CN103801849A - 一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法，其特征在于，在压铸镁合金熔化焊焊接时，采用混合有少量富钕稀土元素的镁合金焊丝进行焊接；使得焊接时利用稀土与氢有很大的化学亲和力，与部分氢形成稳定的氢化物，减少焊缝氢气孔；利用稀土提高氢在镁中的溶解度，使部分氢元素固溶于镁中，减少焊缝氢气孔；利用稀土元素提高熔池流动性，加快氢和氮等气体溢出，减少焊缝气孔。本发明能够很好地降低压铸镁合金内部气体对焊接的影响，解决压铸镁合金焊接气孔问题，提高焊接质量；同时，具有操作简单便捷，实施成本低廉等优点。

Description

一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法
技术领域
本发明镁合金焊接技术，尤其涉及一种降低压铸镁合金焊接气孔率的焊接方法。
 
背景技术
镁合金由于密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振性能好、压铸及机加工工艺性能好等优点，在汽车、航空航天、手持工具及3C产品等场合应用前景较好。镁合金主要分两类：变形镁合金和铸造镁合金。目前镁合金零部件以压铸件成型为主，压铸件占商用镁合金的90%以上。由于压铸工艺固有的工艺特点限制，镁合金压铸件内部含气量较高，气体主要成分是氢和氮。这些气体在熔化焊焊接过程会被释放并膨胀，并且往往在熔池凝固前来不及溢出，滞留在焊缝中形成大量宏观及微观气孔缺陷，严重影响接头性能。因此，在工程应用中通常认为压铸镁合金是不宜实施熔化焊焊接，这在一定程度上限制了镁合金压铸件焊接连接及表面缺陷焊接修复技术的发展。因此，解决压铸镁合金焊接气孔问题是扩大其应用的关键问题。
针对上述问题，国内外进行的研究如下：
文献1（Zhao H, DebRoy T. Pore formation during laser beam welding of die-cast magnesium alloy AM60B mechanism and remedy[J] Welding Journal, 2001, 80(8): 204-210）研究了激光焊接压铸AM60B镁合金气孔的形成机制，他们认为在激光焊接过程中，气孔的产生主要来自于溶解在母材中原始小气孔在焊接过程中的不断聚集、长大与合并，并指出焊后重熔可以在一定程度上减缓气孔率，但气孔率仍维持在较高水平。
文献2（ Ye, H., Yan, Z. L., Shen, B.,  Xue, Z. F. Analysis on the weld defects of the AZ91D magnesium alloy joints[J]. Materials Science Forum. 2009,610-613:931-935）研究了电子束焊接压铸AZ91D镁合金的缺陷问题，分析了焊接缺陷的形成原因。作者把气孔的形成原因归结于氢在镁合金固相和液相中的溶解度差异造成的，未对气孔的形成机制及消除措施做深入探讨。
文献3（M. Wahba, M. Mizutani, Y. Kawahito, S. Katayama. Laser welding of die-cast AZ91D magnesium alloy[J]. Materials and Design. 2012,33(1):569-576）研究了激光焊接压铸AZ91D镁合金的气孔问题，指出激光焊接时小孔的不稳定性对焊缝气孔的形成有很大贡献，并分析了相关作用机制。同时采用高速X射线实时成像系统对钥匙孔和气孔的形成进行了观察，首次采用实验方法检测了母材和焊缝中气孔气体的组成。结果表明，气孔气体主要是N2，其主要来源于压铸过程中卷入的空气，其次为H。但仍未对有关气孔的减少/消除方面做进一步的研究。
文献4（单际国,张婧,郑世卿,陈武柱,任家烈. 镁合金激光焊接气孔问题的实验研究[J]. 稀有金属材料与工程.2009,38(3):234-239张婧,单际国,温鹏,任家烈. 焊接工艺对压铸镁合金CO2激光焊缝气孔率的影响[J].焊接学报.2011,32(5):17-20,24）研究了激光焊接压铸镁合金过程中氢的行为与气孔防治技术。得出结论，焊后重熔、双面施焊及随焊加热可以在一定程度上缓解压铸镁合金焊接气孔问题，但效果仍十分有限。使用含气量低的填充材料对焊缝中的氢进行“稀释” 以及提高氢固溶度的方法可以在较大程度上降低焊缝中的气孔率。但是，此研究结论中，没有提及N2对焊缝气孔的贡献，而是将气孔一律归结为氢气孔。并且，有关气孔的形成机制未被提及。
有关压铸镁合金焊接气孔的形成机制，学术界至今还未达成共识。对气孔的减少/消除措施方面的研究更少，还未找到一条有效解决气孔问题的途径。
 
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，怎样提供一种能够尽量降低或者消除压铸镁合金内部气体对焊接的影响，提高焊接质量的降低压铸镁合金焊接气孔率的焊接方法。
为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：
一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法，其特征在于，在压铸镁合金熔化焊焊接时，采用混合有少量富钕稀土元素的镁合金焊丝进行焊接；使得焊接时利用稀土与氢有很大的化学亲和力，能与部分氢形成稳定的氢化物，减少焊缝氢气孔；利用稀土提高氢在镁中的溶解度，使部分氢元素固溶于镁中，减少焊缝氢气孔；利用稀土元素提高熔池流动性，加快氢和氮等气体溢出，减少焊缝气孔。
本发明中，采用混合有少量富钕稀土元素的镁合金焊丝进行焊接，所述少量大约为1.2-3.6%的重量比例，稀土主要成分为Nd。这样，本发明采用含有富钕（Nd）混合稀土元素的镁合金焊丝作填充材料，具有以下特点1）：稀土与氢有很大的化学亲和力，能形成稳定的氢化物，这些氢化物的熔点高、比重大，在液态镁合金中十分稳定，且随着温度的降低，这些氢化物将更加稳定，呈微小的质点弥散分布在镁合金熔液中，从而降低焊缝中的氢气含量。2）：稀土元素可以大量吸附和溶解氢，大大增加氢在镁合金中的溶解度，且温度越低，稀土溶氢能力越大，固溶氢量越高，从而减少可形成氢气泡的H含量。3）：适量的稀土元素能够降低液态镁合金熔池的粘度，提高其流动性，更有利于焊缝中气体的逸出，降低焊缝中氢致气孔、N2气孔等，提高焊缝的质量。
作为优化，所述镁合金焊丝是在现有常规镁合金焊丝成分（优先采用本领域公知的性能较好的、能够与焊接母材相匹配的镁合金焊丝）基础上加入富钕稀土元素制得，稀土元素质量含量为：Nd 1.00~3.00%，La 0.2~0.6%。
这样优化后，采用该成分的焊丝，经试验验证，能够充分地改善H、N2等气体的影响，最大程度提高焊接质量。
本发明采用熔化焊焊接，在焊接过程中添加混合有少量富钕稀土元素的镁合金焊丝作填充材料，适用于压铸镁合金熔化焊接。该方法简单易行，操作方便，成本低廉，同时能很好的解决压铸镁合金焊接气孔问题。
综上所述，本发明能够很好地降低压铸镁合金内部气体对焊接的影响，解决压铸镁合金焊接气孔问题，提高焊接质量；同时，具有操作简单便捷，实施成本低廉等优点。
 
附图说明
图1为本发明焊接示意图，图中箭头表示焊接方向。
图2为四组具体实施例得到的焊缝横截面对比图。
 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时，一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法，在压铸镁合金熔化焊焊接时，采用混合有少量富钕稀土元素的镁合金焊丝进行焊接；使得焊接时利用稀土与氢有很大的化学亲和力，与部分氢形成稳定的氢化物，减少焊缝氢气孔；利用稀土提高氢在镁中的溶解度，使部分氢元素固溶于镁中，减少焊缝氢气孔；利用稀土元素提高熔池流动性，加快氢和氮等气体溢出，减少焊缝气孔。本具体实施方式中，所述镁合金焊丝是在现有挤压态AZ61镁合金成分基础上加入富钕稀土元素制得，稀土元素质量含量为：Nd 1.00~3.00%，La 0.2~0.6%。
具体焊接时，焊接母材为压铸AZ91D镁合金，焊丝直径为1.5mm。
具体焊接时采用普通TIG焊机，交流电焊接，电流大小为80A，焊接速度为6.6mm/s，填丝速度为1.5mm/s，保护气体为纯度99.9 %的氩气，流量为10L/min，电极为铈钨极，直径2 mm。
具体焊接时，如图1所示，焊接前，对母材1及焊丝2进行处理，对接接头， Y形坡口3，正面施焊。
为了进一步验证本发明效果，在上述具体实施方式的基础上申请人做了对比实验验证，现选取四次实施实例做进一步说明。
实施例1：以上述具体实施方式为基础，选用的焊丝材料为挤压态AZ61镁合金进行焊接。焊丝具体成分取以下质量百分比：Al6.45%，Zn0.80%，Si0.07%，Mn0.24%，余量为Mg。焊接好后截取焊缝的典型部分获得的两个焊缝横截面图如图2中（a）和（b）所示，其中气泡较多，焊接质量较差。
实施例2：以上述具体实施方式为基础，选用的焊丝材料为挤压态AZ61的镁合金，同时混合有少量富钕稀土元素，焊丝具体成分取以下质量百分比：Al6.37%，Zn0.7%，Si0.04%，Mn0.15%，Nd1.00%，La0.2%，余量为Mg。焊接好后截取焊缝的典型部分获得的两个焊缝横截面图如图2中（c）和（d）所示，其中气孔相对图（a）和（b）有所减少，焊接质量有所提高。
实施例3：以上述具体实施方式为基础，选用的焊丝材料为挤压态AZ61的镁合金，同时混合有少量富钕稀土元素，焊丝具体成分取以下质量百分比：Al6.26%，Zn0.73%，Si0.06%，Mn0.26%，Nd2.00%，La0.4%，余量为Mg。焊接好后截取焊缝的典型部分获得的两个焊缝横截面图如图2中（e）和（f）所示，其中气孔相对图（c）和（d）再次有所减少，焊接质量进一步提高。
实施例4：以上述具体实施方式为基础，选用的焊丝材料为挤压态AZ61的镁合金，同时混合有少量富钕稀土元素，焊丝具体成分取以下质量百分比：Al6.34%，Zn0.64%，Si0.05%，Mn0.17%，Nd3.00%，La0.6%，余量为Mg。焊接好后截取焊缝的典型部分获得的两个焊缝横截面图如图2中（g）和（h）所示，其中气孔相对图（e）和（f）再次有所减少，焊接质量再一步提高。
通过上述四个实施例对比，可看出，当稀土元素比例增加时，气孔数量逐渐减少，焊接效果提高。同时考虑到成本及过量稀土元素会降低镁合金流动性，不利于气泡的上浮溢出，所以实施例4为最优实施方式。
需要说明的是，具体实施例时选用的焊接方式为钨极氩弧焊，试验母材为工程应用较多的压铸AZ91D镁合金，焊丝为挤压态AZ61。当选用其他熔化焊接方式、压铸镁合金和与之相匹配的焊丝时，加入少量富钕稀土元素（稀土元素质量含量为：Nd 1.00~3.00%，La 0.2~0.6%）也可以得到类似的效果。

Claims (2)

1.一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法，其特征在于，熔化焊焊接时，采用混合有少量富钕稀土元素的镁合金焊丝进行焊接；使得焊接时利用稀土与氢有很大的化学亲和力，与部分氢形成稳定的氢化物，减少焊缝氢气孔；利用稀土提高氢在镁中的溶解度，使部分氢元素固溶于镁中，减少焊缝氢气孔；利用稀土元素提高熔池流动性，加快氢和氮等气体溢出，减少焊缝气孔。
2.如权利要求1所述的降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法，其特征在于，所述镁合金焊丝是在现有常规镁合金焊丝成分基础上加入富钕稀土元素制得，稀土元素质量含量为：Nd 1.00~3.00%，La 0.2~0.6%。
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