CN101695791A

CN101695791A - 一种镁合金与钢的焊接方法

Info

Publication number: CN101695791A
Application number: CN 200910188301
Authority: CN
Inventors: 刘黎明; 宋刚; 张兆栋; 齐晓冬
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-04-21

Abstract

本发明属于材料工程技术领域，涉及异种金属的焊接方法，特别涉及到一种镁合金与钢的焊接方法，其特征在于，在镁合金与钢之间预置0.05mm～0.3mm厚的镍合金片或铜合金片，用激光-电弧复合焊接方法进行点焊或连续焊接。镍合金的成分及其重量比为：Ni 80％～90％、Cr 5％～15％、Mo1～5％、其他杂质＜0.1；铜合金的成分及其重量比为：Cu 80％～95％、Zn 5％～20％、其他杂质＜0.1。本发明实现了镁合金与钢之间的冶金连接，显著提高了焊接接头的力学性能，接头抗剪切强度可达160MPa以上，能够满足实际结构件的应用需求，可用于开发汽车等交通工具中的新型镁钢结构件。

Description

一种镁合金与钢的焊接方法

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，涉及异种金属的焊接方法，特别涉及到一种镁合金与钢的焊接方法。

背景技术

镁合金具有比重轻、比强度高、电磁屏蔽性能及导热性能良好、易回收等特点，被称为最具有发展前景的绿色工程结构材料。根据汽车等交通工具节能降耗的需求，镁合金已经成为该领域首选的轻质结构材料。镁合金的应用不可避免地遇到与钢的焊接问题，例如，交通工具的镁合金座椅、脚踏板等需要与钢结构底盘焊接。开发新型镁合金与钢的高效焊接技术，对研制和开发新型轻质复杂结构焊接零部件具有积极的促进作用。

现有的异种金属焊接技术，主要采用的焊接方法有扩散焊和钎焊，爆炸焊和激光焊也有少量报道。扩散焊包括直接扩散焊和夹层扩散焊，是在一定的温度和压力下，两种金属界面发生原子或分子扩散，获得焊接接头；钎焊是采用熔点比被焊材料低的钎料，通过加热和保温，利用钎料熔化的润湿性和铺展能力，来获得所需要的焊接接头，例如铝合金和钢的焊接，采用电弧焊使铝合金熔化铺展在钢的表面，而钢不熔化，利用铝合金在钢表面的润湿来实现两者的连接，实际上属于一种熔化钎焊的方法。对于镁合金与铝合金的焊接，由于镁与铝直接接触很容易发生反应，生成脆性化合物，使焊接接头的力学性能显著降低，目前的研究多采用添加低熔点锌基夹层材料，采用扩散焊和钎焊的方法来抑制和减少镁铝化合物的产生。

镁合金与钢在物理性能和化学性能方面同样存在着很大差异：一方面，镁合金和钢的熔点相差很大(分别为650℃和1500℃)，很难实现两者的同时熔化；另一方面，从相图上看镁与铁几乎不互溶，也不存在相互反应，不能生成金属间化合物，因此从焊接理论和工艺上讲，现有的焊接方法很难实现二者的有效焊接。日本大阪大学进行了变形镁合金与钢的搭接的搅拌磨擦焊，焊接界面显示二者只是机械连接(Materials&Design，2009，3913)，其接头所承受最大拉力约为3.5kN，不能满足实际应用的需求。大连理工大学采用激光-电弧复合焊接技术进行了研究，激光的快速加热和冲击作用能够使镁、钢同时熔化，获得连接接头，但是分析发现，由于镁与钢几乎不互溶，也不反应，该接头的连接方式为机械连接，力学性能仍不能满足实际应用的需求(焊接学报，2006，Vol.27，Issue.12：53-57)。

发明内容

本发明的目的，是提出一种镁合金和钢的焊接方法，采用激光-电弧复合焊接工艺，实现镁合金与钢的冶金连接，提高焊接接头的力学性能，达到工业生产的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种镁合金与钢的焊接方法，其特征在于，在镁合金与钢之间预置0.05mm～0.3mm厚的镍合金片或铜合金片，用激光-电弧复合焊接方法进行点焊或连续焊接；镍合金的成分及其重量比为：Ni 80％～90％、Cr 5％～15％、Mol～5％、其他杂质＜0.1；铜合金的成分及其重量比为：Cu80％～95％、Zn5％～20％、其他杂质＜0.1；采用YAG固体激光器或半导体激光器，激光功率为300W～5000W，电弧功率为500W～4000W，连续焊接时焊接速度为500mm/min～3000mm/min。

焊接前将镁合金与钢的一端搭接在一起，搭接宽度可以为15～20mm，镍合金或铜合金夹放在搭接处的镁合金与钢之间。焊接时激光束与电弧电极的夹角为0～45度、激光冲击点与电弧作用熔池中心距离为0～3mm效果较好。

加入的镍合金或铜合金，焊接时会在与镁合金接触侧形成Mg₂Ni或Mg₂Cu等金属间化合物，在与钢接触侧会形成镍或铜与铁的固溶体，从而获得了冶金连接接头，提高了连接强度。镍合金中的铬，以及铜合金中的锌均能够提高焊接接头的耐腐蚀性能。

本发明的镁/钢焊接方法，通过添加中间过渡层，采用激光-电弧复合焊接工艺，实现了镁合金与钢之间的冶金连接，显著提高了焊接接头的力学性能，接头抗剪切强度可达160MPa以上，能够满足实际结构件的应用需求，可用于开发汽车等交通工具中的新型镁钢结构件。

附图说明

图1为镁合金与钢的焊接方法示意图。

图中1为镁合金，2为钢，3为镍合金片或铜合金片，4为激光，5为电弧。

图2为镁合金与钢焊接搭接接头结构示意图，图中L为搭接宽度。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

实施例1，在镁合金与钢之间预置镍合金，用激光-电弧复合焊接方法进行连续焊接。

变形镁合金AZ31B板材厚度为2.5mm，Q235钢板材厚度为1.8mm，尺寸均为80×60mm，焊前进行除锈处理，并使用丙酮去除表面油脂。镍合金成分为90％Ni+8.6％Cr+1.4％Mo，杂质＜0.1％，厚度为0.1mm。

如图1和图2所示，采用搭接的焊接方式，镁合金1在上，钢2在下，镍合金3夹在搭接接头之间，搭接宽度L为20mm。

激光-电弧复合焊接工艺参数选择如下：电弧电流80A，电弧电压12V，焊接速度为1000mm/min，激光平均输出功率450W，脉冲频率为30Hz。

焊接时激光束4与电弧电极5的夹角为40度、激光冲击点与电弧作用熔池中心距离为1mm。

焊后采用万能实验机进行拉伸，镁合金与钢焊接接头的抗剪切强度可达170MPa，能够满足实际应用的需求。

实施例2，在镁合金与钢之间预置铜合金，用激光-电弧复合焊接方法进行点焊。

镁合金AZ91D板材厚度为3.5mm，Q235钢板材厚度为2.5mm，尺寸均为80×60mm，焊前进行除锈处理，并使用丙酮去除表面油脂。铜合金成分为85％Cu+15％Zn，其他杂质＜0.1％，厚度为0.24mm。

如图1和图2所示，采用搭接的焊接方式，镁合金1在上，钢2在下，铜合金3夹在搭接接头之间，搭接宽度L为15mm。

激光-电弧复合焊接工艺参数选择如下：电弧电流140A，电弧电压15V，激光平均输出功率2000W。

焊接时激光束4与电弧电极5的夹角为20度、激光冲击点与电弧作用熔池中心距离为0.5mm。

焊后采用万能实验机进行拉伸，镁合金与钢焊接接头的抗剪切强度可达160MPa，能够满足实际应用的需求。

Claims

1.一种镁合金与钢的焊接方法，其特征在于，在镁合金与钢之间预置0.05mm～0.3mm厚的镍合金片或铜合金片，用激光-电弧复合焊接方法进行点焊或连续焊接；镍合金的成分及其重量比为：Ni 80％～90％、Cr 5％～15％、Mol～5％、其他杂质＜0.1，铜合金的成分及其重量比为：Cu80％～95％、Zn5％～20％、其他杂质＜0.1；采用YAG固体激光器或半导体激光器，激光功率为300W～5000W，电弧功率为500W～4000W，连续焊接时焊接速度为500mm/min～3000mm/min。

2.如权利要求1所述的镁合金与钢的焊接方法，其特征在于，焊接时激光束与电弧电极的夹角为0～45度，激光冲击点与电弧作用熔池中心距离为0～3mm。