CN103551759B - 用于镁/钢异质金属连接的焊接材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料及其制备方法。所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料包括重量配比如下的各组分：Cu？60-80份；Ni？10-30份；Zn？5-20份；Al？1.0-6.0份。本发明还公开了一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料的制备方法。本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料配方科学、合理，克服了现有技术的诸多缺点，具有焊接接头抗拉强度高和便于大规模批量生产等优点，能够拓展镁/钢异质结构的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料技术，尤其涉及一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料及其制备方法。
背景技术
作为工业领域中最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度高、比刚度高、弹性模量大、散热好和消震性好等一系列优点，被誉为21世纪的绿色材料；同时，钢铁是目前工业上应用最为广泛的金属材料。实现镁/钢异质金属的可靠性连接，在航空航天、高铁和汽车等领域均具有广泛的应用前景。然而因镁/钢两者物理、化学及冶金性质方面的差异大，导致镁/钢异质金属焊接困难较大。镁和钢两种金属熔、沸点差异大，镁的沸点仅为1090℃，远低于铁的熔点1538℃，二者在液态下难以共存；镁在钢上的润湿性差，难以实现有效的铺展；镁的晶格类型是密排六方，铁在常温下的晶格类型是体心立方，镁/钢之间相互固溶性差，镁在铁中的溶解度接近于0（仅为0.00099%），同时没有金属间化合物或中间相的产生，二者之间几乎不存在冶金反应。
针对镁/钢异质金属焊接难点，国内外主要通过在镁/钢异质金属之间添加第三方过渡金属的方法以提高接头的性能。目前已公开的添加材料包括单种金属和二元合金，单种金属有：LimingLiu等人公开的金属Cu，Nasiri,A.M和XiaodongQi等人公开的金属Ni，Y.C.Chen等人公开的Zn；二元合金有Y.C.Chen等人公开的Cu-Zn。这些金属主要起到“过渡桥梁”作用，通过填充分别都能与镁/钢母材反应的金属，形成镁/钢焊接接头，使之得到有效结合。以上焊接材料针对镁/钢异质金属焊接仍然存在一定的缺陷，主要体现在：（1）现有焊接材料组成元素较少，仅适用于单一种类的镁合金和钢母材，应用范围窄，通用性差；（2）合金元素较少，导致接头性能增强效果不显著，以上焊接材料主要针对接头的室温静载拉伸强度进行设计，蠕变抗力、高温抗拉性能、屈服强度等因素无法同时兼顾，接头综合性能不能保证；（3）以上报道均属于实验室分析阶段，批量材料生产技术尚不成熟。上述问题的存在使得现有焊接材料难以满足镁/钢异质金属连接工业的实际需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述目前用于镁/钢异质金属连接的焊接材料存在应用范围窄、焊接接头综合性能不能保证和无法批量生产的问题，提出一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，以实现应用范围广泛、焊接接头抗拉强度高、便于大规模批量生产的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，包括重量配比如下的各组分：
Cu60-80份；
Ni10-30份；
Zn5-20份；
Al1.0-6.0份。
进一步地，所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，还包括重量配比如下的组分：Ag0.3-1.5份；
进一步地，所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，还包括重量配比如下的组分：Si0.3-1.0份；
进一步地，所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，还包括重量配比如下的组分：Mn0.1-2.5份；
进一步地，所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，还包括重量配比如下的组分：稀土元素0.01-0.5份。
进一步地，所述稀土元素为Ce、Y和La中的一种或多种。
进一步地，所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料为箔焊材或丝焊材。
本发明的另一个目的还提供了一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料的制备方法，该制备方法工艺简单、成本较低，便于该焊接材料的大规模批量生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料的制备方法包括以下步骤：
将各组分按照重量配比混合后在高温条件下熔炼成铸锭；
将铸锭加工成棒状焊材坯料或者平板状焊材坯料；
对焊材坯料进行热挤压成形，最终制备成用于镁/钢异质金属连接的焊接材料。
进一步地，所述棒状焊材坯料的直径为40-60mm，所述平板状焊材坯料的厚度为1-3mm。
进一步地，所述焊材坯料的挤压成型温度为700-800℃。
本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料配方科学、合理，该焊接材料的制备方法简单、容易批量生产。本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料与现有技术相比较具有以下几方面优点：应用范围广，可满足各类镁合金和钢之间的焊接要求；采用本焊接材料焊接镁/钢异质金属，可以使焊接接头抗拉强度高达240MPa；本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料制造工艺简单，成本较低，便于大规模批量生产；本发明焊接材料可满足接头形式为对接、搭接、角接、T型接头以及管-管接头等结构的焊接要求。
具体实施方式
本发明公开了一种应用范围广泛、能有效提高焊缝整体力学和机械性能的用于镁/钢异质金属连接的焊接材料。
本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料包括重量配比如下的各组分：Cu60-80份；Ni10-30份；Zn5-20份；Al1.0-6.0份，各组分的含量根据母材的不同在该范围内选取。其中Cu为主要成分，Cu的添加能提高焊缝强度、降低焊接裂纹；Ni能起到弥散强化作用；Zn能增加熔体流动性；Al能提高接头结合强度。
所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料还包括Ag，其重量配比0.3-1.5份；Ag的加入能增加接头的抗拉强度和屈服强度，并能提高焊接接头的高温抗拉性能。
所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料还包括Si，其重量配比为0.3-1.0份；Si的加入能改善焊缝的蠕变性能。
所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料还包括Mn，其重量配比为0.1-2.5份；Mn的加入能细化晶粒，提高合金的焊接性能。
所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料还包括稀土元素，其重量配比为0.01-0.5份；稀土元素的加入能提高焊接接头的高温抗拉性能。本发明所述稀土元素包括但不限于Ce、Y、La中的一种或多种。
本发明所述金属均为高纯金属。
所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料为箔焊材或丝焊材。所述箔焊材厚度为0.1-1mm，所述丝焊材直径为0.8-5mm。可以理解根据需要将所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料还可以制备成其他形状。
本发明是针对镁/钢异质金属连接的特性提出的用于镁/钢异质金属焊接的多元合金焊接材料，该焊接材料中包含具有特定配比的4至8种元素。与现有焊材主要是通过单一元素的“过渡桥梁”作用使得镁/钢异质金属得到有效连接相比较，本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料是基于多组元合金化的思路，通过成分设计，充分利用镁、钢母材与焊接材料中各元素之间的反应，使焊缝形成包括镁、铜、镍、锌、铝等元素在内的多种固溶体及强化相，界面结合处合金元素与母材充分发生冶金反应，在保证接头具有较高室温静载抗拉伸强度的同时，焊接材料中各元素发挥其自身效应，提高接头的综合性能。实验证明本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料焊接镁/钢异质金属，可以使接头抗拉强度达到240MPa；本发明应用范围广，通用性佳，可适用于各类镁合金和钢之间的焊接，所述镁合金包括但不限于：AZ系列、AM系列、ZK系列的轧制镁合金和铸造镁合金，所述钢包括但不限于：普通钢、不锈钢等；本发明用于镁/钢异质金属连接的焊接材料可焊的接头形式为对接、搭接、角接、T型接头以及管-管接头等结构。可以理解本发明所述焊接材料还能应用在其他异质金属连接上。
本发明还提供了一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料的制备方法，包括以下步骤：按照重量配比将各组分混合后在高温条件下熔炼成铸锭；将铸锭加工成棒状焊材坯料或者平板状焊材坯料，所述棒状焊材坯料的直径为40-60mm，所述平板状焊材坯料的厚度为1-3mm。对焊材坯料进行热挤压成形，最终制备成用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，所述焊材坯料的挤压成型温度为700-800℃，该温度下制备的焊接材料具有良好的塑性变形能力。该制备方法工艺简单、成本较低，便于焊接材料的大规模批量生产
以下结合具体施例对本发明进一步说明：
实施例1
首先将各种高纯金属按照如下质量百分比分别称量，总的百分比为100%，各组分配比为Cu：60%，Ni：30%，Zn：5%，Al：5.0%。将上述各组分材料混合后放入熔炼炉，加热到1200℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成直径为60mm的棒状，在750℃条件下进行热挤压，最终得到直径1.6mm用于镁/钢异质金属焊接的丝型焊接材料（丝焊材）。
以本实施例制备的用于镁/钢异质金属焊接的焊接材料为焊材，采用激光-电弧复合热源，对3mm厚AZ31镁合金板材与2mm厚Q235钢板行对接焊，得到拉伸强度为210MPa的镁/钢异质金属焊接接头（拉伸实验条件：室温下，采用万能力学试验机以2mm/min的拉伸速度进行力学性能测试）。
实施例2
首先将各种高纯金属按照如下质量百分比分别称量，总的百分比为100%，各组分配比为Cu：60%，Ni：30%，Zn：5%，Al：3.0%，Ag：0.8%，Si：0.5%，Mn：0.6%，稀土元素Ce0.06%、Y0.04%。将上述各组分材料混合后放入熔炼炉，加热到1200℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成直径为60mm的棒状，在750℃条件下进行热挤压，最终得到直径1.6mm用于镁/钢异质金属焊接的丝型焊接材料（丝焊材）。
以本实施例制备的用于镁/钢异质金属焊接的焊接材料为焊材，采用激光-电弧复合热源，对3mm厚AZ31镁合金板材与2mm厚Q235钢板行对接焊，得到拉伸强度为240MPa的镁/钢异质金属焊接接头（拉伸实验条件：室温下，采用万能力学试验机以2mm/min的拉伸速度进行力学性能测试），与实施例1相比较本实施例焊接材料中包括：Ag，Si，Mn，稀土元素Ce和稀土元素Y，由该焊接材料焊接的接头拉伸强度显著提高。
实施例3
首先将各种高纯金属按照如下质量百分比分别称量，总的百分比为100%，各组分配比为Cu：70%，Ni：6%，Zn：20%，Al：2.0%，Ag：1.0%，Si：0.4%，Mn：0.5%，稀土元素Ce：0.1%。将上述各组分材料放入熔炼炉，加热到1200℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成厚度为1mm的片状，在700℃条件下进行热挤压，最终得到厚度0.1mm用于镁/钢异质金属焊接的箔型焊接材料（箔焊材）。
以本实施例制备的用于镁/钢异质金属焊接的焊接材料为焊材，采用进行激光搭接焊，对1.6mm厚AZ61镁合金板材与1mm厚304不锈钢板行对接焊，得到剪切强度为170MPa的镁/钢异质金属焊接接头（拉伸实验条件同实施例1）。
实施例4
首先将各种高纯金属按照质量百分比分别称量，总的百分比为100%，各元素配比为Cu：75%，Ni：11.6%，Zn：5%，Al：6.0%，Ag：1.2%，Si：1.0%，Mn：0.15%，稀土元素Ce：0.05%。将上述各组分材料放入熔炼炉，加热到1200℃并保温15分钟使其充分熔化混合形成铸锭。将铸锭加工成直径为40mm的棒状，在800℃条件下进行热挤压，最终得到直径3.6mm用于镁/钢异质金属焊接的丝型焊接材料（丝焊材）。
以本实施例制备的用于镁/钢异质金属焊接的焊接材料为焊材采用电弧热源，对5.0mm厚ZK60镁合金与3.0mm厚45#钢板进行T型件连接，得到拉伸强度为230MPa的镁/钢异质金属焊接接头（拉伸实验条件同实施例1）。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，包括重量配比如下的各组分：
Cu60-80份；
Ni10-30份；
Zn5-20份；
Al1.0-6.0份。
2.根据权利要求1所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，还包括重量配比如下的组分：Ag0.3-1.5份。
3.根据权利要求1所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，还包括重量配比如下的组分：Si0.3-1.0份。
4.根据权利要求1所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，还包括重量配比如下的组分：Mn0.1-2.5份。
5.根据权利要求1所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，还包括重量配比如下的组分：稀土元素0.01-0.5份。
6.根据权利要求5所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，所述稀土元素为Ce、Y和La中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料，其特征在于，所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料为箔焊材或丝焊材。
8.一种权利要求1-7任意一项所述用于镁/钢异质金属连接的焊接材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将各组分按照重量配比混合后在高温条件下熔炼成铸锭；
将铸锭加工成棒状焊材坯料或者平板状焊材坯料；
对焊材坯料进行热挤压成形，制备成用于镁/钢异质金属连接的焊接材料。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述棒状焊材坯料的直径为40-60mm，所述平板状焊材坯料的厚度为1-3mm。
10.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述焊材坯料的挤压成型温度为700-800℃。
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