CN103846573A

CN103846573A - 一种适用于压铸镁合金焊接的环保型活性剂

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Publication number: CN103846573A
Application number: CN201310536735.1A
Authority: CN
Inventors: 杜贤昌; 王毅; 郭淑兰; 杨春光
Original assignee: Changchun Institute Technology
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS; Changchun Institute Technology
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN103846573B

Abstract

本发明公开了一种专用于压铸镁合金钨极氩弧焊的环保型活性剂，属于电弧焊接领域的活性焊技术。本发明活性剂是由TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂组成，其质量配比为TiO₂：22.5％～35%，SrCL₂：32.5%～50％，Zn：23.5%～42.5％，Y₂O₃：0.80％～1.3%，ZrO₂：0.90%～1.50％。焊前碾磨上述五种活性剂粉末，按比例混合并加入丙酮使其成糊状，用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试件上表面，平均涂敷量为10mg·cm^-2，涂敷宽度约为40mm，待丙酮挥发后进行钨极氩弧焊接。该活性剂可明显提高接头抗拉强度，解决TIG焊时易出现熔深浅和晶粒粗大的难题。

Description

一种适用于压铸镁合金焊接的环保型活性剂

技术领域

本发明是一种新型焊接活性剂，适用于钨极氩弧焊焊接压铸镁合金，属于电弧焊接领域的活性焊技术。

背景技术

镁合金与其他金属材料相比，具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工、易回收等一系列优点，是目前最具有应用前景的轻金属结构材料，广泛应用于汽车工业、航天航空业、钢铁工业、铝工业以及3C产业（计算机、通讯、消费类电子产品）等领域。镁合金应用于金属结构必然涉及到它的连接性问题。镁合金熔焊时，由于受到其物理化学性能的影响，与铝合金相比焊缝更易形成疏松、热脆性较大的氧化膜及夹渣，并易出现热裂纹和晶粒粗化等焊接性问题。焊接作为现代制造业的重要连接技术，该领域专家对镁合金的焊接性问题给予了极大关注，并开展了相关研究。TIG焊是一种以不熔化钨极作电极，惰性气体为保护气的电弧焊方法。它可避免熔化电极对熔滴过渡的不良影响，使熔池金属处于惰性气体保护气氛中，可获得高质量焊缝，焊件的熔化量可以精确控制，几乎可以焊接所有金属，是用来焊接有色金属、不锈钢、镍基合金、钛合金等材料的常用方法。但TIG焊技术存在单道焊熔深浅、对材料成分变化敏感和生产效率低的缺点，为此，乌克兰巴顿焊接研究所专家在20世纪60年代中期提出了“焊剂层上氩弧焊”技术，到了20世纪90年代，该技术逐渐发展成为一种全新的焊接方法—A-TIG焊(Activating flux TIG welding)。A-TIG焊是在焊接母材的表面涂上一层活性剂，引起焊接电弧收缩或熔池流态发生变化，从而大幅增加TIG焊接熔深的方法。相对于传统TIG焊，A-TIG焊具有三大突出优点：(1)焊接熔深大，生产效率高；(2)对施焊材料中所含的微量元素不敏感，焊接熔深稳定；(3)成本低，应用领域广，易实现自动化焊接。同时A-TIG焊还具有减小焊接变形等优点。A-TIG焊增加焊缝熔深是“电弧收缩”和“Marangoni对流”共同作用的结果。同时，活性剂元素随着Marangoni对流进入熔池，与熔池金属发生冶金反应，改善内部组织，从而影响镁合金焊接接头的力学性能。

[0003] 研究A-TIG焊技术主要在于研发新型活性剂。其中，对镁合金焊接用活性剂的研究已有相关文献和专利报道。M.Marya研究了氯化物对镁合金A-TIG焊的影响，大连理工大学的张兆栋等人研究了氧化物和卤化物对交流A-TIG焊的影响，南京航空航天大学的徐杰等人研究了单一活性剂（TiO₂、Cr₂O₂、SiO₂、CdCL₂、CaCL₂）对焊缝成形的影响，兰州理工大学的黄勇、樊丁等人研究了镁合金直流正接时，活性剂Te，ZnF₂和CdCL₂对焊缝熔深的影响规律。专利查询显示：重庆大学的沈骏和李诗增于2012年6月18日申请了“一种高性能镁合金焊接活性剂”，专利申请号CN1210200557。活性剂由MnCL₂和ZnO组成，其质量配比为MnCL2：65％～75%，ZnO：25%～35％。焊缝最大熔深达到5.3mm，晶粒得到细化，平均直径为40um。焊接接头的拉伸性能比无活性剂、单一活性剂时明显提高。大连理工大学的刘黎明和张兆栋于2007年2月12日申请了“一种用于镁合金焊接的活性剂”，专利申请号200710010469。活性剂由TiO2、Cr₂O₃、MgO、MnO₂、CaO组成，其质量配比为TiO2：40％～70%，Cr₂O₃：5%～20％，MgO：2％～20%，MnO₂：5%～20％，CaO：5%～20％。焊缝最大熔深达到无活性剂时的1倍以上，接头强度与母材强度相近。

[0004]从以上文献和专利资料来看，虽然对焊缝熔深、焊缝成形、晶粒粗化、焊接接头的力学性能等问题进行了研究，使最大熔深达到5.3mm，焊缝成形良好，晶粒得到细化，平均直径为40um，拉伸强度得到提高。但仍存在如下问题：专利信息显示，现有镁合金的焊接活性剂只适用于变形镁合金焊接，而缺少适用于压铸镁合金TIG焊的活性剂。镁合金焊接性与其生产工艺密切相关。变形镁合金焊接性较好，不受材料生产工艺的影响，而铸造镁合金则不同，如压铸镁合金的焊接过程就比砂型铸造和金属型铸造合金容易产生问题。其中,微气孔是压铸镁合金存在的致命问题，气孔因受热而出现聚集长大，严重地影响了合金的力学性能。但压铸镁合金生产量大，占镁合金总量的70%，因此急需研制压铸镁合金TIG焊的活性剂；专利（申请号CN1210200557）中活性剂MnCL₂有很强吸湿性，丙酮挥发后，待焊试件表面仍有水分存在，不能保证焊接质量；活性剂CdCL₂有毒，被确认为人类致癌物，对环境有危害，对水体可造成污染。从上述分析可以看出，首先应研制适用于压铸镁合金的焊接活性剂，在研制时应从活性剂的安全环保性、焊缝的冶金成分、A-TIG焊的生产效率和焊缝成形质量、焊接接头的力学性能等多角度考虑，进行综合设计，以满足镁合金焊接生产的实际需要。

[0005]本发明目的是提供一种适用于压铸镁合金TIG焊的新型活性剂，该活性剂环保无毒，可以降低接头气孔数量，改善焊接性，显著提高焊缝熔深，细化母材晶粒以提高焊接接头的拉伸性能，获得良好的焊缝质量。

［0006］本发明活性剂由TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂组成，其质量配比为TiO₂：22.5％～35%，SrCL₂：32.5%～50％，Zn：23.5%～42.5％，Y₂O₃：0.80％～1.3%，ZrO₂：0.90%～1.50％。焊前仔细打磨被焊工件表面，用酒精或丙酮进行化学清洗，以去除氧化物膜等污物。先将TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂活性剂粉末分别充分碾磨后按比例混合，然后向混合物中加入丙酮使其成为糊状。再用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试样上表面，涂覆宽度约为40mm，活性剂的平均涂敷量为10mg·cm^-2。待丙酮挥发后进行钨极氩弧焊接。

［0007］本发明通过系统实验研究得出以下结论：该混合型活性剂在环保方面，安全无毒；在增加焊缝熔深方面，比无活性剂、单一活性剂时明显增深，最大熔深为6.2mm，提高了A-TIG焊效率；在焊缝成形方面，可以获得均匀美观的焊缝；在内部组织方面，平均晶粒直径达到30um，接头气孔数量降低；在力学性能方面，焊接接头的极限抗拉强度明显增加，最大拉伸强度为239MP，分别比使用无活性剂、单一活性剂焊接时提高39.4%、76.5%；该混合型活性剂是一种适用于压铸镁合金TIG焊的环保型活性剂。

［0008］附图说明

［0009］图1是未涂覆活性剂的焊缝成形照片。

［0010］图2是涂覆单一活性剂后的焊缝成形照片。

［0011］图3是涂覆复合活性剂后的焊缝成形照片。

［0012］图4是未涂覆活性剂的焊缝横截面熔探照片。图中熔深2.8mm。

［0013］图5是涂覆单一活性剂后的焊缝横截面熔深照片。图中熔深3.8mm。

［0014］图6是涂覆复合活性剂后的焊缝横截面熔深照片。图中熔深6.2mm。

［0015］图7是没有涂覆活性剂焊缝区显微组织照片。

［0016］图8是涂覆单一活性剂焊缝区显微组织照片。

［0017］图9是涂覆复合活性剂焊缝区显微组织照片。

［0018］图10是涂覆活性剂前后焊接接头的应力应变曲线。

［0019］具体实施方式

［0020］例1

［0021］活性剂质量配比为TiO₂：23.5％、SrCL₂：49％、Zn：25.5%、Y₂O₃：0.85％和ZrO₂：1.15％。先将TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂活性剂粉末分别充分碾磨后按比例进行混合，然后向混合物中加入丙酮使其成为糊状。再用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试样上表面，涂覆宽度约为 40 mm，活性剂的平均涂敷量为10 mg·cm-2。待丙酮挥发后进行焊接。

［0022］对板厚为10mm的AZ91D镁合金板材进行TIG焊接采取的焊接规范为：

参数名称	数值
		电极类型	DC,W-2% ThO2
电极直径	2.4mm
		电极顶角	60°
保护气体Ar流量	15L/min
		电弧长度	1mm
焊接电流	120A
		焊接速度	240mm/min

［0023］在这种焊接规范条件下，涂覆复合活性剂后熔宽减小，焊缝表面波纹细腻光滑（图1-3）。涂覆复合活性剂的焊缝熔深比没有涂敷活性剂的焊缝熔深增加了121.4％，比涂敷单一活性剂的焊缝熔深增加了63.2％（图4-6）。涂覆复合活性剂后焊缝熔合区晶粒比涂敷单一活性剂的焊缝熔合区晶粒明显减小（图7-9），气孔数量降低。涂覆复合活性剂后的焊接接头拉伸性能，比普通焊接接头提高了39.4％，比涂覆单一活性剂后的焊接接头提高了76.5％（图10）。解决了镁合金TIG焊中容易出现的熔深浅和 A-TIG焊中容易出现的晶粒粗大的难题。

［0024］例2

［0025］活性剂质量配比为TiO₂：22.5％、SrCL₂：33.5％、Zn：42%、Y₂O₃：1.0％和ZrO₂：1.0％。先将TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂活性剂粉末分别充分碾磨后按比例进行混合，然后向混合物中加入丙酮使其成为糊状。再用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试样上表面，涂覆宽度约为 40 mm，活性剂的平均涂敷量为10 mg·cm-2。待丙酮挥发后进行焊接；焊接参数同例1。

［0026］例3

［0027］活性剂质量配比为TiO₂：34.5％、SrCL₂：39.5％、Zn：23.5%、Y₂O₃：1.10％和ZrO₂：1.40％。先将TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂活性剂粉末分别充分碾磨后按比例进行混合，然后向混合物中加入丙酮使其成为糊状。再用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试样上表面，涂覆宽度约为 40mm，活性剂的平均涂敷量为10 mg·cm-2。待丙酮挥发后进行焊接；焊接参数同例1。

［0028］例4

［0029］先将TiO₂活性剂粉末充分碾磨后加入丙酮使其成为糊状。再用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试样上表面，涂覆宽度约为 40mm，活性剂的平均涂敷量为10 mg·cm-2。待丙酮挥发后进行焊接；焊接参数同例1。

Claims

1.一种专用于压铸镁合金钨极氩弧焊的新型活性剂，本发明的特征是活性剂环保无毒，可使钨极氩弧焊的焊接性改善，熔深显著增加，焊缝晶粒细化，焊接接头拉伸强度明显提高，焊缝成形均匀美观。

2.本发明的特征是由TiO₂、SrCL₂、Zn、Y₂O₃和ZrO₂组成，其重量配比为TiO₂：22.5％～35%，SrCL₂：32.5%～50％，Zn：23.5%～42.5％，Y₂O₃：0.80％～1.3%，ZrO₂：0.90%～1.50％。

3.本发明的特征是先将权利2中的活性剂粉末分别充分碾磨，按照权利2所述的比例进行混合，然后向混合物中加入丙酮使其成为糊状，再用扁平毛刷将糊状活性剂均匀涂敷在试样上表面，涂覆宽度约为40mm，活性剂的平均涂敷量为10mg·cm^-2，待丙酮挥发后进行钨极氩弧焊接。