CN101585121A

CN101585121A - 一种高抗热裂性能镁合金焊丝

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Publication number: CN101585121A
Application number: CNA2009100671611A
Authority: CN
Inventors: 任振安; 宣兆志; 孙大千; 谷晓燕; 殷世强
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2009-11-25

Abstract

一种高抗热裂性能镁合金焊丝，尤其是涉及一种用于AZ31系列镁合金的焊丝，其化学成分按质量百分数计：Al5.39－6.60％，Zn0.62－0.74％，Ce0.04－0.06％，Mn0.25－0.28％和少量的Cu、Ni、Fe、Si等杂质。该焊丝含有少量稀土元素铈，比AZ31镁合金母材的铝含量高，利用稀土元素Ce的细化晶粒、净化晶界的作用，和适当提高Al含量，增加Mg－Al共晶物数量，产生“共晶愈合”作用，防止焊缝热裂纹。这种高抗热裂性能镁合金焊丝可以采用热挤压方法制备，适用于AZ31镁合金的手工送丝钨极氩弧焊接(TIG)，还适用于AZ31镁合金的熔化极氩弧焊接(MIG)方法。

Description

一种高抗热裂性能镁合金焊丝

技术领域：

本发明涉及一种高抗热裂性能镁合金焊丝，尤其是涉及一种用于AZ31系列镁合金的焊丝，属于金属材料制备领域。

背景技术：

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，与其他金属材料相比，具有质量轻、比强度和比刚度大、减震性能好等优点，又具有比工程塑料回收性能好的特点，被誉为“21世纪绿色环保和生态金属结构材料”。随着镁合金产品的用量增多，镁合金焊接结构件也逐渐增加，对镁合金焊丝的需求不断增加。但是，从镁合金焊丝研究现状来看，用于科技研究和实际焊接应用的镁合金焊丝种类较少，主要有如下几种：

a)AZ31和AZ61镁合金焊丝：日本的Sumitomo电器公司采用常规的AZ31和AZ61镁合金生产出了镁合金线材，所用合金的化学成分如表1所示，将直径为6.0mm的挤压线材拉拔成直径为3mm的线材作为镁合金焊丝。

表1镁合金焊丝的化学成分(质量％)

类型	Al	Zn	Mn	Si	Cu	Ni	Fe	Mg
类型	Al	Zn	Mn	Si	Cu	Ni	Fe	Mg	AZ31	2.9	0.77	0.40	0.01	＜0.01	＜0.01	＜0.01	余量
AZ61	6.4	0.77	0.35	0.03	＜0.01	＜0.01	＜0.01	余量	AZ31	2.9	0.77	0.40	0.01	＜0.01	＜0.01	＜0.01	余量

还可以采用多道次拉拔变形和中间退火工艺，使镁合金的晶粒细化，改善AZ31镁合金丝材的综合性能。[徐奔.AZ31镁合金丝材拉拔工艺的研究，哈尔滨工业大学硕士硕士论文，2006年6月]

镁合金常温塑性差，不能用冷拔法来生产镁合金焊丝。但在200℃以上时，可以产生滑移，提高塑性。对AZ61镁合金焊丝的成形工艺及性能的研究结果表明：从工艺性考虑，可以采用热挤压法生产Φ2.0mm以上的焊丝，采用复合生产工艺生产直径在Φ2.0mm以下的焊丝，即在温度200℃以上采用小缩减量、多道次的热拉拔法，将Φ2.0mm以上的焊丝拉拔成直径为Φ2.0mm以下的焊丝。[金文中，刘顺华，刘黎明，胡晓菊，董长富.AZ61镁合金焊丝的成形工艺及性能的研究和进展，上海有色金属2004，25(1)：1-4]

b)含有锑(Sb)的AZ61镁合金焊丝：在AZ61镁合金中加入1.0％Sb对镁合金铸态组织有明显的细化作用，采用热挤压法制成镁合金焊丝，焊丝的抗拉强度σ_b最高为334.6MPa，伸长率δ为14.54％，比AZ61镁合金焊丝的σ_b与δ分别提高61％与37％。[高洪吾，胡晓菊，李长茂，刘黎明，刘顺华.Sb对Mg-6Al合金显微组织及其焊丝力学性能的影响，特种铸造及有色合金，2004年第3期：19-21]

c)AZ31B活性焊丝：将AZ31B镁合金经热挤压制成直径为2.5mm的镁合金焊丝，选择单一成分的常见氯化物、碳酸盐、氟化物或氧化物作为活性剂，用无水乙醇调好，然后均匀涂敷在焊丝表面，厚度为0.5mm。进行手工填丝钨极氩弧(TIG)焊接试验，活性剂能起到增加焊接熔深的作用。但熔滴与熔池金属的融合能力变差，填丝性能较普通焊丝相比有所降低。[刘黎明，蔡东红，张兆栋，祝美丽.镁合金活性焊丝TIG焊，焊接学报，2007年，第28卷第4期：29-32，37]

d)AZ91及AZ91D镁合金焊丝：采用热挤压法(挤压温度420℃；挤压力9×10⁵N；出丝速度0.8～1m/min)制备了表面光洁、性能良好的AZ31、AZ91镁合金焊丝，焊丝直径为3mm和4mm，制备的镁合金焊丝晶粒细小，力学性能良好。并进行了镁合金填丝TIG焊接，获得了成型良好的焊接接头。[王冰.热挤压法制备镁合金焊丝及其焊接接头分析，西安理工大学硕士学位论文，2007年3月]

采用热型连铸设备与挤压装置制备了AZ91D镁合金焊丝，挤压温度为440℃时，制备出了直径为3mm和4mm，表面光亮的AZ91D镁合金焊丝。焊丝组织主要由α-Mg固溶体和(α+β-Mg₁₇Al₁₂)共晶组成。用制备的AZ91D镁合金焊丝进行手工钨极氩弧焊试验，得到了焊缝外观洁净，接头组织致密的焊接接头。[吕涛.Mg-Al共晶和AZ91D镁合金焊丝的制备、组织、性能及焊接试验，西安理工大学硕士学位论文，2007年3月]

e)Mg-Al共晶镁合金焊丝：西安理工大学还研制了Mg-Al共晶镁合金焊丝，用于AZ91D镁合金的焊接。[吕涛.Mg-Al共晶和AZ91D镁合金焊丝的制备、组织、性能及焊接试验，西安理工大学硕士学位论文，2007年3月]

从上述几种镁合金焊丝来看，焊接镁合金时主要采用与母材相同类型、成分相近的焊接材料。但镁合金有较大的焊接热裂纹敏感性，可以采用与母材成分不同的焊接材料来防止焊接热裂纹。

发明内容：

发明要解决的技术问题：

镁合金密度低、熔点低、热导率和电导率大、热膨胀系数大、化学活泼性强、易氧化，且氧化物的熔点高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列困难。镁合金焊接主要存在以下几个问题：氧化蒸发、焊接区晶粒粗大、热应力、热裂纹、气孔等。镁合金线膨胀与热膨胀系数较大是引起焊接热裂纹的一个因素，此外，镁与一些合金元素如Al、Zn、Cu、Ni等组成了二元或多元合金，与杂质元素易形成低熔点共晶体，偏析于晶界，增大了结晶温度范围，在应力作用下易形成热裂纹。为了防止焊接热裂纹，可以从焊接工艺和焊接材料两方面采取措施，焊接工艺方面主要是降低焊接热输入。

本发明提供一种高抗热裂性能镁合金焊丝，目的是通过焊接材料改变焊缝成分，利用稀土元素Ce的细化晶粒、净化晶界的作用，减轻镁合金中杂质元素的不利影响；提高Al含量，适当增加焊缝金属凝固后期共晶物数量，通过“共晶愈合”作用解决AZ31系列镁合金的焊接热裂纹问题。

焊接AZ31等类型的镁合金时，由于Mg与Al会发生共晶反应，焊缝金属凝固后期，α-Mg固溶体晶粒间的α+β-Mg₁₇Al₁₂共晶体熔点低，在焊接热应力的作用下，处于液态的少量共晶体降低了α-Mg固溶体晶粒间的结合强度和变形能力，促使产生晶间热裂纹。AZ31类型镁合金的成分参见表1，Al含量约3％，还含有少量Zn、Mn、Si、Cu、Ni、Fe等元素，焊接时有较大热裂纹倾向。因此，焊接这类镁合金时，可以通过提高焊丝Al含量使焊缝Al含量增加，增加Mg-Al二元共晶物数量，产生“共晶愈合”作用，防止焊缝热裂纹；另外，可以加入少量稀土元素，利用其细化晶粒和净化晶界的有利作用，防止焊缝热裂纹。

本发明的具体技术方案如下：

一种高抗热裂性能镁合金焊丝，其化学成分按质量百分数计：Al5.39-6.60％、Zn0.62-0.74％、Ce0.04-0.06％、Mn0.25-0.28％以及含有Cu、Ni、Fe和Si的少量杂质。

1)以AZ31镁合金铸锭为基本成分，经过特殊熔炼方法，加入适量的铝和稀土铈(Ce)是元素，然后铸造成锭。成分为(质量百分数)，Al：5.39-6.60％，Zn：0.62-0.74％，Ce：0.04-0.06％，Mn：0.25-0.28％和少量的Cu、Ni、Fe、Si等杂质。

2)按照热挤压焊丝的要求，把经过1)熔炼铸造得到的镁合金铸锭进行机械加工，成为直径约为90mm的圆柱型棒料，采用热挤压方法制备成焊丝，焊丝直径2mm。部分焊丝切取成为长约1m的TIG焊接填充材料。

3)按照热挤压焊丝的要求，把AZ31镁合金铸锭进行机械加工，成为直径约为90mm的圆柱型棒料，采用热挤压方法制备成焊丝，焊丝直径2mm，该焊丝作为对比焊接材料。部分焊丝切取成为长约1m的TIG焊接填充材料。

4)制备直径为1.6mm的焊丝时，可以使用热挤压后直径为2mm的镁合金焊丝，进行多道次加温热拔获得。

5)将多道次加温热拔得到的直径为1.6mm的镁合金焊丝绕入专用的焊丝盘，注意不可以折弯，保持干净。

6)进行手工送丝钨极氩弧焊接(TIG)时，使用长约1m的焊接填充材料，采用交流焊接电源施焊，AZ31镁合金试板厚度为3mm。使用AZ31镁合金焊丝时，经常可以观察到焊缝的收弧处产生热裂纹，如图1(a)所示。使用铝(Al)含量为5.39-6.60％、稀土铈(Ce)含量为0.04-0.06％的高抗热裂性能镁合金焊丝，进行手工送丝钨极氩弧焊接(TIG)时，完全避免了焊缝收弧处热裂纹，见图1(b)。

手工送丝钨极氩弧焊接(TIG)条件下，使用AZ31镁合金焊丝时，焊接接头抗拉强度为230MPa，比镁合金母材下降了10MPa，但伸长率从18.4％下降到11.1％。焊丝含铈(Ce)量接近(0.04-0.06％)但铝(Al)含量增加时，焊接接头的力学性能有所提高，数据见表2。焊接接头抗拉强度接近AZ31镁合金母材，但塑性下降较多，与AZ31镁合金焊丝的焊接结果接近。焊接接头均在焊缝位置断裂，断口宏观上呈45°斜截面，这与公开报道的研究结果相近。可见这种焊丝可以用于AZ31镁合金焊接。

表2钨极氩弧焊接焊丝成分对焊接接头性能的影响

(拉伸试件断面15×3mm，标距45mm)

7)进行熔化极氩弧焊接(MIG)时，使用焊丝盘，采用直流MIG焊接电源施焊，AZ31镁合金试板厚度为8mm。采用99.99％的纯氩气为保护气体，氩气流量为15L/min。焊接电流、电压和焊接速度分别为302A、25.4V、460mm/min。使用AZ31镁合金焊丝进行时，焊缝晶粒较粗大，见图2(a)，经常可以观察到焊缝的收弧处产生热裂纹。而使用铝(Al)含量为5.39-6.60％、稀土铈(Ce)含量为0.04-0.06％的镁合金焊丝时，焊缝晶粒明显细化，见图2(b)，未观察到焊缝收弧处热裂纹。

实践证明，使用与AZ31镁合金母材成分不同的高抗热裂性能镁合金焊丝，可以有效地提高焊缝金属抗热裂纹性能。高抗热裂性能镁合金焊丝的主要成分为(质量百分数)，Al：5.39-6.60％、Zn：0.62-0.74％、Ce：0.04-0.06％、Mn：0.25-0.28％。

本发明相对于现有技术具有的优点和进步：

本发明提出了铝(Al)含量较高并含有少量稀土铈(Ce)的高抗热裂性能镁合金焊丝，用于AZ31类型的镁合金焊接。通过焊接材料改变焊缝成分，利用稀土元素Ce的细化晶粒、净化晶界的作用，和适当提高Al含量，增加Mg-Al共晶物数量，产生“共晶愈合”作用，防止焊缝热裂纹。这种高抗热裂性能镁合金焊丝可以采用热挤压方法和热拉拔方法制备，适用于AZ31镁合金熔化焊，特别是常见的手工送丝钨极氩弧焊接(TIG)和熔化极氩弧焊接(MIG)方法。

附图说明：

图1手工送丝交流钨极氩弧焊接(TIG)，不同镁合金焊丝焊缝收弧处热裂纹对比

图1(a)AZ31镁合金焊丝；

图1(b)高抗热裂性能焊丝；

图2焊缝组织对比；

图2(a)AZ31镁合金焊丝；

图2(b)高抗裂性焊丝；

图3AZ31镁合金V形坡口对接接头装配示意图。

具体实施方式：

(1)用于手工送丝钨极氩弧焊接AZ31镁合金

a)以AZ31镁合金铸锭为原始成分，经过特殊熔炼方法，加入适量的铝和稀土铈元素，熔炼后用金属型进行浇铸，用4460型金属分析仪测定其主要成分为(质量百分数)，Al：6.6％，Zn：0.74％，Ce：0.06％，Mn：0.28％。

b)按照热挤压焊丝的要求，把镁合金铸锭进行机械加工，成为直径为90mm的圆柱型棒料，采用热挤压方法制备成焊丝，焊丝直径2mm。

c)使用热挤压后直径为2mm的镁合金焊丝，切取成为长约1m的焊接填充材料。

d)将两块AZ31镁合金试板(尺寸为200mm×50mm×3mm)在夹具上进行端面无间隙对接，然后使用长约1m的焊接填充材料，进行手工送丝钨极氩弧焊接(TIG)。采用交流焊接电源(WP300型焊机)施焊，焊接电流140A，焊接速度4mm/s，氩气流量15L/min，使用专用行走机构控制焊接速度。焊后未观察到焊缝收弧处热裂纹。

e)按照焊接接头力学性能取样要求，用线切割方法在焊接试板上切取拉伸试样，用电子拉伸试验机进行拉伸试验，取3个试样的平均值作为拉伸结果，焊接接头抗拉强度(σ_b)为220MPa，接近母材强度，但伸长率(δ)较低为9.8％。焊接接头均在焊缝位置断裂，断口宏观上呈45°斜截面。

(2)用于熔化极氩弧焊接AZ31镁合金

a)以AZ31镁合金铸锭为原始成分，经过特殊熔炼方法，加入适量的铝和稀土铈元素，熔炼后用金属型进行浇铸，用4460型金属分析仪测定其主要成分为(质量百分数)，Al：5.39％，Zn：0.62％，Ce：0.04％，Mn：0.25％。

c)使用热挤压后直径为2mm的镁合金焊丝，用专用拔丝设备，依次用直径为1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的硬质合金定径模，进行多道次热拔，加热温度为260-300℃。

d)将热挤压后热拔方法制备的直径为1.6mm的高抗热裂性能镁合金焊丝绕入专用的焊丝盘，注意不可以折弯，保持干净。

e)使用高抗热裂性能镁合金焊丝进行熔化极氩弧焊接(MIG)，采用直流焊接电源施焊，AZ31镁合金试板尺寸为200mm×50mm×8mm，将两块AZ31镁合金试板在夹具上装配成V形坡口对接接头形式，见图3所示。焊接设备为Tran Plus Synergic 400型MIG焊机，极性为反接，即镁合金母材接负极，焊丝接正极。采用99.99％的纯氩气为保护气体，氩气流量为15L/min。焊接电流、电压和焊接速度分别为302A、25.4V、460mm/min。使用专用行走机构控制焊接速度。焊后对整个焊接接头用5倍放大镜观察，未看到焊缝热裂纹。

f)按照焊接接头力学性能取样要求，用线切割方法在焊接试板上切取拉伸试样，用电子拉伸试验机进行拉伸试验，取3个试样的平均值作为拉伸结果，焊接接头抗拉强度(σ_b)为230MPa，接近母材强度，但伸长率(δ)较低为11.5％。焊接接头均在焊缝位置断裂，断口宏观上呈45°斜截面。

(3)用于手工送丝钨极氩弧焊接AZ31镁合金

a)以AZ31镁合金铸锭为原始成分，经过特殊熔炼方法，加入适量的铝和稀土铈元素，熔炼后用金属型进行浇铸，用4460型金属分析仪测定其主要成分为(质量百分数)，Al：5.96％，Zn：0.68％，Ce：0.05％，Mn：0.27％。

b)按照热挤压焊丝的要求，把镁合金铸锭进行机械加工，成为直径为90mm的圆柱型棒料，采用热挤压方法制备成焊丝，焊丝直径2mm，并切取成为长约1m的焊接填充材料。

c)施焊条件同实施例(1)d)，焊后未观察到焊缝收弧处热裂纹。

d)按照焊接接头力学性能取样要求，用线切割方法在焊接试板上切取拉伸试样，用电子拉伸试验机进行拉伸试验，取3个试样的平均值作为拉伸结果，焊接接头抗拉强度(σ_b)为216MPa，接近母材强度，但伸长率(δ)较低为10.2％。焊接接头均在焊缝位置断裂，断口宏观上呈45°斜截面。

(4)用于熔化极氩弧焊接AZ31镁合金

c)高抗热裂性能镁合金焊丝后期加工及施焊条件同实施例(2)c)、d)、e)，焊后未观察到焊缝收弧处热裂纹。

d)按照焊接接头力学性能取样要求，用线切割方法在焊接试板上切取拉伸试样，用电子拉伸试验机进行拉伸试验，取3个试样的平均值作为拉伸结果，焊接接头抗拉强度(σ_b)为227MPa，接近母材强度，但伸长率(δ)较低为12.1％。焊接接头均在焊缝位置断裂，断口宏观上呈45°斜截面。

Claims

1、一种高抗热裂性能镁合金焊丝，其特征在于，化学成分按质量百分数计：Al5.39-6.60％、Zn0.62-0.74％、Ce0.04-0.06％、Mn0.25-0.28％以及含有Cu、Ni、Fe和Si的少量杂质。