一种镁合金电流辅助真空钎焊工装及钎焊方法

技术领域

本发明涉及镁合金钎焊技术领域，具体涉及一种镁合金电流辅助真空钎焊工装及钎焊方法。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，它具有密度低、电磁屏蔽能力强等优点，在航空航天雷达电子领域应用前景和意义重大，能够显著降低天基雷达的重量，同时提高其电性能威力。缝隙波导天线是天基雷达的核心结构，由多层复杂薄壁结构组成，外形尺寸最大约1m，最小壁厚约0.5mm，且精度要求极高，尺寸精度0.05mm，现有技术采用铝合金材料经真空钎焊而成。采用镁合金制造缝隙波导天线，能够降低重量约30％，意义重大，但是其核心技术难点在于镁合金真空钎焊技术。

现有用于镁合金钎焊的钎料合金熔点普遍较高，使得钎焊温度通常接近500℃，易造成镁合金基体的软化及过度溶蚀，不适合薄壁、精密镁合金微波组件的钎焊。另外，传统的真空钎焊通过热辐射和热传导加热被焊零件，加热速度慢，对于复杂构件高温时间过长，应用于镁合金材料时，钎焊界面会形成大量脆性相，进而导致无法获得高性能的焊接。

基于镁合金钎焊的上述特性，相比传统铝合金，镁合金表面氧化膜顽固、真空钎焊时镁元素易挥发等瓶颈问题，导致适用于缝隙波导天线的传统镁合金钎焊技术获得的接头强度均不超过40MPa，无法满足缝隙波导天线的应用需求，因此急需开发新型镁合金焊料和新型真空钎焊方法，实现镁合金良好真空钎焊，显著提升镁合金真空钎焊强度至65MPa以上，满足镁合金缝隙波导天线的应用需求。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于解决镁合金表面氧化膜顽固、真空钎焊时镁元素易挥发，导致适用于缝隙波导天线的传统镁合金钎焊技术获得的接头强度均不超过40MPa，无法满足缝隙波导天线的应用需求的问题，提供了一种镁合金电流辅助真空钎焊工装及钎焊方法。

为了实现上述目的，本发明公开了一种镁合金电流辅助真空钎焊工装，包括石墨环、石墨下压头、石墨上压头组成，所述石墨上压头和石墨下压头为圆柱结构，所述石墨环上设有盲孔，所述石墨下压头、焊接件、所述石墨上压头从下而上依次堆叠放置，并置于所述石墨环内，焊接件高度中心面与所述石墨环高度中心面共面。

所述石墨环内径为R

所述石墨下压头和石墨上压头的直径均为R，高度均为H+10mm，所述石墨环内径R

本发明还公开了一种镁合金电流辅助真空钎焊方法，包括以下步骤：

S1，加工两个直径为R、高度为H/2的待焊镁合金零件；

S2，采用MgAlAg合金制备焊接中间层，厚度0.05-0.15mm，直径R，合金熔点为T

S3，砂纸打磨两个待焊镁合金的焊接面和焊接中间层两个表面至粗糙度在Ra1.6以下，采用酒精清洗打磨表面并吹干；

S4，将第一个待焊镁合金零件的焊接面朝上放置，中间层置于其上，第二个镁合金零件焊接面朝下放置于中间层上方，形成三层结构；

S5，依次将石墨下压头、三层结构、石墨上压头装入石墨环的内径中，调整高度使焊接中间层位于盲孔的轴线上；

S6，将步骤S5装配好的待焊件放在电流辅助真空钎焊炉内，将热电偶插入盲孔中，关闭炉门，设定钎焊参数进行钎焊。

所述步骤S1中镁合金为AZ31镁合金或ZK61镁合金。

所述步骤S2中MgAlAg合金成分为Mg-(21-24wt.％)Al-(9.7-6.7wt.％)Ag，熔点T

所述步骤S7中真空钎焊炉的真空度为0.1～0.01Pa，施加压力为10～50KPa，升温速度为50-150℃/min，保温温度为T

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1、本发明采用的电流辅助真空钎焊的脉冲电流在钎料融化前，作用于母材/氧化膜/焊料/氧化膜/母材的界面间隙，放电形成等离子体，轰击并快速破碎氧化膜，显著提高了破膜速度，能够保证界面反应基本同步进行，进而可以通过调控冶金反应时间，避免了出现过量脆性相；

2、本发明采用的电流辅助真空钎焊工艺中的低温短时间焊接能够减少镁合金母材性能损失，焊料处于熔化状态的温度越低时间越短，其铺展漫溢越受控，能够减少对焊接界面处母材侧壁的铺展，保证漫溢高度不超过0.3mm，该侧壁为电磁波传输界面，因此能够减少电磁损耗，提高电性能，低温短时间焊接能够大幅提高焊接生产效率，降低焊接能耗，显著降低焊接成本；

3、本发明设计的Mg-(21-24)Al-(9.7-6.7)Ag(wt.％)新型焊料熔点仅约400-420℃，显著低于常规真空钎焊焊料，进一步有利于降低焊接文帝，同时该焊料与镁合金基体能够反应形成三元共晶、Mg

4、本发明通过采用与镁合金基体具有多重反应机理的Mg-(21-24)Al-(9.7-6.7)Ag(wt.％)新型焊料，能够使镁合金电流辅助真空钎焊在10-50KPa压力下进行可靠焊接，从而能够满足复杂薄壁缝隙波导天线的焊接要求，避免薄壁结构在高压力焊接时发生变形，影响产品0.05mm的精度控制要求；

5、本发明通过大量仿真和实测数据，建立了热电偶测温值与焊接界面温度的定量关系，准确获得了镁合金界面反应温度，解决了低熔点的镁合金焊接温度控制和铺展漫溢控制要求高的问题，也为同行业温度控制提供了技术参考；在本发明所用工装状态下，热电偶实测温度比焊接中间层温度低约50℃，理想的焊接中间层熔化温度为T

6、本发明获得了镁合金真空钎焊接头强度可达65-77MPa，比现有技术提升了90％以上，满足工程应用需求，具备天基雷达推广应用价值。

附图说明

图1为镁合金电流辅助真空钎焊示意图；

图2为盲孔轴线温度场示意图；、

图3为镁合金电流辅助真空钎焊热电偶温度场设定曲线；

图4为镁合金电流辅助真空钎焊方法的流程示意图。

图中数字表示：

1-石墨环；2-石墨下压头；3-石墨上压头；4-热电偶盲孔；5-镁合金零件；6-MgAlAg合金中间层。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

本实施例焊接对象为两个直径30mm，高度10mm的镁合金。

焊接工装由石墨环1、石墨下压头2、石墨上压头3组成。石墨环1内径R1＝30.5mm、外径50.5mm、高度40mm，在高度20mm处设计有直径3mm、深度8mm的盲孔4。石墨下压头2和石墨上压头3为圆柱结构，直径30mm、高度20mm。

镁合金电流辅助真空钎焊方法，包括以下步骤：

步骤S1：加工两个直径为30mm、高度为10mm的待焊AZ31镁合金零件5；

步骤S2：采用Mg-22.4Al-8.3Ag(wt.％)合金制备焊接中间层6，厚度0.15mm，直径30mm，合金熔点为406℃；

步骤S3：砂纸打磨两个待焊镁合金的焊接面和焊接中间层两个表面至粗糙度在Ra1.6以下，采用酒精清洗打磨表面并吹干

步骤S4：第一个待焊镁合金零件的焊接面朝上放置，中间层置于其上，第二个镁合金零件焊接面朝下放置于中间层上方，形成三层结构；

步骤S5：依次将2石墨下压头、三层结构、石墨上压头装入1石墨环的内径中，调整高度使焊接中间层5位于盲孔4的轴线上；

步骤S6：将步骤S5装配好的待焊件放在电流辅助真空钎焊炉内，将热电偶插入盲孔4中，关闭炉门，热电偶插入盲孔4的底部，如此实现热电偶端部距离焊接中间层6的最小距离为2mm的设计目标，确保能够通过公式T

步骤S7：设定电流辅助真空钎焊炉真空度、施加压力、升温速度、保温温度、保温时间、降温速度等工艺参数，其中升温速度100℃/min，保温时间5min，降温速度40℃/min，保温温度为406℃，进一步可计算获得中间层温度为456℃，如此即保证中间层熔化，又避免镁合金母材受热过高；施加压力为50KPa，即避免熔化焊料被过度挤出，有避免镁合金零件发生变形，真空度0.01Pa，保证在焊接时镁合金不挥发。

本实施例获得的钎焊接头剪切强度约74MPa，焊缝侧壁漫溢高度0.2mm。

实施例2

本实施例焊接对象为两个直径400mm，高度20mm的镁合金。

焊接工装由石墨环1、石墨下压头2、石墨上压头3组成。石墨环1内径R1＝30.5mm、外径50.5mm、高度40mm，在高度20mm处设计有直径3mm、深度8mm的盲孔4。石墨下压头2和石墨上压头3为圆柱结构，直径30mm、高度20mm。

镁合金电流辅助真空钎焊方法，包括以下步骤：

步骤S1：加工两个直径为400mm、高度为20mm的待焊ZK61镁合金零件5；

步骤S2：采用Mg-24Al-6.7Ag(wt.％)合金制备焊接中间层6，厚度0.05mm，直径400mm，合金熔点为418℃；

步骤S3：砂纸打磨两个待焊镁合金的焊接面和焊接中间层两个表面至粗糙度在Ra1.6以下，采用酒精清洗打磨表面并吹干

步骤S4：第一个待焊镁合金零件的焊接面朝上放置，中间层置于其上，第二个镁合金零件焊接面朝下放置于中间层上方，形成三层结构；

步骤S5：依次将2石墨下压头、三层结构、石墨上压头装入1石墨环的内径中，调整高度使焊接中间层5位于盲孔4的轴线上；

步骤S6：将步骤S5装配好的待焊件放在电流辅助真空钎焊炉内，将热电偶插入盲孔4中，关闭炉门，热电偶插入盲孔4的底部，如此实现热电偶端部距离焊接中间层6的最小距离为2mm的设计目标，确保能够通过公式T

步骤S7：设定电流辅助真空钎焊炉真空度、施加压力、升温速度、保温温度、保温时间、降温速度等工艺参数，其中升温速度60℃/min，保温时间3min，降温速度30℃/min，保温温度为388℃，进一步可计算获得中间层温度为438℃，如此即保证中间层熔化，又避免镁合金母材受热过高；施加压力为10KPa，即避免熔化焊料被过度挤出，有避免镁合金零件发生变形，真空度0.1Pa，保证在焊接时镁合金不挥发。

本实施例获得的钎焊接头剪切强度约74MPa，焊缝侧壁漫溢高度0.2mm。

实施例3

本实施例焊接对象为两个直径100mm，高度15mm的镁合金。

焊接工装由石墨环1、石墨下压头2、石墨上压头3组成。石墨环1内径R1＝30.5mm、外径50.5mm、高度40mm，在高度20mm处设计有直径3mm、深度8mm的盲孔4。石墨下压头2和石墨上压头3为圆柱结构，直径30mm、高度20mm。

镁合金电流辅助真空钎焊方法，包括以下步骤：

步骤S1：加工两个直径为100mm、高度为15mm的待焊AZ31镁合金零件5；

步骤S2：采用Mg-22Al-7Ag(wt.％)合金制备焊接中间层6，厚度0.15mm，直径30mm，合金熔点为413℃；

步骤S3：砂纸打磨两个待焊镁合金的焊接面和焊接中间层两个表面至粗糙度在Ra1.6以下，采用酒精清洗打磨表面并吹干

步骤S4：第一个待焊镁合金零件的焊接面朝上放置，中间层置于其上，第二个镁合金零件焊接面朝下放置于中间层上方，形成三层结构；

步骤S5：依次将2石墨下压头、三层结构、石墨上压头装入1石墨环的内径中，调整高度使焊接中间层5位于盲孔4的轴线上；

步骤S6：将步骤S5装配好的待焊件放在电流辅助真空钎焊炉内，将热电偶插入盲孔4中，关闭炉门，热电偶插入盲孔4的底部，如此实现热电偶端部距离焊接中间层6的最小距离为2mm的设计目标，确保能够通过公式T

步骤S7：设定电流辅助真空钎焊炉真空度、施加压力、升温速度、保温温度、保温时间、降温速度等工艺参数，其中升温速度150℃/min，保温时间5min，降温速度50℃/min，保温温度为400℃，进一步可计算获得中间层温度为450℃，如此即保证中间层熔化，又避免镁合金母材受热过高；施加压力为30KPa，即避免熔化焊料被过度挤出，有避免镁合金零件发生变形，真空度0.05Pa，保证在焊接时镁合金不挥发。

该实施例获得的钎焊接头剪切强度约70MPa，焊缝侧壁漫溢高度0.25mm

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，区别在于保温温度为436℃，进一步可计算获得中间层温度为486℃。因焊接温度过高，界面冶金反应加剧，形成大量粗大脆性相，显著降低了焊接性能。同时焊接温度过高，熔化的焊料流动加剧，焊缝侧壁漫溢高度增大。

本实施例获得的钎焊接头剪切强度约45MPa，焊缝侧壁漫溢高度0.25mm，强度不能满足天线焊接需求。

实施例5

本实施例与实施例2基本相同，区别在于保温温度为358℃，进一步可计算获得中间层温度为408℃，因中间层焊接温度低于其熔点，界面除因局部放电形成的连接外，大部分未形成冶金反应，界面连接效果差。

本实施例获得的钎焊接头剪切强度约8MPa。

实施例5

本实施例与实施例3基本相同，区别在于施加压力为100KPa。在过大的压力下，熔化焊料被挤出严重，侧壁漫溢高度显著增大，同时因焊缝剩余焊料量不足，接头剪切强度也略有下降。

本实施例获得的钎焊接头剪切强度约60MPa，焊缝侧壁漫溢高度0.5mm，强度和漫溢均不能满足天线焊接需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。