CN102310295A

CN102310295A - 一种镁合金焊丝及其制备方法

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Publication number: CN102310295A
Application number: CN201010219084XA
Authority: CN
Inventors: 林众
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: CN102310295B

Abstract

一种镁合金焊丝，其化学成分按重量百分比计：Al：2.00wt％-2.50wt％；Zn：0.28wt％-0.50wt％；Mn：0.25wt％-0.50wt％；Ca：0.01wt％-0.03wt％；Ce：0.10wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg；本发明还涉及上述镁合金焊丝的制备方法。本发明的镁合金焊丝可满足Mg-Al-Zn系镁合金熔化焊用并具有较高强度，能够在低含量合金化元素条件下，获得更加优异的组织性能，具有较高的抗拉强度、屈服强度和伸长率，焊接后可获得较高的接头强度，能够避免焊接接头在焊缝位置处出现断裂。

Description

一种镁合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及Mg-Al-Zn(镁铝锌)系镁合金焊丝，更具体的说，涉及一种用于AZ31B(符合ASTM-93/B 93M标准)熔化焊的镁合金焊丝及其制备方法。

背景技术

镁合金的密度为1.75-1.90g/cm³，仅为铝合金的2/3，钢铁的1/4，与其他金属材料相比，具有较高的强度/重量比，以及良好的降噪音和减震性能，可再回收利用、复合环保要求，在交通运输、轻工建材、通讯、电子、航空航天等领域具有广泛的应用潜力。随着镁合金产品的用量增加，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，用于科研和实际生产的镁合金焊丝的种类较少。

Mg-Al-Zn系合金作为工业生产中应用最早，使用也是最广泛的镁合金，工程上对适用于Mg-Al-Zn系合金的高性能焊丝材料的需求十分迫切；并且，对于具有越来越高的使用要求的镁合金产品，其对焊接质量的要求也在逐步提高，尤其对焊接接头处的屈服强度和抗拉强度提出了较高的要求，对于Mg-Al-Zn系的镁合金产品的焊接，目前国内主要采用同质的镁合金焊丝，然而，同质焊丝在焊接过程中，镁和锌等元素挥发氧化烧损严重、焊接区晶粒粗大而使得接头强度明显低于母材强度，不足以提供良好的焊接匹配性，容易在焊接接头处出现热裂纹。

中国发明专利申请(公开号CN101585121)公开了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：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。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；这种方案虽然能够防止焊缝热裂纹，但是焊接接头处的抗拉强度和伸长率较低，断裂仍然发生在焊接接头的焊缝位置处。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的镁合金焊丝焊接后，焊接接头的屈服强度和抗拉强度较低，容易在焊接接头的焊缝位置处出现断裂的技术问题。

本发明提供了一种镁合金焊丝，所述镁合金焊丝的化学成分按重量百分比计：Al：2.00wt％-2.50wt％；Zn：0.28wt％-0.50wt％；Mn：0.25wt％-0.50wt％；Ca：0.01wt％-0.03wt％；Ce：0.10wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg。

优选地，所述镁合金焊丝的化学成分按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.01wt％-0.025wt％；Ce：0.30wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.03wt％；余量为Mg。

优选地，所述镁合金焊丝中还含有重量百分比不大于0.03wt％的杂质，所述杂质为Cu、Ni、Fe、Si中的一种或几种。

优选地，所述镁合金焊丝的直径为2mm-3mm。

本发明还提供了上述镁合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：将配方量的镁合金焊丝的原料经过熔炼、浇铸的方法获得镁合金铸锭，将该镁合金铸锭经机械加工成镁合金棒料，再将镁合金棒料采用热挤压方法制得所述镁合金焊丝，其中，所述镁合金原料包含：镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭以及镁钇中间合金锭；其中，各组成元素的重量百分比：Al：2.00wt％-2.50wt％；Zn：0.28wt％-0.50wt％；Mn：0.25wt％-0.50wt％；Ca：0.01wt％-0.03wt％；Ce：0.10wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg。

优选地，所述镁锭为含Mg 99.9wt％以上的纯镁锭；所述铝锭为含Al 99.9wt％以上的纯铝锭；所述锌锭为含Zn 99.9wt％以上的纯锌锭；所述铈锭为含Ce 99.9wt％以上的纯铈锭。

优选地，所述镁合金原料中还含有重量百分比不大于0.03wt％的杂质元素，所述杂质元素为Fe、Si、Ni、Ca中的一种或几种。

优选地，在所述熔炼步骤前对原料进行预热处理：将镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭和镁钇中间合金锭进行预热，预热温度200℃±5℃，时间10min±1min。

优选地，所述熔炼步骤包括：1)、熔融合金化：将坩埚置于烘干箱中预热，温度400℃±5℃，时间30min±3min，再将坩埚置于熔炼炉中，并在坩埚内置放镁锭、铝锭，同时置放覆盖剂，将熔炼炉由室温升温至700℃±5℃，升温速率20℃/min，恒温保温10min±1min；再置放镁钙中间合金和镁锰中间合金，恒温保温10min±1min；然后升温至800℃±5℃，再置放铈锭和镁钇中间合金，恒温保温20min±2min；之后降温至700℃±5℃，置放锌锭，恒温保温10min±1min，制得镁合金熔液；

2)精炼：在镁合金熔液表面均匀撒入覆盖剂，并置放精炼剂，然后升温至760℃±5℃，恒温保温20min±2min，直至合金熔液呈现镜面光泽，再将温度由760℃±5℃降至700℃±5℃。

优选地，所述浇铸步骤将精炼后的镁合金熔液浇铸入温度200℃±5℃的模具中，浇铸完成后，将模具及其内的镁合金熔液置于空气中冷却，冷却至450℃±5℃，将镁合金铸锭脱模并置于干燥的细砂中，使其在空气中自然冷却至室温。

本发明能够提供一种可满足Mg-Al-Zn系镁合金，尤其是AZ31B镁合金工程熔化焊用并具有较高强度的镁合金焊丝，该镁合金焊丝能够在低含量合金化元素条件下，获得更加优异的组织性能，具有较高的抗拉强度σ_b、屈服强度σs和伸长率σ，焊接后可获得较高的接头强度，能够降低焊缝合金的焊接热裂倾向性，并能够避免焊接接头在焊缝位置处出现断裂。

附图说明

图1A是本发明实施例1焊接试样拉伸试验应力-应变曲线。

图1B是对比例1焊接试样拉伸试验应力-应变曲线。

图2A是本发明实施例1焊接试样拉伸试验断裂处的示意图。

图2B是对比例1焊接试样拉伸试验断裂处的示意图。

具体实施方式

本发明的发明人在长期的镁合金研究中，意外的发现通过在Mg-Al-Zn系镁合金中添加一定量的Ca、Ce、Y元素，能够提高镁合金焊丝焊接后焊接接头的综合性能：1)添加Ca元素能够在焊接过程中改善了镁合金表面的氧化膜性能，使单一的MgO覆盖层变成MgO-CaO复合氧化膜，MgO-CaO复合氧化膜比单一的MgO覆盖层致密，能够有效的避免镁、锌蒸气和氧气因结合反应导致的持续氧化，减少合金中易挥发的镁、锌两种元素的持续挥发烧损，从而能够有效改善焊接接头处的强度，避免热裂纹的产生；2)通过复合添加一定量的Ce和Y两种元素，能够起到细化组织晶粒的作用，使得细化焊缝金属凝固后期共晶物晶粒的效果更加明显；同时，Ce元素能将大部分的凝固枝晶转变为等轴晶，Y元素则能使通常采用同质焊丝形成的网状枝晶转变成断网分布的等轴晶，这种断网等轴晶凝固组织能够提高镁合金焊丝焊接形成的焊接焊头的抗拉强度和屈服强度。

由此，本发明提供一种镁合金焊丝，其化学成分按重量百分比计：铝(Al)：2.00wt％-2.50wt％；锌(Zn)：0.28wt％-0.50wt％；锰(Mn)：0.25wt％-0.50wt％；钙(Ca)：0.01wt％-0.03wt％；铈(Ce)：0.10wt％-0.83wt％；钇(Y)：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg以及少量(重量百分比不大于0.03wt％)的Cu、Ni、Fe、Si等杂质。

在优选情况下，为了获得焊接性能更佳的镁合金焊丝，镁合金焊丝的化学成分按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.01wt％-0.025wt％；Ce：0.30wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.03wt％；余量为Mg以及不可避免的杂质。

上述镁合金焊丝的制备方法包括下述步骤：

步骤1、备料：准备好配方量的纯镁锭(纯度≥99.9wt％)、纯铝锭(纯度≥99.9wt.％)、纯锌锭(纯度≥99.9wt.％)、纯铈锭(纯度≥99.9wt.％)、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭以及镁钇中间合金锭；

步骤2、预热：将镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭和镁钇中间合金锭、覆盖剂RJ-2、精炼剂RJ-5分别置于不锈钢容器中，然后置于烘干箱中预热，预热温度200℃±5℃，时间10min±1min；预热的作用是去除铸锭中的水，并使各种铸锭的性能均匀化。

步骤3、熔融合金化：将坩埚置于烘干箱中预热，温度400℃±5℃，时间30min±3min；再将坩埚置于熔炼炉中，并在坩埚内置放经过预热的镁锭、铝锭，同时置放覆盖剂RJ-2，将熔炼炉由室温升温至700℃±5℃，升温速率20℃/min，恒温保温10min±1min；再置放镁钙中间合金和镁锰中间合金，恒温保温10min±1min；然后升温至800℃±5℃，再置放铈锭和镁钇中间合金，恒温保温20min±2min；之后降温至700℃±5℃，置放锌锭，恒温保温10min±1min，整个熔融过程都伴随机械搅拌，更有利于铸锭的互熔。

步骤4、精炼：在镁合金元素形成镁合金熔液后，扒去镁合金熔液表面的熔渣，并捞出；在镁合金熔液表面均匀撒入覆盖剂RJ-2，并置放精炼剂RJ-5，然后升温至760℃±5℃，恒温保温20min±2min，合金熔液呈现镜面光泽，精炼后将温度由760℃±5℃降至700℃±5℃，得到精炼后的镁合金熔液。

步骤5、浇铸：将精炼后的镁合金熔液浇铸入温度200℃±5℃的模具中，浇铸完成后，将模具及其内的镁合金熔液置于空气中冷却，冷却至450℃±5℃时，打开模具，将铸锭脱模并置于干燥的细砂中，使其在空气中自然冷却至室温。经金属分析仪测定，所制得的镁合金铸锭符合所需镁合金焊丝的组成，其化学组成的重量百分比(wt％)：铝(Al)2.00wt％-2.50wt％、锌(Zn)0.28wt％-0.50wt％、锰(Mn)0.25wt％-0.50wt％、钙(Ca)0.01wt％-0.03wt％、铈(Ce)0.10wt％-0.83wt％、钇(Y)0.02wt％-0.05wt％以及重量百分比不大于0.03wt％的杂质(Cu、Ni、Fe、Si等杂质中一种或几种)。

步骤6、将冷却后的镁合金铸锭进行机械加工，制成直径为Φ90-Φ95mm，长度为420mm-450mm的镁合金棒料；

步骤7、采用热挤压方法，将镁合金棒料制成镁合金焊丝，焊丝的直径为2mm-3mm，热挤压方法可通过现有技术实现，后续可将热挤压制得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，以供后续使用。

下面通过实施例来详细说明本发明的技术方案及其优点。

实施例1

将纯度大于99.9wt％的镁合金焊丝原料：将配方量的镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭以及镁钇中间合金锭，采用覆盖剂熔炼、浇铸的方式获得镁合金铸锭，其组成为：Al 2.40wt％、Zn 0.48wt％、Mn 0.40wt％、Ca 0.02wt％、Ce 0.2wt％、Y 0.04wt％，余量为Mg以及含量不大于0.03wt％的杂质(Cu、Ni、Fe、Si等)，然后采用热挤压方法将镁合金铸锭制成直径为3mm的镁合金焊丝A1。

将两块AZ31镁合金试板(尺寸为150mm×50mm×2mm)在夹具上进行端面无间隙对接，然后采用所制得的镁合金焊丝A1，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100A，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。

按照GB/T 2651-2008标准，用线切割方法在焊接镁合金试板上切取拉伸试样，用CMT5105电子万能试验机进行拉伸试验(标距为50mm)，取3个试样的平均值作为拉伸结果，应力-应变曲线图见图1A，拉伸测试的数值见表1，同时参阅图2A，焊接试板在焊接热影响区处断裂，断口宏观上呈45°斜截面。

实施例2

将纯度大于99.9wt％的镁合金焊丝原料：将配方量的镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭以及镁钇中间合金锭，采用覆盖剂熔炼、浇铸的方式获得镁合金铸锭，其组成为：Al 2.45wt％、Zn 0.30wt％、Mn 0.48wt％、Ca 0.03wt％、Ce 0.25wt％、Y 0.045wt％，余量为Mg以及含量不大于0.03wt％的杂质(Cu、Ni、Fe、Si等)，然后采用热挤压方法将镁合金铸锭制成直径为3mm的镁合金焊丝A2。

将两块AZ31镁合金试板(尺寸为150mm×50mm×2mm)在夹具上进行端面无间隙对接，然后采用所制得的镁合金焊丝A2，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100A，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，

按照GB/T 2651-2008标准，用线切割方法在焊接镁合金试板上切取拉伸试样，用CMT5105电子万能试验机进行拉伸试验(标距为50mm)，取3个试样的平均值作为拉伸结果，拉伸测试的数值见表1，焊接试板在焊接热影响区处断裂，断口宏观上呈45°斜截面。

实施例3

将纯度大于99.9wt％的镁合金焊丝原料：将配方量的镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭以及镁钇中间合金锭，采用覆盖剂熔炼、浇铸的方式获得镁合金铸锭，其组成为：Al 2.20wt％、Zn 0.45wt％、Mn 0.38wt％、Ca 0.015wt％、Ce 0.60wt％、Y 0.025wt％，余量为Mg以及含量不大于0.03wt％的杂质(Cu、Ni、Fe、Si等)，然后采用热挤压方法将镁合金铸锭制成直径为3mm的镁合金焊丝A3。

将两块AZ31镁合金试板(尺寸为150mm×50mm ×2mm)在夹具上进行端面无间隙对接，然后采用所制得的镁合金焊丝A3，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100A，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。

对比例1

将纯度为99.9wt％的AZ31B(符合ASTM-93/B 93M标准)镁合金原料采用覆盖剂熔炼、浇铸的方式获得镁合金铸锭，其组成为：Al 2.80wt％、Zn0.90wt％、Mn 0.80wt％、余量为Mg以及含量不大于0.03wt％的杂质(Cu、Ni、Fe、Si等)，然后采用热挤压方法将镁合金铸锭制成直径为3mm的镁合金焊丝B1。

将两块AZ31镁合金试板(尺寸为150mm×50mm×2mm)在夹具上进行端面无间隙对接，然后采用所制得的镁合金焊丝B1，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100A，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。

按照GB/T 2651-2008标准，用线切割方法在焊接试板上切取拉伸试样，用CMT5105电子万能试验机进行拉伸试验(标距为50mm)，取3个试样的平均值作为拉伸结果，应力-应变曲线图见图1B，拉伸测试的数值见表1，同时参阅图2B，焊接试板在焊缝处断裂。

对比例2

采用背景技术提到的中国发明专利申请(公开号CN101585121)的实施例1的技术方案：

以AZ31镁合金铸锭为原始成分，加入适量的铝和稀土铈元素，采用覆盖剂熔炼、浇铸的方式获得镁合金铸锭，用金属分析仪测定其主要成分为：Al 6.60wt％、Zn 0.74wt％、Ce 0.06wt％、Mn 0.28wt％、余量为Mg以及含量不大于0.03wt％的杂质(Cu、Ni、Fe、Si等)，然后采用热挤压方法将镁合金铸锭制成直径为3mm的镁合金焊丝B2。

将两块AZ31镁合金试板(尺寸为150mm×50mm×2mm)在夹具上进行端面无间隙对接，然后采用所制得的镁合金焊丝B2，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100A，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。

按照GB/T 2651-2008标准，用线切割方法在焊接试板上切取拉伸试样，用CMT5105电子万能试验机进行拉伸试验(标距为50mm)，取3个试样的平均值作为拉伸结果，拉伸测试的数值见表1。

表1

根据上述表1的数据可以看出，本发明通过添加Ca元素，在焊接过程中改善了镁合金表面氧化膜性能，有效阻止镁、锌蒸气通过其扩散与氧气发生反应而导致持续氧化和烧损，能够有效改善焊接接头处的强度，并且，通过复合添加Ce和Y两种元素，能够有效细化焊缝金属凝固后期共晶物晶粒，形成断网分布的等轴晶，不仅能够提高抗拉强度σ_b(达到240MPa)，而且屈服强度σ_s由110-120MPa提高到了接近镁合金基体的140-150MPa。对比图2A和图2B可以看出，实施例1的断裂在焊接热影响区，而对比例1的断裂在焊接接头的焊缝位置处，充分说明实施例1的焊接接头的抗拉强度和屈服强度更高。

Claims

1.一种镁合金焊丝，其特征在于，所述镁合金焊丝的化学成分按重量百分比计：Al：2.00wt％-2.50wt％；Zn：0.28wt％-0.50wt％；Mn：0.25wt％-0.50wt％；Ca：0.01wt％-0.03wt％；Ce：0.10wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg。

2.如权利要求1所述的镁合金焊丝，其特征在于，所述镁合金焊丝的化学成分按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.01wt％-0.025wt％；Ce：0.30wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.03wt％；余量为Mg。

3.如权利要求1所述的镁合金焊丝，其特征在于，所述镁合金焊丝中还含有重量百分比不大于0.03wt％的杂质，所述杂质为Cu、Ni、Fe、Si中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的镁合金焊丝，其特征在于，所述镁合金焊丝的直径为2mm-3mm。

5.一种镁合金焊丝的制造方法，该方法包括以下步骤：将配方量的镁合金焊丝的原料经过熔炼、浇铸的方法获得镁合金铸锭，将该镁合金铸锭经机械加工成镁合金棒料，再将镁合金棒料采用热挤压方法制得所述镁合金焊丝，其特征在于，所述镁合金原料包含：镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭以及镁钇中间合金锭；其中，各组成元素的重量百分比：Al：2.00wt％-2.50wt％；Zn：0.28wt％-0.50wt％；Mn：0.25wt％-0.50wt％；Ca：0.01wt％-0.03wt％；Ce：0.10wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg。

6.如权利要求5所述的镁合金焊丝的制造方法，其特征在于，所述镁锭为含Mg 99.9wt％以上的纯镁锭；所述铝锭为含Al 99.9wt％以上的纯铝锭；所述锌锭为含Zn 99.9wt％以上的纯锌锭；所述铈锭为含Ce 99.9wt％以上的纯铈锭。

7.根据权利要求5所述的镁合金焊丝的制造方法，其特征在于，所述镁合金原料中还含有重量百分比不大于0.03wt％的杂质元素，所述杂质元素为Fe、Si、Ni、Ca中的一种或几种。

8.根据权利要求5所述的镁合金焊丝的制造方法，其特征在于，在所述熔炼步骤前对原料进行预热处理：将镁锭、铝锭、锌锭、铈锭、镁钙中间合金锭、镁锰中间合金锭和镁钇中间合金锭进行预热，预热温度200℃±5℃，时间10min±1min。

9.根据权利要求5所述的镁合金焊丝的制造方法，其特征在于，所述熔炼步骤包括：

1)、熔融合金化：将坩埚置于烘干箱中预热，温度400℃±5℃，时间30min±3min，再将坩埚置于熔炼炉中，并在坩埚内置放镁锭、铝锭，同时置放覆盖剂，将熔炼炉由室温升温至700℃±5℃，升温速率20℃/min，恒温保温10min±1min；再置放镁钙中间合金和镁锰中间合金，恒温保温10min±1min；然后升温至800℃±5℃，再置放铈锭和镁钇中间合金，恒温保温20min±2min；之后降温至700℃±5℃，置放锌锭，恒温保温10min±1min，制得镁合金熔液；

10.根据权利要求9所述的镁合金焊丝的制造方法，其特征在于，所述浇铸步骤将精炼后的镁合金熔液浇铸入温度200℃±5℃的模具中，浇铸完成后，将模具及其内的镁合金熔液置于空气中冷却，冷却至450℃±5℃，将镁合金铸锭脱模并置于干燥的细砂中，使其在空气中自然冷却至室温。