權利要求

1.鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于，包括以下步驟： S1、首先，去除鎂合金板和鈦合金板待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；然后，分別對鎂合金板和鈦合金板進行退火，鎂合金板的退火溫度為350℃~400℃、保溫時間為120min~180min，鈦合金板的退火溫度為750℃~780℃、保溫時間為120min~180min；最后，分別沿鎂合金板和鈦合金板待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗，在鎂合金板與鈦合金板待焊接面制備微織構；其中： 鎂合金板表面激光清洗時：調整激光功率為80W~100W，脈沖寬度為20ns，脈沖頻率為20kHz，掃描速率為3000mm/s，激光束掃描線寬為35mm~45mm，深度為300μm~500μm； 鈦合金板表面激光清洗時：調整激光功率為120W~150W，脈沖寬度為25ns，脈沖頻率為25kHz，掃描速率為3500mm/s，鈦合金板的激光束掃描線寬度比鎂合金板的激光束掃描線寬度小10mm~15mm，深度為500μm~800μm； S2、將步驟S1制得的鎂合金板作為基板，鈦合金板作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板和鈦合金板，鎂合金板和鈦合金板待焊接面的微織構相互平行，鎂合金板和鈦合金板搭接所形成的區(qū)域作為待焊接區(qū)域，在鎂合金板和鈦合金板之間放置墊板，使鎂合金板和鈦合金板之間形成搭接間隙，鎂合金板和鈦合金板之間保持搭接長度為25~40mm、搭接間隙為1~2.5mm；在鈦合金板下方并位于待焊接區(qū)域的下方設置線圈，在鎂合金板上方并位于鎂合金板和鈦合金板搭接區(qū)域的上方設置壓塊； S3、電磁脈沖設備接通電容器對線圈充放電，線圈中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鈦合金板在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板，完成鈦合金板和鎂合金板電磁脈沖焊接，制得鎂/鈦合金板搭接接頭。2.根據(jù)權利要求1所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S1中，激光清洗過程中激光束關軸與鎂合金板或者鈦合金板的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板或者鈦合金板的待焊接面。 3.根據(jù)權利要求1所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S1中，通過控制激光往復清洗的次數(shù)控制鎂合金板和鈦合金板待焊接面的微織構深度。 4.根據(jù)權利要求1所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S2中，通過改變墊板的厚度從而改變飛板與基板之間距離，使飛板獲得不同的碰撞速度和碰撞角度。 5.根據(jù)權利要求1所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S3中，所述線圈的材質為銅，線圈截面厚度為10mm，寬度為8mm；所述電磁脈沖設備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz。 6.根據(jù)權利要求1所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：所述墊板的材質為膠木，鎂合金板的材質為AZ31B鎂合金板。 7.根據(jù)權利要求1所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：所述鎂合金板的厚度與鈦合金板的厚度比為（1~6）：1。 8.根據(jù)權利要求7所述的鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，其特征在于：所述鈦合金板的厚度不超過1.5mm。

說明書

技術領域

本發(fā)明屬于異種金屬焊接技術領域，具體涉及的是一種鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法。

背景技術

鎂合金具有密度低、阻尼減振能力強、優(yōu)異的生物相容性和可降解性等優(yōu)點。輕質金屬鈦及鈦合金具有良好的耐高溫性能、耐腐蝕性、優(yōu)異的生物相容性。將鎂合金和鈦合金連接可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，有助于拓寬鎂/鈦復合結構在航空航天、軌道交通、汽車等領域的應用。

鈦和鎂的物理、化學性質相差很大，如熔點、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等。另外，結合Mg~Ti平衡二元相圖知，Mg、Ti之間的固溶度非常小，且二者不會形成任何金屬間化合物，采用傳統(tǒng)的熔焊和擴散焊等方法難以實現(xiàn)它們之間有效的冶金結合。

為了獲得Mg~Ti冶金不互溶異種金屬有效連接，通常需要在它們結合界面添加過渡層，如加入鋁、銅、鎳等與二者都可以發(fā)生冶金反應的金屬材料。過渡層的添加，將增加制造工藝的復雜性和提高制造成本。如何用工藝簡單、成本低的技術實現(xiàn)鈦/鎂無過渡層直接連接是亟待解決的技術問題。

近些年，有學者報道鎂/鈦攪拌摩擦焊，爆炸焊接等，發(fā)現(xiàn)在攪拌摩擦針高速的旋轉、爆炸焊接高速沖擊作用下鎂/鈦界面達到塑性變形，使鎂、鈦不互溶組元相互擴散形成冶金上結合。攪拌摩擦、爆炸焊接時界面將產生大變形及高應變速率，促進鎂、鈦冶金不互溶組元產生超擴散冶金反應。與攪拌摩擦焊接、爆炸焊接類似，磁脈沖焊接也屬于高能率焊接成型，有望解決鎂/鈦復合結構無過渡層連接問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是針對背景技術的不足，解決鎂/鈦無過渡層直接連接的技術問題，本發(fā)明提供一種鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法。

本發(fā)明的設計構思為：通過焊前對鎂合金板和鈦合金板表面進行激光清洗，去除鎂合金板和鈦合金板表面氧化膜，同時制備特定方向的微織構，利用可控性好、精度高的磁脈沖焊驅動鎂合金板和鈦合金板界面產生超擴散連接；除此之外，利用激光制備微織構，焊接完成后界面產生波狀結合，波狀結合增加冶金結合區(qū)域，同時產生機械互鎖，有利于增加鎂合金板與鈦合金板磁脈沖焊接接頭的強度，使塑性較差的鎂合金板材，與冶金上難溶，熔點相差大的鈦板實現(xiàn)連接，制成鎂/鈦搭接復合接頭。

為了解決上述問題，本發(fā)明的技術方案為：

一種鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，包括以下步驟：

S1、首先，去除鎂合金板和鈦合金板待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；然后，分別對鎂合金板和鈦合金板進行退火，鎂合金板的退火溫度為350℃~400℃、保溫時間為120min~180min，鈦合金板的退火溫度為750℃~780℃、保溫時間為120min~180min；最后，分別沿鎂合金板和鈦合金板待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗，在鎂合金板與鈦合金板的待焊接面制備微織構；其中：

鎂合金板表面激光清洗時：調整激光功率為80W~100W，脈沖寬度為20ns，脈沖頻率為20kHz，掃描速率為3000mm/s，激光束掃描線寬為35mm~45mm，深度為300μm~500μm；

鈦合金板表面激光清洗時：調整激光功率為120W~150W，脈沖寬度為25ns，脈沖頻率為25kHz，掃描速率為3500mm/s，鈦合金板的激光束掃描線寬度比鎂合金板的激光束掃描線寬度小10mm~15mm，深度為500μm~800μm；鈦合金表面的微織構深度大于鎂合金板表面微織構深度，通過設置激光往復掃描次數(shù)控制微織構深度；

激光清洗系統(tǒng)包括激光器、控制系統(tǒng)和掃描振鏡，激光束通過掃描振鏡中的F–Theta鏡頭聚焦，激光的最大功率為200W，激光功率可在10%~100%范圍內調節(jié)，最大波長為1064nm，脈寬為20ns~30ns，脈沖頻率為20kHz~30kHz；

S2、將步驟S1制得的鎂合金板作為基板，鈦合金板作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板和鈦合金板，鎂合金板和鈦合金板的微織構相互平行，鎂合金板和鈦合金板搭接所形成的區(qū)域作為待焊接區(qū)域，在鎂合金板和鈦合金板之間放置墊板，使鎂合金板和鈦合金板之間形成搭接間隙，鎂合金板和鈦合金板之間保持搭接長度為25~40mm、搭接間隙為1~2.5mm；在鈦合金板下方并位于待焊接區(qū)域的下方設置線圈，在鎂合金板上方并位于鎂合金板和鈦合金板搭接區(qū)域的上方設置壓塊；

S3、電磁脈沖設備接通電容器對線圈充放電，線圈中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鈦合金板在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板，完成鈦合金板和鎂合金板電磁脈沖焊接，制得鎂/鈦合金板搭接接頭。

進一步地，在所述步驟S1中，激光清洗過程中激光束關軸與鎂合金板或者鈦合金板的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板或者鈦合金板的待焊接面。

進一步地，在所述步驟S2中，通過改變墊板的厚度從而改變飛板與基板之間距離，使飛板獲得不同的碰撞速度和碰撞角度。

進一步地，在所述步驟S3中，所述線圈的材質為銅，線圈截面厚度為10mm，寬度為8mm；所述電磁脈沖設備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz。

進一步地，所述墊板的材質為膠木，鎂合金板的材質為AZ31B鎂合金板。

進一步地，所述鎂合金板的厚度與鈦合金板的厚度比為（1~6）：1。

進一步地，所述所述鈦合金板的厚度不超過1.5mm。

與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果為：

（1）鈦和鎂的物理、化學性質相差很大，如熔點、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等。另外，結合Mg~Ti平衡二元相圖知，Mg、Ti之間的固溶度非常小，且二者不會形成任何金屬間化合物，采用傳統(tǒng)的熔焊或者擴散焊等方法難以實現(xiàn)鎂材與鈦材之間有效的冶金結合；

為了使Mg~Ti冶金不互溶異種金屬能夠有效連接，現(xiàn)有技術中熔焊或者擴散焊通常需要在結合界面添加過渡層，如加入鋁、銅、鎳等能夠與鎂材與鈦材都可以發(fā)生冶金反應的金屬材料，添加過渡層將增加制造工藝的復雜性和提高制造成本。如何用工藝簡單、成本低的技術實現(xiàn)鈦/鎂無過渡層直接連接是亟待解決的技術問題；

本發(fā)明利用可控性好、精度高的磁脈沖焊，在電容器突然放電條件下，鈦合金板與鎂合金板在高應變速率、大變形作用下發(fā)生直接碰撞，在鎂/鈦界面產生超擴散連接。磁脈沖焊接在幾微秒范圍內完成，效率高。磁脈沖焊接屬于固相焊接，不會產生熔化焊出現(xiàn)的焊接缺陷。

（2）焊前對鎂合金板和鈦合金板的待焊接面進行激光清洗，制備微織構。磁脈沖焊接完成后，鎂/鈦磁脈沖焊接界面產生波狀結合面，增加冶金結合區(qū)域，同時產生機械互鎖，獲得高強度的鎂/鈦搭接接頭；

采用同樣的方法，焊前不進行激光清洗制備微織構，其他步驟相同，獲得鈦/鎂磁脈沖焊接界面為平直結合，未激光清洗的接頭拉剪強度比激光清洗波紋界面拉剪強度低15%；

此外，激光清洗方法相對于傳統(tǒng)的化學清洗和機械清洗效率更好，且環(huán)保、無污染。

（3）焊前對鎂合金和鈦合金板材進行退火處理，有效防止磁脈沖焊接過程鎂合金板材和鈦合金板材因韌性差，產生微裂紋，降低了兩種材料變形抗力。

附圖說明

圖1為鎂/鈦合金板材磁脈沖焊接裝配結構示意圖；

圖中：1為鎂合金板，2為鈦合金板，3為線圈，4為墊板，5、壓塊。

圖2為激光清洗路徑示意圖，圖中實心箭頭表示板材的長度方向，虛心箭頭表示激光清洗方向；

圖3為激光清洗磁脈沖焊鎂/鈦接頭波形結合界面形貌圖；

圖4為未激光清洗磁脈沖焊鎂/鈦接頭平直結合界面形貌圖；

圖5為激光清洗磁脈沖焊鎂/鈦接頭焊接界面元素擴散圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

實施例1

一種鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，使用變形能力好的鈦合金板（TA2鈦合金板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為飛板，鎂合金板（AZ31B鎂合金板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度2mm）作為基板，利用脈沖激光分別對鎂合金板和鈦合金板的待焊接面進行激光清洗，使用電磁脈沖焊接進行鎂合金板與鈦合金板焊接，包括以下步驟：

S1、首先，去除鎂合金板1和鈦合金板2待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；然后，分別對鎂合金板1和鈦合金板2進行退火，鎂合金板1的退火溫度為350℃、保溫時間為180min，鈦合金板2的退火溫度為750℃、保溫時間為180min；最后，分別沿鎂合金板1和鈦合金板2待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗（如圖2所示），即所形成的每一道微織構沿鎂合金板的寬度方向平行設置，連續(xù)的微織構整體上沿鎂合金板的長度方向設置，激光清洗系統(tǒng)包括激光器、控制系統(tǒng)和掃描振鏡，激光束通過掃描振鏡中的F–Theta鏡頭聚焦，激光的最大功率為200W，激光功率可在10%~100%范圍內調節(jié)，最大波長為1064nm，脈寬為20ns~30ns，脈沖頻率為20kHz~30kHz，在鎂合金板1與鈦合金板2的待焊接面制備微織構如圖2所示，其中：

鎂合金板1表面激光清洗時：調整激光功率為90W，脈沖寬度為20ns，脈沖頻率為20kHz，掃描速率為3000mm/s，鎂合金板1的激光束掃描線寬為35mm，深度為400μm；

鈦合金板2表面激光清洗時：調整激光功率為130W，脈沖寬度為25ns，脈沖頻率為25kHz，掃描速率為3500mm/s，鈦合金板2的激光束掃描線寬為25mm，深度為650μm；

鈦合金表面的微織構深度大于鎂合金板表面微織構深度，激光往復掃描次數(shù)控制微織構深度；

激光清洗過程中激光束關軸與鎂合金板1或者鈦合金板2的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板1或者鈦合金板2的待焊接面，在鎂合金板1或者鈦合金板2的待焊接表面上，垂直于板材的長度方向進行激光掃描清洗；

S2、如圖1所示，將步驟S1制得的鎂合金板1作為基板，鈦合金板2作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板1和鈦合金板2，鎂合金板1和鈦合金板2的微織構相互平行，鎂合金板1和鈦合金板2搭接所形成的區(qū)域作為待焊接區(qū)域，在鎂合金板1和鈦合金板2之間放置墊板4，墊板4的材質為膠木，使鎂合金板1和鈦合金板2之間形成搭接間隙，通過改變墊板4的厚度從而改變飛板與基板之間距離，使飛板獲得不同的碰撞速度和碰撞角度。本實施例1中鎂合金板1和鈦合金板2之間保持搭接長度為25mm、搭接寬度（即基板與飛板的幅寬）為35mm、搭接間隙為2mm；在鈦合金板2下方并位于待焊接區(qū)域的下方設置線圈3，在鎂合金板1上方并位于鎂合金板1和鈦合金板2搭接區(qū)域的上方設置壓塊5；

S3、電磁脈沖設備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz；線圈3的材質為銅，線圈3截面厚度為10mm，寬度為8mm；電磁脈沖設備接通電容器對線圈3充放電，本實施例1中放電能量為50KJ，線圈3中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鈦合金板2在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板1，焊接位置截面OM如圖3所示，圖3中左側為AZ31B鎂合金板，右側為TA2鈦合金板，完成鈦合金板2和鎂合金板1電磁脈沖焊接，制得鎂/鈦合金板搭接接頭。焊接接頭處鎂/鈦接頭完好，無缺陷，為波狀結合。將本實施例得到焊接界面進行元素分布分析，如圖5所示，焊接界面鎂、鈦元素相互擴散。

對本實施例1制得的鎂/鈦磁脈沖焊接接頭進行拉伸實驗驗證，拉伸試樣的尺寸參考GB/T 26957—2011和AWS_ D17~3~2010的要求進行，鎂/鈦接頭強度為230MPa。

采用上述方法，焊前不進行激光清洗制備微織構，其他步驟相同，獲得鈦/鎂界面為平直結合，如圖4所示，接頭強度為200MPa。

實施例2

一種鎂/鈦合金板搭接接頭的磁脈沖焊接方法，使用變形能力好的鈦合金板（TC4鈦合金板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為飛板，鎂合金板（AZ31B鎂合金板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為基板，利用脈沖激光分別對鎂合金板和鈦合金板的待焊接面進行激光清洗，使用電磁脈沖焊接進行鎂合金板與鈦合金板焊接，包括以下步驟：

S1、首先，去除鎂合金板1和鈦合金板2待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；然后，分別對鎂合金板1和鈦合金板2進行退火，鎂合金板1的退火溫度為350℃、保溫時間為180min，鈦合金板2的退火溫度為750℃、保溫時間為180min；最后，分別沿鎂合金板1和鈦合金板2待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗（如圖2所示），即所形成的每一道微織構沿鎂合金板的寬度方向平行設置，連續(xù)的微織構整體上沿鎂合金板的長度方向設置，激光清洗系統(tǒng)包括激光器、控制系統(tǒng)和掃描振鏡，激光束通過掃描振鏡中的F–Theta鏡頭聚焦，激光的最大功率為200W，激光功率可在10%~100%范圍內調節(jié)，最大波長為1064nm，脈寬為20ns~30ns，脈沖頻率為20kHz~30kHz，在鎂合金板1與鈦合金板2的待焊接面制備微織構；其中：

鎂合金板1表面激光清洗時：調整激光功率為90W，脈沖寬度為20ns，脈沖頻率為20kHz，掃描速率為3000mm/s，鎂合金板1的激光束掃描線寬為35mm，深度為400μm；

鈦合金板2表面激光清洗時：調整激光功率為130W，脈沖寬度為25ns，脈沖頻率為25kHz，掃描速率為3500mm/s，鈦合金板2的激光束掃描線寬為25mm，深度為600μm；

鈦合金表面的微織構深度大于鎂合金板表面微織構深度，激光往復掃描次數(shù)控制微織構深度；

激光清洗過程中激光束關軸與鎂合金板1或者鈦合金板2的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板1或者鈦合金板2的待焊接面，在鎂合金板1或者鈦合金板2的待焊接表面上，垂直于板材的長度方向進行激光掃描清洗，所形成的微織構垂直于板材的長度方向，即微織構垂直于搭接長度方向；

S2、將步驟S1制得的鎂合金板1作為基板，鈦合金板2作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板1和鈦合金板2，鎂合金板1和鈦合金板2的微織構相互平行，鎂合金板1和鈦合金板2搭接所形成的區(qū)域作為待焊接區(qū)域，在鎂合金板1和鈦合金板2之間放置墊板4，墊板4的材質為膠木，使鎂合金板1和鈦合金板2之間形成搭接間隙，通過改變墊板4的厚度從而改變飛板與基板之間距離，使飛板獲得不同的碰撞速度和碰撞角度。本實施例2中鎂合金板1和鈦合金板2之間保持搭接長度為25mm、搭接寬度（即基板與飛板的幅寬）為35mm、搭接間隙為2mm；在鈦合金板2下方并位于待焊接區(qū)域的下方設置線圈3，在鎂合金板1上方并位于鎂合金板1和鈦合金板2搭接區(qū)域的上方設置壓塊5；

S3、電磁脈沖設備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz；線圈3的材質為銅，線圈3截面厚度為10mm，寬度為8mm；電磁脈沖設備接通電容器對線圈3充放電，本實施例2中放電能量為60KJ，線圈3中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鈦合金板2在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板1，完成鈦合金板2和鎂合金板1電磁脈沖焊接，制得鎂/鈦合金板搭接接頭。焊接接頭處鎂/鈦接頭完好，無缺陷，為波狀結合。

對本實施例2制得的鎂/鈦磁脈沖焊接接頭進行拉伸實驗驗證，拉伸試樣的尺寸參考GB/T 26957—2011和AWS_ D17~3~2010的要求進行，鎂/鈦接頭強度為210MPa。

采用上述方法，焊前不進行激光清洗制備微織構，其他步驟相同，獲得鈦/鎂界面為平直結合，接頭強度為185MPa。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。

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