CN103286451A - Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法 - Google Patents

Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，属于焊接技术领域。步骤：将需要彼此焊接连接的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板在靠近焊缝的边缘部位的一侧以及另一侧的表面进行电化学沉积毛化处理；将一对毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板设置于焊接操作机构上，并且使该一对毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板的焊缝对齐，当由激光束对焊缝实施焊接时，向焊缝朝向焊接操作机构的一侧采用第一惰性气体保护，向焊缝朝向激光束的一侧采用第二惰性气体保护。优点：提高了焊缝的性能；增加对激光的吸收，降低能量损失率；焊接调整参数少，焊接速度快，可靠性高，易实现焊接过程的自动化，节省工时及成本；有效抑制稀土镁合金焊接过程的氧化，提高焊接接头质量。

Description

Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法。
背景技术
由于镁合金具有电磁屏蔽性能好、物理化学性能优异和机械性能理想等长处，因而被广泛应用于交通运输、电子、国防乃至航空航天等领域。前述的Mg-Gr-Y稀土镁合金是在普通镁合金的基础上发展起来的可热处理强化的变形镁合金。
采用轧制技术开发的Gr的质量%含量为15%、Y（钇）的质量%含量为3%和余为镁的稀土镁合金Mg-15Gr-3Y即前述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的抗拉强度为420-480MPa并且δ（伸长率）为8-13%，由于这种稀土镁合金具有比强度高、加工性能好、耐高温、抗腐蚀性能好等优点，因而广泛应用于汽车、火箭、卫星等的制造，是现代工业领域中不可缺少的重要材料。
Mg-Gr-Y稀土镁合金在制备各类高性能的零部件时，必然会牵涉到连接技术，而连接接头的性能将会影响到整个结构件的性能。因此焊接加工已经成为Mg-Gr-Y稀土镁合金扩大应用的关键工艺。但传统的电弧焊（TIG焊、MIG焊等）焊接镁合金时，焊缝中容易形成未熔合、夹杂、气孔、结晶裂纹等缺陷。
此外，由于镁合金的线膨胀系数大和导热导电性强，因此焊接时容易出现咬边、翘曲变形之类的情形。就前述的可热处理强化的变形镁合金即Mg-Gr-Y稀土镁合金而言，由于焊后接头热影响区会发生过时效软化，因此接头处的力学性能下降较为严重。由此可知，由于传统的电弧焊焊接不能适应Mg-Gr-Y稀土镁合金的强韧性特点，从而导致焊缝隙强度远远低于母材基体的强度。
激光焊是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。高功率CO2激光焊的功率密度可达107W/cm2，而传统氩弧焊仅为102-104 W/cm2。与传统的TIG焊、MIG焊相比，激光焊接具有以下长处：其一，焊接质量高、精度高、速度快的特点；其二，功能多，适应性强，可靠性高，易实现焊接过程的自动化与精密控制；其三，由于其属于非接触焊，不用电极，因而可节省工时及成本；其四，不需要象电子束焊接那样依赖真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X射线。
因此，采用激光焊接的方法焊接Mg-Gr-Y稀土镁合金时，由于激光焊接能量密度高，热输入量小，焊接变形小，因而能得到很窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝；冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好。 
在公开的中国专利文献中，可见诸借助于激光对镁合金进行焊接的技术信息，如：文献A）.中国专利授权公告号CN1274454C（镁合金激光TIG焊接方法）；文献B）.CN102615426A（一种用于镁合金激光焊接的新型焊接方法）；文献C）.CN101434011B（厚度镁合金CO2激光-MIG复合焊接工艺）。由于文献A）和文献B）需要依赖焊机，因而在焊接过程中对焊机参数的调整较为麻烦，并且难以保障所调参数的精确程度，从而影响焊接部位的质量稳定性和可靠性。又，由于文献C）需要添加SiO2活性剂，因此工艺烦琐。
发明内容
本发明的任务在于提供一种有助于摒弃焊机而藉以体现方便操作、有利于显著减小焊缝宽度并且提高焊缝性能、有益于保障焊接速度和焊接可靠性并且节约焊接成本、有便于避免在焊接时被焊工件受电磁影响并且在焊接时不会产生X射线而得以保障安全的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法。
本发明的任务是这样来完成的，一种Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，包括以下步骤：
A）焊前处理，将需要彼此焊接连接的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板在靠近焊缝的边缘部位的一侧以及另一侧的表面进行电化学沉积毛化处理，得到毛化处理的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板；
B）焊接，将由步骤A）得到的一对毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板设置于焊接操作机构上，并且使该一对毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板的焊缝对齐，当由激光束对焊缝实施焊接时，向焊缝朝向所述焊接操作机构的一侧采用第一惰性气体保护，同时向焊缝朝向激光束的一侧采用第二惰性气体保护，其中：所述的第一、第二惰性气体是彼此不同的惰性气体。
在本发明的一个具体的实施例中，步骤A）中所述的电化学沉积毛化处理的方法是：将金属化合物颗粒投入电沉积基础液中，在温度为55℃、电流密度为30A/d㎡并且在搅拌速度为90-110r/min的状态下对所述Mg-Gr-Y稀土镁合金板的所述靠近焊缝的所述边缘部位的一侧以及另一侧的表面进行电化学沉积毛化处理，使靠近焊缝的边缘部位的一侧以及另一侧的表面形成凹凸大小无规律可循的并且粗糙度为8-12μm的毛化表面，其中：在电化学沉积毛化处理时以铅锡合金作为不溶性阳极，以Mg-Gr-Y稀土镁合金作为表面沉积阴极。
在本发明的另一个具体的实施例中，所述的靠近焊缝的边缘部位的宽度为5-10㎜，所述的金属化合物颗粒为直径15-25μm并且硬度为1750-1850HV的氧化铝颗粒，所述的沉积基础液为镀铬溶液。
在本发明的又一个具体的实施例中，所述的氧化铝颗粒与所述镀铬溶液的重量比为1∶2.8-3.2。
在本发明的再一个具体的实施例中，所述的镀铬溶液由铬酐与催化剂按重量比为100∶1构成。
在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的铬酐的浓度为230g/L，所述的催化剂为质量百分比浓度为98%的硫酸。
在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤B）中所述的焊接操作机构包括一焊接操作台和一垫块，在焊接操作台朝向所述Mg-Gr-Y稀土镁合金板的一侧构成有一垫块嵌槽，该垫块嵌槽自焊接操作台的长度方向的一端贯通至另一端，垫块嵌置在所述垫块嵌槽内，在该垫块朝向所述Mg-Gr-Y稀土镁合金板的一侧并且沿着垫块的长度方向构成有一凹道，在垫块的长度方向还开设有一气道，沿着该气道的长度方向以间隔状态开设有一组与气道相通的垂直气孔，各垂直气孔与所述的凹道相通，所述的焊缝与所述垂直气孔相对应，其中：在所述气道上配接有一背部保护气体引入管。
在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金板与所述凹道之间的空间构成为气室。
在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤B）中所述的第一惰性气体的气流方向与所述激光束的行进方向相反，并且第一惰性气体为氦气，所述的第二惰性气体为氩气。
在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述氦气的纯度为99.99%；所述氩气的纯度为99.99%。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：本发明方法采用能量密度集中的激光束作为加热热源，焊后焊缝具有极小的宽度和非常窄的热影响区，提高了焊缝的性能；由于对靠近焊缝的边缘部位进行了电化学沉积毛化处理，因而可增加对激光的吸收，降低能量损失率；焊接调整参数少，焊接速度快，可靠性高，易实现焊接过程的自动化，节省了工时及成本；焊接试板正面背面均受到气体保护，有效抑制稀土镁合金焊接过程的氧化，提高焊接接头质量。
附图说明
图1为本发明的焊接方法示意图。
图2为图1所示的焊接操作机构的垫块的示意图。
图3为图2的A-A剖视图。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例：
请参见图1至图3。
A）焊前处理，将需要彼此焊接连接的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板3在靠近焊缝31的边缘部位的一侧以及另一侧的表面进行电化学沉积毛化处理，该电化学沉积毛化处理的具体的处理方式是：将直径为15-25μm并且硬度为1750-1850HV的氧化铝颗粒投入镀铬溶液中，氧化铝颗粒与镀铬溶液的重量比为1∶2.8-3.2，在温度为55℃、电流密度为30A/d㎡并且在搅拌速度为90-110r/min的状态下以铅锡合金作为不溶性阳极，以Mg-Gr-Y稀土镁合金板3作为表面沉积阴极而在靠近所述焊缝31的缝口部位5-10㎜的宽度范围形成凹凸大小无规律可循的并且粗糙度为8-12μm的毛化表面，也就是说，在Mg-Gr-Y稀土镁合金板3的一侧以及另一侧的表面并且在接近焊缝31的缝口的5-10㎜的区域形成毛化表面，得到毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板3，其中：所述的镀铬溶液由铬酐与硫酸按重量比100∶1混合而成，铬酐的浓度为230g/L（即每一升去离子水中加入230g铬酐），硫酸的质量百分比浓度为98%；
B）焊接，将由步骤A）得到的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板3设置于焊接操作机构2上，并且使该一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板3的焊缝31对齐，当由激光束1对焊缝31实施焊接时，向焊缝31朝向前述焊接操作机构2的一侧（图示状态朝向下的一侧）采用第一惰性气体保护，同时向焊缝31朝向激光束1的一侧（图示状态朝向上的一侧）采用第二惰性气体保护，前述的焊接操作机构2包括一焊接操作台21和垫块22，在焊接操作台21朝向上的一侧即朝向下面还要涉及的Mg-Gr-Y稀土镁合金板3的一侧构成有一垫块嵌槽211，该垫块嵌槽211自焊接操作台21的长度方向的一端贯通至另一端，垫块22嵌置在垫块嵌槽211内，在该垫块22朝向上的一侧并且沿着垫块22的长度方向构成有一凹道221，该凹道221的横截面形状呈半圆弧形，在垫块22的长度方向还开设有一气道222，并且沿着该气道222的长度方向以间隔状态开设有一组垂直气孔2221，各垂直气孔2221与凹道221相通，由图1所示，在气道222上配接有一背部保护气体引入管2222，由该背部保护气体引入管2222引入的保护气体进入气道222，由与气道222相通的垂直气孔2221引出至前述的凹道221，由图1所示，前述的一对即材料相同的两枚Mg-Gr-Y稀土镁合金板3以肩并肩的方式对接定位在焊接操作台21上，并且使两枚Mg-Gr-Y稀土镁合金板3的焊缝31与前述的凹道221相对应，更确切地讲与垂直气孔2221相对应，于是在Mg-Gr-Y稀土镁合金板3与凹道221之间的空隙构成为气室；接着，在由激光头发出的激光束1对所述焊缝31焊接的同时，由对应于焊缝31的背部（即图1所示位置状态朝向下的一侧）的位置采用作为第二惰性气体并且纯度为99.99%氩气进行保护，具体而言由背部保护气体引入管2222将氩气引入气道222，经垂直气孔2221进入前述的气室，从而起到对焊缝31的背部保护，同时由侧吹气气管4在对应于焊缝31的正面的位置吹送作为第二惰性气体并且纯度同样为99.99%的氦气进行保护，其中：由侧吹气气管4吹出的氦气的气流方向与焊接方向相反，因为在焊接过程中气化的金属会在焊缝31上方形成一团等离子气体，等离子体会吸收和反射折射激光束，等离子体的存在会破坏焊接过程，侧吹气可以将等离子体吹散，保证激光束的强度，保证焊接过程顺利进行，另一方面氦气还能保护焊缝区熔化金属不被氧化。毫无疑问侧吹气管4是与激光头同步移动的，仅是吹气方向与激光束1的行进方向相反。
在上述实施过程中，激光焊接的工艺参数为：激光功率6-8KW，焊接速度3-5m/min；焊接前，侧吹气气管4预先即提前2-3S钟吹氦气，打开激光并且从图1所示的A点向B点开始焊接，到达B点后先关闭激光，待3-5S钟后，关闭侧吹气气管4和背部保护气体引入管2222。
当对6mm厚Mg-15Gr-3Y稀土镁合金进行激光焊，在激光功率为5-6KW、焊接速度为3～4m/min、侧吹气流量为25L/min、背部保护气流量为10 L/min时可以得到良好的焊接接头。
除上述实施例外，本发明专利还可以有其他实施方式，如采用不同的激光类型、激光功率与焊接速度等，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
A）焊前处理，将需要彼此焊接连接的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)在靠近焊缝(31)的边缘部位的一侧以及另一侧的表面进行电化学沉积毛化处理，得到毛化处理的一对Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)；
B）焊接，将由步骤A）得到的一对毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)设置于焊接操作机构(2)上，并且使该一对毛化处理的Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)的焊缝(31)对齐，当由激光束(1)对焊缝(31)实施焊接时，向焊缝(31)朝向所述焊接操作机构(2)的一侧采用第一惰性气体保护，同时向焊缝(31)朝向激光束(1)的一侧采用第二惰性气体保护，其中：所述的第一、第二惰性气体是彼此不同的惰性气体。
2.根据权利要求1所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于步骤A）中所述的电化学沉积毛化处理的方法是：将金属化合物颗粒投入电沉积基础液中，在温度为55℃、电流密度为30A/d㎡并且在搅拌速度为90-110r/min的状态下对所述Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)的所述靠近焊缝(31)的所述边缘部位的一侧以及另一侧的表面进行电化学沉积毛化处理，使靠近焊缝(31)的边缘部位的一侧以及另一侧的表面形成凹凸大小无规律可循的并且粗糙度为8-12μm的毛化表面，其中：在电化学沉积毛化处理时以铅锡合金作为不溶性阳极，以Mg-Gr-Y稀土镁合金作为表面沉积阴极。
3.根据权利要求2所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于所述的靠近焊缝(31)的边缘部位的宽度为5-10㎜，所述的金属化合物颗粒为直径15-25μm并且硬度为1750-1850HV的氧化铝颗粒，所述的沉积基础液为镀铬溶液。
4.根据权利要求3所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于所述的氧化铝颗粒与所述镀铬溶液的重量比为1∶2.8-3.2。
5.根据权利要求3或4所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于所述的镀铬溶液由铬酐与催化剂按重量比为100∶1构成。
6.根据权利要求5所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于所述的铬酐的浓度为230g/L，所述的催化剂为质量百分比浓度为98%的硫酸。
7.根据权利要求1所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于步骤B）中所述的焊接操作机构(2)包括一焊接操作台(21)和一垫块(22)，在焊接操作台(2)朝向所述Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)的一侧构成有一垫块嵌槽(211)，该垫块嵌槽(211)自焊接操作台(21)的长度方向的一端贯通至另一端，垫块(22)嵌置在所述垫块嵌槽(211)内，在该垫块(22)朝向所述Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)的一侧并且沿着垫块(22)的长度方向构成有一凹道(221)，在垫块(22)的长度方向还开设有一气道(222)，沿着该气道(222)的长度方向以间隔状态开设有一组与气道(222)相通的垂直气孔(2221)，各垂直气孔(2221)与所述的凹道(221)相通，所述的焊缝(31)与所述垂直气孔(2221)相对应，其中：在所述气道(222)上配接有一背部保护气体引入管(2222)。
8.根据权利要求7所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金板(3)与所述凹道(221)之间的空间构成为气室。
9.根据权利要求1所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于步骤B）中所述的第一惰性气体的气流方向与所述激光束(1)的行进方向相反，并且第一惰性气体为氦气，所述的第二惰性气体为氩气。
10.根据权利要求9所述的Mg-Gr-Y稀土镁合金的激光焊接方法，其特征在于所述氦气的纯度为99.99%；所述氩气的纯度为99.99%。
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