CN104827187A - 一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法，在压铸镁合金熔化焊焊接时，采用含钇元素的镁合金填充材料进行焊接。焊接时利用钇元素与氮气有较强的亲和力，相互反应生成氮化物，减少焊缝中的氮气孔；利用钇元素增加氢在熔池中的溶解度，减少氢气孔的产生；利用钇元素提高焊接熔池的流动性，加快氮和氢等气体的溢出，减少焊缝气孔，提高焊接质量。本发明还具有操作简单，便捷易行等优点。

Description

一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法

技术领域

 本发明涉及镁合金焊接技术，尤其涉及一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔率的焊接方法。

背景技术

镁合金是目前最轻的商用金属结构材料，具有密度低、比强度高、阻尼减振和电磁屏蔽性好、压铸及机加工艺性能好等优点，在航空航天、路面\轨道交通、3C产品、手持工具、医疗康复及运动休闲等领域的应用前景看好。当前，由于优良的铸造性能，镁合金零部件的生产以压铸为主，压铸件占镁合金零部件的90%以上。但在对镁合金压铸件实施熔化焊时，其焊缝中会产生大量的、尺寸可大致毫米级的气孔，严重影响焊缝性能。因此，在工程界，目前一般认为包括压铸镁合金在内的压铸件均不能进行熔化焊。

 现有研究表明，压铸镁合金熔焊气孔主要来源于压铸母材中原始预存的气体。如表1所示，国外学者对压铸AZ91D镁合金母材和熔化焊焊缝中所含气体进行了检测，结果表明：母材中所含气体主要是氮气，还有少量的氢气、碳氢化合物气体等其他气体；熔化焊焊缝中的气体主要也是氮气，其次是氢气、碳氢化合物气体和少量氩气。氮气应该主要来自于压铸过程中卷入的空气。因此，要减少或消除压铸镁合金熔焊焊缝气孔，主要矛盾就是要消除其中的氮气气孔。

表1 M. Wahba等人对压铸AZ91D镁合金及焊缝所含气体的检测结果, mass%

^a M/Z refers to mass-to-charge ratio，^b CHG refers to hydrocarbon gas（碳氢化合物气体）

摘自：Marya M, Edwards G R. The laser welding of magnesium alloy AZ91. Weld World, 2000, 44(2): 31-37

在减少和消除压铸镁合金熔化焊焊缝气孔方面，国内外目前主要有以下文献报道：

1）母材预热：对比文献1（张靖，单际国，温鹏，任佳烈. 压铸镁合金激光焊接气孔形成规律及原因[J]. 中国激光. 西安. 2011,38(6): 1-5）、对比文献2（单际国，张靖，郑世卿等. 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(S3): 235-239）将压铸AM50母材进行加热后再施焊，母材加热温度分别为90℃、140℃和350℃（真空），结果显示随着温度升高焊缝气孔率有所缓解，但依然较为严重。该方法效果不佳，而且按照压铸界的工程经验，当加热温度达到350℃时，压铸件皮下气孔受热鼓泡的几率会大大增加，可行性不强。

2）调整工艺参数：对比文献3（H Zhao, T DebRoy. Pore formation during laser beam welding of die-cast magnesium alloy AM60B mechanism and remedy[J]. Welding Journal, 2001, 80(8): 204-210）提出降低激光功率和增加焊接速度（即降低线能量）可以降低气孔率，但线能量过低导致熔深很小，并无实用价值；而对比文献4（Marya M, Edwards G R. The laser welding of magnesium alloy AZ91[J]. Weld World, 2000, 44(2): 31-37）的研究却表明，随着焊接速度的增加（即线能量降低），气孔率先增加后降低，与对比文献3的研究结果存在差异。因此该方法还需进一步研究，尚没有工程应用价值。

3）焊后重熔：对比文献3的研究显示，对压铸AM60的激光焊焊缝进行再次重熔可以降低气孔率，认为是由于重熔使焊缝气孔再次获得逸出的机会。但对比文献1的研究结果却不同，对前一道第气孔率的激光焊缝进行低功率密度激光重熔，发现气孔率再次升高，其分析认为是由于原焊缝中存在大量固溶氢，在重熔时再次析出导致的。由于两个实验结果相悖，该方法同样需要进一步研究，尚无法用于解决压铸镁合金熔焊气孔问题。

4）冶金措施：对比文献5（游国强，杜娟，赵旭等. 一种降低压铸镁合金熔化焊焊接气孔率的焊接方法. 中国发明专利. 申请号CN201410096880）使用含富Nd混合稀土的焊丝对压铸镁合金进行TIG焊，结果显示，焊缝中气孔率有一定程度降低，分析认为富Nd混合稀土主要对熔池中的氢起作用（与氢气反应、提高氢的固溶度和减少熔池粘度以增加气泡逸出速度），但对熔池中的氮气作用有限。

总之，压铸镁合金熔化焊焊缝气孔问题是一个复杂的学术和工程问题，现有技术尚未很好地解决该问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是，如何降低压铸镁合金母材中原始预存气体对焊缝的影响，提供一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法。

为了解决上述技术问题，本发明中采用如下技术方案：一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法，其特征在于，在压铸镁合金熔化焊焊接时，采用含钇元素的镁合金填充材料进行焊接。

进一步，具体步骤包括：

    1）采用常规物理和化学处理方法对压铸镁合金母材和填充材料进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水；

    2）根据压铸镁合金母材厚度及接头形式、按照常规工程规范选取合适的焊接参数实施熔化焊；其间使用的填充材料为含钇元素质量百分比为3-25 wt.%的镁合金；

    更进一步，所述镁合金填充材料是在镁合金中加入一定量的钇元素制得，钇元素质量百分比含量为：3-25 wt.%。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在压铸镁合金采用熔化焊焊接，在焊接过程中采用含钇元素的镁合金焊丝作填充材料大大减少焊缝气孔。该方法能很好的减少压铸镁合金焊接气孔，而且简单易行、操作方便；而且钇元素的加入能够改善焊缝组织及力学性能。

本发明是利用钇元素与氮气有较强的亲和力，相互反应生成氮化物，减少焊缝中的氮气孔；利用钇元素增加氢在熔池中的溶解度，减少氢气孔的产生；利用钇元素提高焊接熔池的流动性，加快氮和氢等气体的溢出，明显减少焊缝气孔。尤其适用于压铸镁合金熔化焊接。

2、本发明方法能直接与熔池中的主要气体成分——氮气反应，明显减少氮气孔；同时也能一定程度地减少氢气孔，最终降低压铸镁合金熔化焊焊缝的气孔率，提高焊接质量。

3、本发明还具有操作简单，便捷易行等优点。

附图说明  

图1为本发明用于压铸镁合金对接接头、送丝-TIG焊的示意图。

图2为本发明用于压铸镁合金对接接头、预置焊丝-激光焊的示意图。

图中，1-填充材料，2-焊枪，3-母材，4-激光焊（头），箭头为焊接方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

1、第一组实施例：

焊接材料：焊接母材为压铸AM60镁合金，2mm厚；焊前采用常规物理和化学处理方法对母材和焊丝（即填充材料）进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水。

焊接设备及工艺参数：使用普通TIG焊机；焊接形式为对接焊（参见图1），不开坡口；焊接电流大小为70A（交流电），焊接速度为5.3mm/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。

焊后，从焊缝上均匀间距地截取5个横截面，观察并计算其焊缝气孔率，然后取平均值作为该焊缝的气孔率。

    参照例1：采用不含钇元素的挤压态AM60镁合金焊丝作为填充材料进行焊接，其焊缝气孔率为30.24%。

实施例1：采用含钇元:3 wt.%的AM60焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为21.16%，气孔率比参照例1降低了33.87%，较为明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

    实施例2：采用含钇元素5 wt.%的AM60焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为18.16%，气孔率比参照例1降低了39.95%，较为明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

   实施例3：采用含钇元素15 wt.%的AM60焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为11.08%，气孔率比参照例1降低了63.36%，明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

    实施例4：采用含钇元素25 wt.%的Mg-Y焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为8.95%，气孔率比参照例1降低了70.40%，明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

    2、第二组实施例：

焊接材料：焊接母材为压铸AZ91镁合金，4mm厚；焊丝（即填充材料）直径为3mm；焊前，采用常规物理和化学处理方法对母材和焊丝进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水。

焊接设备及工艺参数：使用普通TIG焊机；焊接形式为对接焊（参见图1），Y形坡口，坡口角度为60^oC,钝边长度1mm；焊接电流大小为100A（交流电），焊接速度为4.8mm/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2.4mm。

焊后，从焊缝上均匀间距地截取5个横截面，观察并计算其焊缝气孔率，然后取平均值作为该焊缝的气孔率。

参照例2：采用不含钇元素的挤压态AZ61镁合金焊丝作为填充材料进行焊接，其焊缝气孔率为35.34%。

    实施例5：采用含钇元素3 wt.%的AZ31焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为24.12%，气孔率比参照例2降低了31.75%，较为明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

    实施例6：采用含钇元素5 wt.%的AZ31焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为20.36%，气孔率比参照例2降低了42.39%，较为明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

   实施例7：采用含钇元素15 wt.%的AZ61焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为12.35%，气孔率比参照例2降低了65.05%，明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

实施例8：采用含钇元素25 wt.%的Mg-Y焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为9.22%，气孔率比参照例2降低了73.91%，明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

3、第三组实施例：

焊接材料：焊接母材为压铸AM60镁合金，4mm厚；焊丝（即填充材料）直径为3.0mm；焊前，采用常规物理和化学处理方法对母材和焊丝进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水。

焊接设备及工艺参数：使用普通激光焊机；焊接形式为对接焊，Y形坡口，坡口角度为60^oC,钝边长度1mm；焊接时将焊丝预先放置于坡口中激光点焊固定（如图2所示），再实施焊接，焊接工艺参数为：激光功率1500W，焊接速度30mm/s,激光离焦量0mm,聚焦光斑直径0.6mm，焊接过程中用纯度99.9 %的氩气保护，流量为8L/min。

焊后，从焊缝上均匀间距地截取5个横截面，观察并计算其焊缝气孔率，然后取平均值作为该焊缝的气孔率。

    参照例3：采用不含钇元素的挤压态AM60镁合金焊丝作为填充材料进行焊接，其焊缝气孔率为36.07%。

    实施例9：采用含钇元素3 wt.%的AM60焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为25.04%，气孔率比参照例3降低了30.58%，较为明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

    实施例10：采用含钇元素5 wt.%的AM60焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为21.73%，气孔率比参照例3降低了39.76%，较为明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

   实施例11：采用含钇元素15 wt.%的AM60焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为14.09%，气孔率比参照例3降低了60.94%，明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

实施例12：采用含钇元素25 wt.%的Mg-Y焊丝作为填充材料进行焊接，焊缝气孔率为11.86%，气孔率比参照例3降低了67.12%，明显地减少焊缝气孔，焊接质量提高。

    最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法，其特征在于，在压铸镁合金熔化焊焊接时，采用含钇元素的镁合金填充材料进行焊接。

2.如权利要求1所述减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法，其特征在于，具体步骤包括：

1）采用常规物理和化学处理方法对压铸镁合金母材和填充材料进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水；

2）根据压铸镁合金母材厚度及接头形式、按照常规工程规范选取焊接参数实施熔化焊；其间使用的填充材料为含钇元素3-25 wt.%的镁合金。

3.如权利要求1或2所述减少压铸镁合金熔化焊焊缝气孔的方法，其特征在于，所述镁合金填充材料是在镁及镁合金中加入一定量的钇元素制得，钇元素的质量百分比含量为：3-25wt.%。