CN103495796A - 一种钢-镁异种金属连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金、材料、机械及汽车、轨道客车等行走机械技术领域的一种钢-镁异种金属连接方法，属于异种材料连接技术领域。该方法针对钢-镁异种金属焊接性问题，基于熔-钎焊钢/镁界面Fe和Al的反应机理、界面温度对反应动力学的影响规律及界面反应产物（Fe-Al金属间化合物）的性质，通过优化镁合金焊丝成分和焊接工艺参数促进钢/镁界面Fe和Al的冶金反应、限制Fe-Al金属间化合物层的厚度，提高钢-镁异种金属MIG熔-钎焊接头的力学性能及焊接质量。本发明一种钢-镁异种金属连接方法的工艺步骤为：钢-镁焊件坡口加工→采用优化的镁合金焊丝→采用优化焊接工艺→钢-镁异种金属MIG熔-钎焊连接。
Description
技术领域
本发明涉及冶金、材料、机械及汽车、轨道客车等行走机械技术领域的一种钢-镁异种金属连接方法，属于异种材料连接技术领域。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染问题日益加剧，作为制造业支柱产业的汽车、轨道客车等行走机械工业正面临着越来越严峻的挑战。轻量化、节能、环保和安全已成为当今汽车、轨道客车发展的必然趋势。目前，国内外汽车、轨道客车轻量化的实现途径和关键技术主要包括三个方面：一是轻量化材料的应用；二是结构轻量化设计与优化；三是新型制造工艺技术的使用。镁合金由于其具有密度低，比强度、刚度高，易于回收等一系列优点，被誉为21世纪绿色工程金属结构材料和最重要的商用轻质材料。因此，在设计和制造中增加镁合金等轻质材料的应用量是实现汽车、轨道客车轻量化的有效途径。随之而来的钢-镁异种金属的连接便成为亟待解决的问题。熔化极惰性气体保护电弧焊（Metal inert-gas arc welding,MIG）具有生产效率高、成本低及易实现焊接自动化等优点，已成为汽车、轨道客车制造中应用最为广泛的焊接技术之一。但是，由于钢和镁的物理、化学性质存在明显的差异，导致钢-镁异种金属的焊接性极差。迄今为止，尚无适用于钢-镁异种金属MIG焊的焊接工艺，采用铝（镁）合金MIG焊工艺，钢-镁接头的抗拉强度小于20MPa，无法实现可靠的连接。存在的主要问题是：（1）钢和镁的熔点相差很大（800℃以上），且镁的沸点较低（1100℃），很难通过熔合实现连接；（2）钢/镁界面的Fe和Mg之间不发生冶金反应、液态镁对固态钢的润湿性差，很难形成牢固的冶金结合；（3）镁及镁合金的热膨胀系数大（约为钢的2倍），易引起较大的焊接应力、变形，且明显增加接头产生裂纹的倾向；（4）氢在镁中的溶解度随温度的降低急剧减小，焊缝易产生气孔缺陷。这已成为制约汽车、轨道客车等行走机械轻量化的主要技术瓶颈之一。基于钢和镁的物理化学性质、钢-镁异种金属的焊接性问题及MIG熔-钎焊特点，通过优化焊丝化学成分和焊接工艺参数促进钢/镁界面冶金反应提高接头性能的技术路线是可行的。研发的钢-镁异种金属MIG熔-钎焊连接技术在汽车、轨道客车等行走机械工业领域具有重要的实用价值，在其它工业领域也具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢-镁异种金属连接方法，该方法基于熔-钎焊钢/镁界面Fe和Al的反应机理、界面温度对反应动力学的影响规律及界面反应产物（Fe-Al金属间化合物）的性质，通过优化镁合金焊丝成分和焊接工艺参数促进钢/镁界面Fe和Al的冶金反应、限制Fe-Al金属间化合物层的厚度，提高钢-镁异种金属MIG熔-钎焊接头的力学性能及焊接质量。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种钢-镁异种金属连接方法，按以下工艺步骤进行：
a）坡口加工：钢-镁接头形式为非对称的V形坡口对接，钢的坡口面角度θ1=40-50°，镁及镁合金的坡口面角度θ2=25-35°。通过增大钢的坡口面角度，增加钢/镁界面的面积，改善接头的力学性能。
b）焊接材料：钢-镁异种金属连接使用镁合金焊丝（直径1.2mm、1.6mm），主要化学成分为Mg-（5-7）%Al-（0.6-1.2）%Zn。通过优化镁合金焊丝及焊接熔池（焊缝）成分，促进钢/镁界面的冶金反应、限制金属间化合物层的厚度，提高接头的力学性能。
c）焊接工艺：钢-镁异种金属连接采用MIG熔-钎焊方法；焊接过程中，焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流130-150kA、电弧电压20-22V、焊接速度0.5-0.7m/min，氩气流量15-18L/min。通过优化焊接工艺参数及焊接热输入量，促进钢/镁界面的冶金反应、限制金属间化合物层的厚度，提高接头的力学性能和焊接质量。
研究结果表明，钢-镁异种金属MIG过程中，镁合金焊丝及焊接区镁合金母材熔化形成熔池，而钢母材不熔化处于固态，属于熔-钎焊的范畴；镁合金焊接熔池与固态钢的界面冶金反应是影响焊接头力学性能的主要因素，界面反应产物主要为Fe-Al金属间化合物（Fe2Al5、Fe4Al13）和固溶体；增加镁合金焊丝（熔池）的含铝量有利于促进界面反应、实现冶金结合，但过高的含铝量易形成较厚的Fe-Al金属间化合物层（＞8μm）影响接头的力学性能；增大焊接电流、电弧电压或减小焊接速度有利于促进Fe、Al的互扩散及界面冶金反应，但过高的焊接热输入导致金属间化合物层厚度增加、产生裂纹的倾向增大及镁的过度氧化和蒸发，明显影响接头性能和焊接质量；增大钢的坡口面角度可增加钢/镁界面的面积，焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部有利于改善钢/镁界面温度场的均匀性；采用正交设计试验方法优化镁合金焊丝成分和MIG焊参数有利于提高钢-镁接头力学性能及焊接质量。
采用本发明的方法进行钢-镁异种金属MIG熔-钎焊连接，接头达到的性能指标为：
（1）钢-镁异种金属MIG熔-钎焊接头的抗拉强度110-130MPa，接头拉伸断裂发生在镁合金焊缝区和钢/镁界面区，与采用铝（镁）合金MIG焊工艺相比，接头强度提高5倍以上；
（2）接头钢/镁界面实现冶金结合，界面Fe-Al金属间化合物层厚度＜8μm；
（3）MIG焊接过程稳定，焊缝成形良好，接头无裂纹、气孔等焊接缺陷。
本发明具有以下主要优点：
（1）针对钢-镁异种金属的焊接性问题，基于镁合金焊丝含铝量和MIG焊接工艺参数对钢/镁界面冶金反应、金属间化合物层厚度及接头力学性能影响规律的试验结果，采用正交设计试验方法优化焊丝成分和焊接参数促进界面冶金反应、限制金属间化合物层厚度，提高钢-镁接头的力学性能及焊接质量。优化的焊丝成分、焊接参数范围适当，易于接头性能及焊接质量控制。
（2）钢-镁异种金属MIG熔-钎焊连接采用常用的MIG焊设备，无需加钎剂或中间层辅助焊接，焊接工艺简便、易行，有利于提高生产效率、降低生产成本及实现焊接生产的自动化。
附图说明
图1是钢-镁异种金属MIG熔-钎焊的坡口及焊丝位置。
图2是钢-镁异种金属MIG熔-钎焊接头。
图3是钢-镁异种金属MIG熔-钎焊接头的拉伸断裂位置。
图1中：A-钢母材，B-镁及镁合金母材，C-镁合金焊丝，θ1-钢的坡口面角度，θ2-镁及镁合金的坡口面角度。
图2中：S-钢母材，M-镁及镁合金母材，W-镁合金焊缝，F-钢/镁界面。
图3中：S-钢母材，M-镁及镁合金母材，W-镁合金焊缝，F-钢/镁界面。
具体实施方式
下面举例详细说明本发明的具体实施方式。
所述的一种钢-镁异种金属连接方法，钢-镁接头连接包括：S355J2WN耐候钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，16Mn钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，H220YD高强钢与AZ31B镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，Q235碳钢与AZ31B镁合金合金异种金属MIG熔-钎焊连接。
实施例1、采用本发明的方法进行S355J2WN耐候钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，耐候钢和镁合金的板厚均为3.0mm。接头形式为非对称V形坡口对接，耐候钢坡口面角度45°、镁合金坡口面角度30°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-5.1%Al-0.8%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流140kA、电弧电压21V、焊接速度0.6m/min、氩气流量17L/min。MIG焊缝成形良好，无气孔、裂纹等焊接缺陷，钢-镁焊接接头平均抗拉强度130MPa，钢/镁界面金属间化合物层厚度约6μm，接头拉伸断裂发生在镁合金焊缝区和钢/镁界面区。
实施例2、采用本发明的方法进行16Mn钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，16Mn钢和镁合金的板厚均为3.0mm。接头形式为非对称V形坡口对接，16Mn钢坡口面角度50°、镁合金坡口面角度25°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-5.1%Al-0.8%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流135kA、电弧电压20V、焊接速度0.55m/min、氩气流量16L/min。MIG焊缝成形良好，气孔、裂纹等焊接缺陷，钢-镁焊接接头平均抗拉强度125MPa，钢/镁界面金属间化合物层厚度约6μm，接头拉伸断裂发生在镁合金焊缝区和钢/镁界面区。
实施例3、采用本发明的方法进行H220YD高强钢与AZ31B镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，高强钢和镁合金的板厚均为3.0mm。接头形式为非对称V形坡口对接，高强钢坡口面角度40°、镁合金坡口面角度35°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-6.6%Al-1.1%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流150kA、电弧电压22V、焊接速度0.7m/min、氩气流量18L/min。MIG焊缝成形良好，无气孔、裂纹等焊接缺陷，钢-镁焊接接头平均抗拉强度115MPa，钢/镁界面金属间化合物层厚度约5μm，接头拉伸断裂发生在钢/镁界面区。
实施例4、采用本发明的方法进行Q235碳钢与AZ31B镁合金合金异种金属MIG熔-钎焊连接，碳钢和镁合金的板厚均为3.0mm。接头形式为非对称V形坡口对接，碳钢坡口面角度45°、镁合金坡口面角度30°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-6.6%Al-1.1%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流130kA、电弧电压20V、焊接速度0.5m/min、氩气流量15L/min。MIG焊缝成形良好，气孔、裂纹等焊接缺陷，钢-镁焊接接头平均抗拉强度110MPa，钢/镁界面金属间化合物层厚度约5μm，接头拉伸断裂发生在钢/镁界面区。
Claims (6)
1.一种钢-镁异种金属连接方法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：
a）坡口加工：钢-镁接头形式为非对称的V形坡口对接，钢的坡口面角度θ1=40-50°，镁及镁合金的坡口面角度θ2=25-35°，通过增大钢的坡口面角度，增加钢/镁界面的面积，改善接头的力学性能；
b）焊接材料：钢-镁异种金属连接使用直径为1.2mm～1.6mm的镁合金焊丝，主要化学成分为Mg-（5-7）%Al-（0.6-1.2）%Zn，通过优化镁合金焊丝及焊接熔池即焊缝化学成分，促进钢/镁界面的冶金反应、限制金属间化合物层的厚度，提高接头的力学性能；
c）焊接工艺：钢-镁异种金属连接采用MIG熔-钎焊方法；焊接过程中，焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流130-150kA、电弧电压20-22V、焊接速度0.5-0.7m/min、氩气流量15-18L/min，通过优化焊接工艺参数及焊接热输入量，促进钢/镁界面的冶金反应、限制金属间化合物层的厚度，提高接头的力学性能和焊接质量。
2.根据权利要求1所述的一种钢-镁异种金属连接方法，其特征在于，所述钢-镁接头连接包括：S355J2WN耐候钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，16Mn钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，H220YD高强钢与AZ31B镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，Q235碳钢与AZ31B镁合金合金异种金属MIG熔-钎焊连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种钢-镁异种金属连接方法，其特征在于，所述S355J2WN耐候钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，耐候钢和镁合金的板厚均为3.0mm；接头形式为非对称的V形坡口对接，耐候钢坡口面角度45°、镁合金坡口面角度30°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-5.1%Al-0.8%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流140kA、电弧电压21V、焊接速度0.6m/min、氩气流量17L/min。
4.根据权利要求1所述的一种钢-镁异种金属连接方法，其特征在于，所述16Mn钢与AZ61镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，16Mn钢和镁合金的板厚均为3.0mm；接头形式为非对称V形坡口对接，16Mn钢坡口面角度50°、镁合金坡口面角度25°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-5.1%Al-0.8%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流135kA、电弧电压20V、焊接速度0.55m/min、氩气流量16L/min。
5.根据权利要求1所述的一种钢-镁异种金属连接方法，其特征在于，所述H220YD高强钢与AZ31B镁合金异种金属MIG熔-钎焊连接，高强钢和镁合金的板厚均为3.0mm；接头形式为非对称V形坡口对接，高强钢坡口面角度40°、镁合金坡口面角度35°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-6.6%Al-1.1%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流150kA、电弧电压22V、焊接速度0.7m/min、氩气流量18L/min。
6.根据权利要求1所述的一种钢-镁异种金属连接方法，其特征在于，所述Q235碳钢与AZ31B镁合金合金异种金属MIG熔-钎焊连接，碳钢和镁合金的板厚均为3.0mm；接头形式为非对称V形坡口对接，碳钢坡口面角度45°、镁合金坡口面角度30°；MIG焊使用镁合金焊丝，焊丝直径1.6mm，主要化学成分为Mg-6.6%Al-1.1%Zn；焊接过程中焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流130kA、电弧电压20V、焊接速度0.5m/min、氩气流量15L/min。
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