CN102528286A

CN102528286A - 一种合金元素调控镁/钢焊接方法

Info

Publication number: CN102528286A
Application number: CN2012100443000A
Authority: CN
Inventors: 李俐群; 檀财旺; 陈彦宾; 郭伟
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种合金元素调控镁/钢焊接方法，它涉及一种焊接方法。本发明要解决现有焊接镁合金与钢的方法存在烧损和表面成型很难控制的问题。方法：一、制备焊丝；二、对钢表面进行熔敷处理或者热渗处理；三、以镁合金在上、步骤二得到合金元素/钢在下的形式采用工装夹具固定在工作台上，得到待焊工件；四、焊接：采用激光束进行焊接，即完成合金元素调控镁/钢的焊接。优点：一、解决镁合金和钢熔点差异大的问题；二、实现不反应非互溶镁/钢之间的连接；三、可以灵活调整合金元素的种类和配比。本发明主要用于对镁和钢的焊接。

Description

一种合金元素调控镁/钢焊接方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法。

背景技术

镁合金具有密度低(其密度仅为铝的2/3，钢的1/4)，比刚度、比强度高等特点，并且具有良好的电磁屏蔽性能和导热性能，被誉为21世纪绿色工程结构材料。镁合金能够大大减轻结构件的重量，在汽车和航空航天领域拥有广阔的应用前景，其使用量也呈逐年增加趋势。若能实现镁合金和钢的可靠连接，发挥异种材料的不同优势，将扩大镁合金的应用范围，更大程度上实现复杂结构零部件的轻量化生产。

镁合金与钢在物理性能以及化学性能等方面存在巨大差异，镁合金与钢的熔点相差近900℃(镁合金为660℃，钢为1515℃)，并且镁合金的沸点低(1100℃)，蒸汽压高，若同时熔化镁和钢则不可避免地造成镁合金的大量烧损蒸发。因此，采用传统熔焊的方式很难获得理想的焊接效果。此外，根据镁-铁二元合金相图，镁与铁属于典型的不反应非互溶的两种金属：两者在常温和高温时几乎不互溶，也不发生任何冶金反应，不生成中间相。因此，添加能够与镁、铁形成互溶或发生反应的过渡金属成为研究的焦点。在中国专利《一种镁合金与钢的焊接方法》(申请号：200910188301.0)中公开了一项方案，在镁合金与钢之间预置镍合金或铜合金片，采用激光-电弧复合焊接的方法，焊接时在镁合金侧形成Mg₂Ni或Mg₂Cu等金属间化合物，在钢接触一侧形成镍-铁或铜-铁的固溶体，从而实现了镁合金与钢之间的冶金连接。该方法虽解决了镁与钢不反应非互溶的问题，但是，其实现方式是采用搭接接头穿透焊，激光穿透镁合金上板，熔化高熔点的Ni或Cu夹层，然后和下板的钢形成一个熔池，因此镁合金的烧损问题和表面成型很难控制。另外，添加薄夹层对装配的要求较高，不适用于实际的焊接生产。同时，该方法无法针对不同系列的镁合金和不同种类的钢进行合理的调控，以获得镁/钢接头连接的最佳效果。

发明内容

本发明要解决现有焊接镁合金与钢的方法存在烧损和表面成型很难控制的问题，而提供一种合金元素调控镁/钢焊接方法。

一种合金元素调控镁/钢焊接方法，具体是按以下步骤完成的：一、制备焊丝：按Al的质量分数为3％～10％、Zn的质量分数为1％～5％和余量为Mg的形式进行熔炼，然后进行拉拔，并冷却至室温就得到焊丝；二、渗透处理：采用真空炉在温度为1000℃～1100℃、真空度为6Pa～70Pa的条件下对钢表面进行热渗处理，热渗处理时间为6h～12h，即得到合金元素/钢；三、装卡：首先对镁合金和步骤二得到的合金元素/钢进行表面处理，然后采用搭接接头的方式，并以镁合金在上、步骤二得到合金元素/钢在下的形式采用工装夹具固定在工作台上，镁合金与合金元素/钢带有合金元素的一侧搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接：在激光功率为500W～10kW、焊接速度为0.1m/min～6m/min的条件下，采用步骤一制备的焊丝对步骤三得到的待焊工件进行焊接，激光束照射在合金元素/钢表面上，且与镁合金边缘相距1.0mm～3.0mm，以氩气或氦气保护，保护气流量为1L/min～50L/min，送丝速度为焊接速度的2～5倍，即完成合金元素调控镁/钢的焊接；步骤二中所述的合金元素是由10％～18％Cr、1％～8％Mn、1％～8％Ni和余量为Mg混合而成的粉末状固体。

本发明的优点：一、本发明利用激光熔钎焊方式，解决镁合金和钢熔点差异大的问题，利用镁基焊丝对搭接接头进行填充，熔焊一侧形成很好的连接，将镁/钢连接的关键控制在钎焊侧的界面处；二、本发明利用镁基焊丝和钢中所添加的合金元素，在镁/钢界面处发生扩散，生成反应相以实现不反应非互溶镁/钢之间的连接。同时，利用激光快速热循环对界面反应层进行精确可控，使得钎焊的界面处不再是接头的薄弱部位；三、和单一夹层相比，本发明可以同时添加多种所需的合金元素，针对不同的钢种，可以灵活调整合金元素的种类和配比，以达到理想的焊接效果；四、本发明填充的焊缝与镁合金形成很好的同质连接，熔焊侧没有任何缺陷，焊丝熔化的合金元素和合金元素/钢表面的合金元素发生相互扩散，形成反应层，最终实现非互溶不反应镁/钢界面的冶金结合；五、焊后对接头进行拉剪测试发现，镁合金与钢的焊接接头断裂于镁合金母材，抗拉强度达到镁合金母材的92％，完全能够满足实际应用的需要。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的合金元素调控镁/钢焊接方法示意图，图中1为镁基焊丝，2为合金元素/钢，3为镁合金，4为激光束，5为焊丝熔化后形成的焊缝，6为焊丝中合金元素，7为合金元素/钢表面的合金元素；图2是现有技术焊接得到的镁/钢界面12000倍的组织形貌图；图3是试验一焊接得到的镁/钢界面10000倍的组织形貌图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一是一种合金元素调控镁/钢焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备焊丝：按Al的质量分数为3％～10％、Zn的质量分数为1％～5％和余量为Mg的形式进行熔炼，然后进行拉拔，并冷却至室温就得到焊丝；二、渗透处理：采用真空炉在温度为1000℃～1100℃、真空度为6Pa～70Pa的条件下对钢表面进行热渗处理，热渗处理时间为6h～12h，即得到合金元素/钢；三、装卡：首先对镁合金和步骤二得到的合金元素/钢进行表面处理，然后采用搭接接头的方式，并以镁合金在上、步骤二得到合金元素/钢在下的形式采用工装夹具固定在工作台上，镁合金与合金元素/钢带有合金元素的一侧搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接：在激光功率为500W～10kW、焊接速度为0.1m/min～6m/min的条件下，采用步骤一制备的焊丝对步骤三得到的待焊工件进行焊接，激光束照射在合金元素/钢表面上，且与镁合金边缘相距1.0mm～3.0mm，以氩气或氦气保护，保护气流量为1L/min～50L/min，送丝速度为焊接速度的2～5倍，即完成合金元素调控镁/钢的焊接。

本实施方式步骤二中所述的合金元素是由10％～18％Cr、1％～8％Mn、1％～8％Ni和余量为Mg混合而成的粉末状固体。

本实施方式利用激光熔钎焊方式，解决镁合金和钢熔点差异大的问题，利用镁基焊丝对搭接接头进行填充，熔焊一侧形成很好的连接，将镁/钢连接的关键控制在钎焊侧的界面处。

本实施方式利用镁基焊丝和钢中所添加的合金元素，在镁/钢界面处发生扩散，生成反应相以实现不反应非互溶镁/钢之间的连接；同时，利用激光快速热循环对界面反应层进行精确可控，使得钎焊的界面处不再是接头的薄弱部位。

和单一夹层相比，本实施方式可以同时添加多种所需的合金元素，针对不同的钢种，可以灵活调整合金元素的种类和配比，以达到理想的焊接效果。

本实施方式填充的焊缝5与镁合金3形成很好的同质连接，熔焊侧没有任何缺陷，焊丝1熔化的合金元素6和合金元素/钢2表面的合金元素7发生相互扩散，形成反应层，最终实现非互溶不反应镁/钢界面的冶金结合。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四中所述的激光束为CO₂气体激光束，YAG固体激光束、半导体激光束、光纤激光束。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体是实施方式一或二之一的不同点：步骤四中所述的激光束为连续式激光束和脉冲式激光束；其中所述的脉冲式激光束的频率为1Hz～500Hz。。其它与具体实施方式一或二相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：一种合金元素调控镁/钢焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备焊丝：按Al的质量分数为6.5％、Zn的质量分数为3％和余量为Mg的形式进行熔炼，然后进行拉拔，并冷却至室温就得到焊丝；二、渗透处理：采用真空炉在温度为1050℃、真空度为35Pa的条件下对钢表面进行热渗处理，热渗处理时间为9h，即得到合金元素/钢；三、装卡：首先对镁合金和步骤二得到的合金元素/钢进行表面处理，然后采用搭接接头的方式，并以镁合金在上、步骤二得到合金元素/钢在下的形式采用工装夹具固定在工作台上，镁合金与合金元素/钢带有合金元素的一侧搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接：在激光功率为5000kW、焊接速度为2m/min的条件下，采用步骤一制备的焊丝对步骤三得到的待焊工件进行焊接，激光束照射在合金元素/钢表面上，且与镁合金边缘相距2.0mm，以氦气保护，保护气流量为25L/min，送丝速度为焊接速度的3.5倍，即完成合金元素调控镁/钢的焊接。

本试验步骤二中所述的合金元素是由14％Cr、4.5％Mn、4.5％Ni和余量为Mg混合而成的粉末状固体。

本试验步骤四中所述的激光束为CO₂气体激光束。

本试验步骤四中所述的激光束为连续式激光束。

采用扫描电镜方法观察现有焊接方法得到的镁/钢界面和本试验焊接得到的镁/钢界面，如图2和图3所示，图2是现有技术焊接得到的镁/钢界面12000倍的组织形貌图，图中的1表示焊缝，图中的2表示钢；图3是本试验焊接得到的镁/钢界面10000倍的组织形貌图，图中的3表示焊缝，图中的4表示合金元素/钢，图中的5表示反应层；通过图2和图3可以看出，现有技术焊接得到的镁/钢界面无任何反应物生成；本试验焊接得到的镁/钢界面形成超薄的反应层，厚度约为1um～2um，这大大提高了界面的结合强度，最终控制界面，使得接头断裂于镁合金母材。

对本试验得到的焊接接头进行拉剪测试发现，镁合金与钢的焊接接头断裂于镁合金母材，抗拉强度达到镁合金母材的92％，完全能够满足实际应用的需要。

Claims

1.一种合金元素调控镁/钢焊接方法，其特征在于合金元素调控镁/钢焊接方法是按以下步骤完成的：

一、制备焊丝：按Al的质量分数为3％～10％、Zn的质量分数为1％～5％和余量为Mg的形式进行熔炼，然后进行拉拔，并冷却至室温就得到焊丝；二、渗透处理：采用真空炉在温度为1000℃～1100℃、真空度为6Pa～70Pa的条件下对钢表面进行热渗处理，热渗处理时间为6h～12h，即得到合金元素/钢；三、装卡：首先对镁合金和步骤二得到的合金元素/钢进行表面处理，然后采用搭接接头的方式，并以镁合金在上、步骤二得到合金元素/钢在下的形式采用工装夹具固定在工作台上，镁合金与合金元素/钢带有合金元素的一侧搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接：在激光功率为500W～10kW、焊接速度为0.1m/min～6m/min的条件下，采用步骤一制备的焊丝对步骤三得到的待焊工件进行焊接，激光束照射在合金元素/钢表面上，且与镁合金边缘相距1.0mm～3.0mm，以氩气或氦气保护，保护气流量为1L/min～50L/min，送丝速度为焊接速度的2～5倍，即完成合金元素调控镁/钢的焊接；步骤二中所述的合金元素是由10％～18％Cr、1％～8％Mn、1％～8％Ni和余量为Mg混合而成的粉末状固体。

2.根据权利要求1所述的一种合金元素调控镁/钢焊接方法，其特征在于步骤四中所述的激光束为CO₂气体激光束，YAG固体激光束、半导体激光束、光纤激光束。

3.根据权利要求1或2所述的一种合金元素调控镁/钢焊接方法，其特征在于步骤四中所述的激光束为连续式激光束和脉冲式激光束；其中所述的脉冲式激光束的频率为1Hz～500Hz。