CN103074557A - 一种改善镁合金焊接组织与性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善镁合金焊接组织与性能的方法，包括如下步骤：首先，将镁合金焊接板材置于热处理炉中，温度在250℃~350℃之间，进行一定时间的去应力退火；然后，采用金相砂纸将焊缝处打磨平整，使之与基材等高；再将镁合金加热到再结晶以上某一温度，保温一定时间后热轧。本发明普遍适用于可焊透的镁合金板材，如AZ31、AZ61、AZ80等镁合金板材。经过焊接的镁合金板，其焊缝、热影响区的强度明显低于基材。本发明通过一定温度保温后热轧的手段，可有效提高镁合金焊接件的强度，使焊缝、热影响区与母材的组织、性能趋于一致。

Description

一种改善镁合金焊接组织与性能的方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料焊后加工，属于有色金属中镁合金板材生产加工领域，特别涉及一种镁合金焊接后热轧强化加工工艺。

  

背景技术

高的比强度、比刚度、优良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散热、易切削加工、易回收等许多特性，使镁合金在电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业等领域受到高度重视。焊接是最常见的优化产品设计、减小生产成本的加工工艺，因此，若要充分发挥镁合金的各方面性能，必须辅以成熟的焊接技术。二战期间，航空业需要找到焊接镁和焊接铝的方法，加速了气体保护焊的研究进程。氩弧气体保护焊（TIG）发明后，镁合金的焊接问题取得重大突破。镁合金的研究仍如火如荼地进行，相应的焊接技术也随之发展，力求改善镁合金焊接质量。

当今的镁合金生产主要以热挤压、热轧、铸造等方法得到棒材、板材以及复杂形状的结构件。镁合金板材在实际应用过程中不可避免地会涉及到板材间的焊接，然而，由于镁合金熔点低、线膨胀系数和热导率高等特点，在焊接过程中与氧、氮的亲和力强，易形成氧化夹杂和脆性相，产生焊接变形和热裂纹等问题，严重影响焊接质量。氩弧气体保护焊、搅拌摩擦焊等先进焊接方法能有效的防止镁合金焊接过程中的氧化并减少气孔等缺陷，但镁合金焊缝为铸态组织，热影响区晶粒粗大，导致这两部分区域较基体而言，强度较差，成为镁合金焊件首先受破坏的区域，且由于焊缝与基材组织状态不同，即使打磨光亮，焊缝仍然明显，影响美观，这些因素都从很大程度上抑制了镁合金焊接板材的生产、加工及应用。此前针对此问题的研究，部分研究致力于改善焊接工艺，焊接参数等的优化的改善了焊缝-热影响区的组织和性能，但是效果有限，还有部分研究采用了热处理的方法，提供某些可热处理强化的焊缝-热影响区强化工艺，但是在强化这两个区域的同时，由于基材和这两个区域的组织存在差异，可能会因为受热等原因，组织变得粗大，导致强度下降。

因此，改善镁合金板材焊缝及热影响区组织，提高其强度，使之与基材组织、强度趋于一致，成为了一项重要的研究课题。

  

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明解决镁合金焊缝存在强度较差，并且焊缝影响美观的问题，提供一种改善镁合金板材焊缝-热影响区的组织性能，使之与基材间的组织性能趋于一致。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）首先，将镁合金焊接板材置于热处理炉中，温度在250℃~350℃之间，进行1~3h的焊后去应力退火；一方面消除了焊接应力，另一方面焊缝处的第二相有所溶解，组织变得均匀，有利于下一步工艺的进行。

2）打磨。在热轧前，使用金相砂纸将焊缝处打磨平整，使之与基材等高，以免在热轧过程中由于各部分受力不均导致焊缝开裂。 

3）热轧。热轧前，将镁合金加热到350℃~400℃，保温20min~1h后在350±50℃下热轧热轧，避免板材出炉后冷却过快导致热轧温度偏低的情况。镁合金在热轧过程中发生动态再结晶，获得再结晶组织，晶粒得到细化，结合加工硬化效应，强度硬度大幅提高。板材收到轧辊压力的作用，板材组织结构变得致密，有效减少焊缝处的微小气孔，减少了板材受力时的裂纹源及其扩展路径。

本发明工艺，在不进行轧后退火情况下，可使镁合金焊接板材的焊缝及热影响区处的抗拉强度提高到基材的90%以上，焊缝-热影响区处的组织细化至基材晶粒大小。经过轧制的镁合金焊板，组织性能得到大幅改善，并产生了一定量的孪晶，整体的残余应力增加。

对于3mm厚TIG焊得到的AZ31镁合金焊接板，去应力退火温度为300±5℃，时间2h。其他成分及厚度的镁合金焊接板材，其去焊接应力退火工艺可以此为依据做适当调整。

所述焊接板材为填丝TIG焊、搅拌摩擦焊，单/双面对焊板材，TIG焊时坡口可根据板材厚度选择不开坡口、V型坡口、X型坡口等。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1. 本发明通过TIG焊对焊得到无明显焊接缺陷的镁合金焊板，然后对其进行热处理及热轧等工艺，获得组织和性能跟基材相近，具有晶粒细小的焊缝、热影响区组织的镁合金焊接板。

TIG焊在保护气下进行，可有效防止镁合金板材在焊接过程中的氧化，交流TIG焊在得到一定熔深的同时，可起到阴极雾化作用，清除板材表面的氧化夹杂，且相对于搅拌摩擦焊来说，TIG焊对所焊板材的形状、表面质量要求较低。

2. 本发明所述加工工艺，工艺简单，使固溶强化、细晶强化及加工硬化多种合金强化原理相结合。经过此工艺，焊缝强度提高明显，与基材的抗拉强度相近。采用氩弧气体保护焊（TIG）双面焊方法焊接的3mm厚AZ31焊板，经过此工艺处理后，焊板的抗拉强度，从基材的70%，最高可提高到90%以上，断裂位置以焊缝中心为主，部分在热影响区断裂。

3. 根据板材的最终性能要求，可在一定范围内灵活调整工艺参数。焊后退火工艺、轧制压下量均可根据原始板材厚度、成型工艺等做出适当调整，以适应使用条件。

4. 本工艺的发明，在提高焊缝-热影响区-基材的整体强度的同时，由于焊缝-热影响区的晶粒发生再结晶，并且最终与基材晶粒大小相当，焊缝在不腐蚀的情况下很难观察到，提高了焊板的美观性。

5. 本工艺过程周期短，适合大批量加工生产。常见的商用AZ31板材厚度一般在1~10mm之间，所需的焊后的去应力退火温度较低，300℃下时间只需1~3h即可。轧制过程的总保温时间一般不超过2h，整个过程可在1.5~5h内完成。

通过研究总结，本发明的内在机理为：

1. 镁合金焊接板材中，由于焊缝在冷却过程中收缩，热影响区受热膨胀，焊缝-热影响区-基体三个区域之间存在焊接应力。同时，焊缝处为铸态组织，由于焊接过程中冷却速度较快，大量第二相没有溶解，通过去应力退火，有效减小了焊接应力，适当软化焊板、溶解第二相，为热轧阶段做准备。

2. 热轧过程中，镁合金板材受轧辊压应力作用，位错、孪晶密度增加，当压下量达到一定程度时，焊缝、热影响区和基材发生动态再结晶，在变形组织中出现无畸变的新晶粒，晶粒得到细化，对焊缝-热影响区起到细晶强化作用，轧下量进一步增加，又在无畸变的晶粒中产生加工硬化效应。在此过程中，原焊缝区域中存在的大量Mg₁₇Al₁₂相溶入基体，达到固溶强化的效果。同时，在压应力作用下，焊缝变得紧实，使得焊缝焊接过程中产生的一些微小气孔得以消除，有效减少了焊缝及热影响区处的裂纹扩展路径，从而提高焊接接头的抗拉强度。热轧后的焊板，焊缝-热影响区受到固溶强化、动态再结晶细晶强化及加工硬化共同作用，组织细化，强度显著提升。

 

附图说明

图1、3、5、7分别为编号A、B、C和D样品（样品1）的焊缝-热影响区的金相显微照片；

图2、4、6、8分别为编号A、B、C和D样品的基材金相显微照片。

图10、11分别为编号A、C样品的小倍数金相显微照片。

图9为编号A、B、C和D样品的焊缝（FZ）、热影响区(HAZ)和基体(BM)的平均晶粒大小散点统计图。

  

具体实施方式

下面参照附图并结合具体实例，进一步阐述本发明，应理解的是，这些实例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进，都属于本发明所要求保护的范围。

样品1为原始板材3mm厚轧制AZ31镁合金板，焊接方向垂直原始板材轧制方向。 

样品2为原始板材3mm厚挤压AZ31镁合金板，焊接方向平行原始板材挤压方向。

一种改善镁合金焊接组织与性能的方法（改善镁合金板材焊缝-热影响区组织性能），采用如下步骤，对样品1、样品2的板材进行加工处理，具体步骤包括：

 1） TIG焊双面焊成型：

采用手动交流填丝TIG双面焊方法焊接，焊丝直径2mm，成分与基材一致。轧板焊接方向垂直板材轧制方向，挤压板焊接方向平行板材挤压方向，得到初始焊板。焊接前对板材进行打磨清除表面氧化层。焊接工艺参数为：焊接电流90~100A，焊接速度6~8mm/s，电弧长度1~2mm，保护气为氩气，流量10L/min。

2. 焊后去应力退火：

除编号为A、E试样外（以作对比），热轧前，将两种焊板在温度300℃下，退火2h。

3. 热轧：

热轧温度约为300℃~350℃，考虑到板材从热处理炉中取出后温度降低速度较快，热轧前将焊板置于350℃~400℃热处理炉中，保温30min后轧制，每轧制道次间保温15min。样品1、2在相同轧制温度，例如350±10℃下轧制的轧制总道次、轧制总压下量见表1。 

表1 焊接板材轧制工艺：

样品1	样品2	轧制总道次	轧制总压下量
				A	E	——	——
B	F	1	10%
				C	G	2	27%
D	H	3	43%

4. 显微组织观察：

组织观察的样品其制备过程如下：依次采用600#、800#、1000#和1200#碳化硅水磨砂纸磨平表面；然后采用苦味酸-冰醋酸腐蚀剂腐蚀；腐蚀剂配比见表2。将样品腐蚀后，采用激光共聚焦显微镜（LEXT）拍摄金相照片，附图1~11。

表2 腐蚀剂配方

冰醋酸	酒精	苦味酸
			3mm	24mm	加至过饱和

5. 力学性能测试：

根据国标GB2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，将本发明实施例所述镁合金焊接板材及基材板材料加工成标准拉伸试样进行拉伸试验。基材取样方向与相应焊板方向一致。焊接板材、相应基材抗拉强度见表3。

表3 本发明所述镁合金焊接板材材料的室温力学性能表：

由表3可以看出，经过本工艺处理后，镁合金焊板的抗拉强度有了明显提升。原始焊板经过退火和10%轧下量的热轧工艺，与未经本工艺处理的原始焊板相比，焊接接头抗拉强度提升了80Mpa，达到了基材的90%以上。随着轧制压下量的提升，焊接接头抗拉强度与基材抗拉强度的比值△明显升高，压下量为27%时，焊缝-热影响区与基材之间的抗拉强度差异达到了最小，且基材保持了良好的断裂延伸率。

附图1、2分别为编号为A试样的焊缝-热影响区与基材的金相照片，从中可以看出，原焊接板材三个区域的显微特征非常明显，焊缝由熔融态镁合金金属快冷形成，等轴晶粒，黑色的未溶第二相分布其中。位于焊缝与基材之间的一段区域为热影响区，受焊接热影响，此处晶粒较为粗大，是焊板的薄弱区，在板材受拉受压时提前发生破坏。基体为轧制板材，变形组织特征明显，晶粒大小不均，相比于焊缝与热影响区，晶粒较细小。

附图3、4分别为编号B试样的焊缝-热影响区与基材的金相照片，经过退火与10%压下量的热轧，焊缝-热影响区及基材的晶粒大小基本没有变化，部分细小晶粒由于热处理有所长大，三个区域均有孪晶出现，金相照片因此变得“模糊”，焊缝与热影响区的分界线依然明显。

附图5、6分别为编号C试样的焊缝-热影响区域与基材的金相照片，从中可以看出，由于压下量增大，变形度提高，板材在热轧过程中发生动态再结晶，三个区域均出现动态再结晶生成的细小晶粒，位错密度降低、所观察到的孪晶已经很少。

附图10、11分别为编号A和C试样的焊缝-热影响区-基材的小倍数金相照片，通过对比这两张金相照片，可更直观的发现在此轧制压下量下，热影响区已经明显发生了动态再结晶，所生成的新晶粒明显小于焊缝区及基体。

附图7、8分别为编号D试样的焊缝-热影响区与基材的金相照片，两图中晶粒大小基本相当，相比于图C1、C2，晶粒内部的孪晶略有增加，说明此时的焊缝、热影响区都完成了动态再结晶，基体中的部分再结晶区的细小晶粒略有长大。焊缝与热影响区的界限难以区分，与图1相比，焊缝处的第二相基本溶入基体，已经完全由铸态组织转变为轧制变形组织，并且焊缝-热影响区的晶粒基本与基材晶粒尺寸相近，甚至小于基材。这很可能是因为，原焊缝-热影响区处的晶粒相比于基体较大，在相同轧制变形量下，焊缝-热影响区的单个晶粒所经历实际变形量更大，终轧后，晶粒变形度及温度都满足了焊缝-热影响区的动态再结晶条件，而基体只有部分区域发生动态再结晶，且在整个过程中的焊后去应力退火以及轧制的保温过程中，基体的晶粒有所长大，这一系列因素最终导致焊缝-热影响区-基体三个区域的晶粒大小相近。各区域晶粒尺寸相近，不仅提高了板材的性能，而且提高了板材的美观程度，焊缝在磨光后不腐蚀情况下难以辨认。

附图9为编号A、B、C和D试样的晶粒大小统计图，从此图可更直观的看出，随轧制压下量增加，晶粒大小趋于一致的趋势。

结论：本发明所阐述的镁合金焊接组织与性能优化工艺，操作过程简单，加工周期短，适合镁合金焊接板材组织与性能的优化，很大程度提高焊板强度，使之与基材抗拉强度相近，且细化了组织，美化了焊板的外观，为镁合金焊接板的生产加工提高了更好的途径。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）首先，将镁合金焊接板材置于热处理炉中，温度在250℃~350℃之间，进行1~3h的焊后去应力退火；

2）然后，采用金相砂纸将焊缝处打磨平整，使之与基材等高； 

3）将镁合金加热到350℃~400℃，保温预热20min~1h；再在350±50℃下热轧。

2.根据权利要求1所述改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，对于3mm厚TIG焊得到的AZ31镁合金焊接板，去应力退火温度为300±5℃，时间2h。

3.根据权利要求1所述改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，所述焊接板材为填丝TIG焊、搅拌摩擦焊或单/双面对焊板材；TIG焊时坡口可根据板材厚度选择不开坡口、V型坡口、X型坡口等。

Images