所述铝类材料为铝或铝合金，镁类材料为镁或镁合金。3.根据权利要求1所述的一种磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，其特征在于，还包括在镁类材料的待焊接表层设置镀层以有效抑制铝镁界面的直接反应，所述镀层采用镀锌层或镀锡层。4.根据权利要求1所述的一种磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，其特征在于，所述铝类材料与镁类材料的厚度不大于2mm。

技术总结
本发明涉及异种金属材料焊接技术领域，具体的说是一种能够有效提升铝镁异种金属焊接性能的磁场和电流辅助式铝镁超声波固相连接方法，其特征在于，待焊接的铝类材料与镁类材料装配固定后，在电流和磁场辅助下完成超声波滚焊连接为一体，其中所述电流由位于超声波滚焊模具同侧的正电极滚轮和负电极滚轮施加至待焊接材料上，所述磁场为恒定磁场，强度范围为2-50mt，本发明通过电流和磁场作用影响界面原子的扩散或反应过程，最终实现异质界面组织调控，提升铝/镁异种金属接头焊接力学性能。提升铝/镁异种金属接头焊接力学性能。


技术研发人员：张洪涛 王波 于江
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2020.12.22
技术公布日：2022/7/9