CN106112267B - 一种az系镁合金焊接材料及其焊接控制方法 - Google Patents

一种az系镁合金焊接材料及其焊接控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出了一种易于控制的AZ系镁合金焊接材料及其焊接控制方法，其通过镁合金焊接材料的配比选择获得了一种易于受控的焊接材料或者说焊丝，巧妙的通过复合式焊接的激光对焦控制和电弧电流、焊接件移动速度的控制，获得非常高的焊接体验。

Description

一种AZ系镁合金焊接材料及其焊接控制方法
技术领域
本申请涉及焊接材料领域，具体涉及一种AZ系镁合金焊接材料及其焊接控制方法。
背景技术
镁合金具有较高的比强度和比刚度、良好的导电性、导热性和电磁屏蔽性以及易回收利用等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车和电子制造领域，镁合金材料的应用不仅由镁金属本身的物理性质决定，也依赖于其成形技术的发展。焊接是镁合金连接中主要的成形技术。近年来，随着镁合金耐腐蚀性和抗蠕变等性能的改善及其应用领域的扩大，镁合金焊接技术已成为全球焊接领域研究的热点。
镁合金焊接过程中，熔池表面极易形成氧化膜，焊接接头易产生气孔、裂纹等缺陷，难以获得质量可靠的接头，已成为制约镁合金广泛应用的主要问题之一。因此，系统地研究镁合金焊接工艺参数以及焊前和焊后热处理对焊接接头组织与力学性能的影响规律具有重要的理论意义和实际应用价值。
镁位于元素周期表的第3周期第2族，属于活泼金属，通常以化合物的形式存在于自然界。镁在20℃时的密度为1.74g/cm3，体积相同时，质量约为钢的1/4，为铝的2/3，是常用结构材料中最轻的金属。虽然纯镁有很多优点，但其力学性能较差，不能直接用作结构材料，因此通常以合金的形式使用。镁的合金化是实际应用中最有效的强化途径，即向镁中加入一些合金元素(如Al、Zn、Mn和RE)后，通过固溶和时效处理来改善镁的物理、化学和力学性能，得到高强度的镁合金。一般来说，镁合金具有以下特点：密度小、比强度和比刚度高、导热性和导电性好、电磁屏蔽性好、易于回收利用。
镁合金中，Mg-Al-Zn系合金(AZ系列)中兼有铸造镁合金和变形镁合金的特点，可用于制造形状复杂的薄壁件，是目前应用较广泛的镁合金。但是，镁合金具有密度和熔点低，导热率、电导性和热膨胀系数大，易氧化以及氧化物的熔点高等特点，使镁合金在焊接过程中容易出现很多问题。因此精准的控制焊接的速度成了一个重要的研究课题。
基于此，本申请提出了一种易于控制的AZ系镁合金焊接材料及其焊接控制方法，其通过镁合金焊接材料的配比选择获得了一种易于受控的焊接材料或者说焊丝，巧妙的通过复合式焊接的激光对焦控制和电弧电流、焊接件移动速度的控制，获得非常高的焊接体验。
发明内容
本发明一方面提供了一种AZ系镁合金焊接材料，所述焊接材料的成分按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量为Mg。
更进一步的，所述焊接材料加工为焊丝，其直径为1.5mm。应用该发明的焊丝可使焊缝组织具有较高的热稳定性、抗热裂性能有较大程度的增强、焊接接头强韧性能优良，较好的克服了现有焊丝焊接接头强度不够的不足。并且本发明所述焊丝的成分不复杂，添加的稀土元素种类不多，而且其用量一般，生产成本较低，其在制备过程中的挥发氧化烧损现象极少。
本发明另一方面提供了一种AZ系镁合金焊接材料的焊接控制方法，其用于所述的焊接材料，其包括使用主控制器、激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部、高速摄像机和焊接对象控制部，其特征在于，所述主控制器分别连接控制激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部和焊接对象控制部；
所述高速摄像机对焊接部位进行拍摄并反馈给所述主控制器；
所述激光控制器根据主控制器的命令控制激光振荡器的输出，所述激光振荡器发出激光束并通过光学系统传输至焊接对象；
所述喂丝控制部根据主控制器的命令将所述焊丝匀速位移至焊接部位；
所述电弧控制部根据主控制器的命令控制所述焊丝与被焊接部位之间的电弧电流，
所述焊接对象控制部根据所述主控制器的命令控制所述焊接对象位移。
更进一步的，激光振荡器向焊接部位发出2个或者3个激光束，所述2个或者3个激光束以一定的角度射向焊接对象，并在焊接对象表面聚合或者说汇合。
更进一步的，所述主控制器具备存储部和比较部，所述高速摄像机拍摄焊接部位的图像并发送至主控制器，所述主控制器对所述图像进行分析处理，得到激光光斑的面积和熔饼的面积，并将所述激光光斑的面积和熔饼的面积与预存的光斑阈值和熔饼阈值进行比较，其中所述熔饼指焊丝熔融成液态后在焊接对象表面形成的饼。
更进一步的，所述主控制器根据所述激光光斑的面积与光斑阈值的比较结果调整所述激光振荡器连接的光学调节系统，直至所述激光光斑的面积小于所述光斑阈值。
更进一步的，所述熔饼阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值，所述第三阈值小于所述第四阈值，
所述主控制器将所述熔饼的面积与熔饼阈值的比较结果发送给所述电弧控制部和焊接对象控制部，并且，当所述比较结果为所述熔饼的面积小于所述第一阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最大档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述最大档位的第三档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第三档位的第二档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第三阈值且小于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第二档位的第一档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最小档位，并且所述焊接对象控制部控制所述焊接对象前进一个预定的距离。
附图说明
图1为焊接作业示意图。
图2为高速摄像机拍摄焊接场景图。
图3为电弧焊接电源结构图。
具体实施例
实施例一。
本发明的AZ系镁合金焊接材料，按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量为Mg。
本发明还将上述焊接材料加工成1.5mm焊丝，其制备方法包括以下步骤：
1)合金熔炼：将镁锭加入燃气反射炉中，熔化后，加入铝锭，熔化后加打渣剂搅拌、去渣，然后加入中间合金，30～35分钟后，在氩气保护状态下加精炼剂进行精炼，精炼后静置30分钟后，水平连铸成镁合金盘条；
2)加工成形：镁合金盘条经多次拉拢，加工成1.5mm的连续盘状焊丝。
本发明另一方面提供了一种所述AZ系镁合金焊接材料的焊接控制方法，其包括使用主控制器、激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部、高速摄像机和焊接对象控制部，其特征在于，所述主控制器分别连接控制激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部和焊接对象控制部；
所述高速摄像机对焊接部位进行拍摄并反馈给所述主控制器；
所述激光控制器根据主控制器的命令控制激光振荡器的输出，所述激光振荡器发出激光束并通过光学系统传输至焊接对象；
所述喂丝控制部根据主控制器的命令将所述焊丝匀速位移至焊接部位；
所述电弧控制部根据主控制器的命令控制所述焊丝与被焊接部位之间的电弧电流，
所述焊接对象控制部根据所述主控制器的命令控制所述焊接对象位移。
更进一步的，所述激光振荡器向焊接部位发出3个激光束。
更进一步的，所述主控制器具备存储部和比较部，所述高速摄像机拍摄焊接部位的图像并发送至主控制器，所述主控制器对所述图像进行分析处理，这种分析可以基于多种机理，参加图2，例如根据激光光斑和熔饼不同的反射光谱，或者其被高速摄像机所拍摄后的图像所呈现的不同色调或者亮度，进而得到二者不同的范围，进而计算得到激光光斑的面积和熔饼的面积，并将所述激光光斑的面积和熔饼的面积与预存的光斑阈值和熔饼阈值进行比较，其中所述熔饼指焊丝熔融成液态后在焊接对象表面形成的饼。在本实施例中将拍摄图像转为黑白色度，并按照灰度进行区分，超过第一灰度阈值的区域为激光光斑，即图2中laser beam区域，黑色区域为其他区域，非黑色区域和激光光斑区域定义为熔饼区域。
更进一步的，所述主控制器根据所述激光光斑的面积与光斑阈值的比较结果调整所述激光振荡器连接的光学调节系统，直至所述激光光斑的面积小于所述光斑阈值，当满足以上条件时，可以认为激光束的聚焦达到了要求，即激光束汇聚点正好位于焊接对象的表面。
更进一步的，所述熔饼阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值，所述第三阈值小于所述第四阈值，
所述主控制器将所述熔饼的面积与熔饼阈值的比较结果发送给所述电弧控制部和焊接对象控制部，并且，当所述比较结果为所述熔饼的面积小于所述第一阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最大档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述最大档位的第三档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第三档位的第二档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第三阈值且小于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第二档位的第一档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第四阈值时，此时当前区域或者当前点的焊接被认为可以结束，电弧控制部控制所述电弧电流为最小档位(例如电流几乎为零)同时关闭激光输出，并且所述焊接对象控制部控制所述焊接对象前进一个预定的距离，进而进入下一个焊接点。本实施例的电弧焊接采取全数字脉冲焊接电源，其主回路的结构如图3所示，并且通过控制PWM波的占空比来改变电弧电流的档位，其控制简单精准，非常适合本实施例的使用。
本实施例采用的焊接方式为激光、电弧复合时焊接，并可以通过控制器预先输入焊接对象移动轨迹，将该轨迹离散为相距同样局里的焊接点，并进行步进式的点-点焊接。
实施例二。
本发明的AZ系镁合金焊接材料，按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量为Mg。
本发明还将上述焊接材料加工成3mm焊丝，其制备方法包括以下步骤：
1)合金熔炼：将镁锭加入燃气反射炉中，熔化后，加入铝锭，熔化后加打渣剂搅拌、去渣，然后加入中间合金，35分钟后，在氩气保护状态下加精炼剂进行精炼，精炼后静置30分钟后，水平连铸成镁合金盘条；
2)加工成形：镁合金盘条经多次拉拢，加工成3mm的连续盘状焊丝。
本发明另一方面提供了一种所述AZ系镁合金焊接材料的焊接控制方法，其包括使用主控制器、激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部、高速摄像机和焊接对象控制部，其特征在于，所述主控制器分别连接控制激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部和焊接对象控制部；
所述高速摄像机对焊接部位进行拍摄并反馈给所述主控制器；
所述激光控制器根据主控制器的命令控制激光振荡器的输出，所述激光振荡器发出激光束并通过光学系统传输至焊接对象；
所述喂丝控制部根据主控制器的命令将所述焊丝匀速位移至焊接部位；
所述电弧控制部根据主控制器的命令控制所述焊丝与被焊接部位之间的电弧电流，
所述焊接对象控制部根据所述主控制器的命令控制所述焊接对象位移。
其加工过程可以参见图1，图中左侧为激光头(图示为一个激光束)，右侧为喂丝及电弧电流发生的示意。更进一步的，所述激光振荡器向焊接部位发出2个激光束。
更进一步的，所述主控制器具备存储部和比较部，所述高速摄像机拍摄焊接部位的图像并发送至主控制器，所述主控制器对所述图像进行分析处理，得到激光光斑的面积和熔饼的面积，并将所述激光光斑的面积和熔饼的面积与预存的光斑阈值和熔饼阈值进行比较，其中所述熔饼指焊丝熔融成液态后在焊接对象表面形成的饼。
更进一步的，所述主控制器根据所述激光光斑的面积与光斑阈值的比较结果调整所述激光振荡器连接的光学调节系统，直至所述激光光斑的面积小于所述光斑阈值，从而使得两束激光被聚焦在焊接点。
更进一步的，所述熔饼阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值，所述第三阈值小于所述第四阈值，
所述主控制器将所述熔饼的面积与熔饼阈值的比较结果发送给所述电弧控制部和焊接对象控制部，并且，当所述比较结果为所述熔饼的面积小于所述第一阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最大档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述最大档位的第三档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第三档位的第二档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第三阈值且小于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第二档位的第一档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最小档位，并且所述焊接对象控制部控制所述焊接对象前进一个预定的距离。
实施例三。
本实施例的AZ系镁合金焊接材料，按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量为Mg。
本发明还将上述焊接材料加工成3mm焊丝，其制备方法包括以下步骤：
1)合金熔炼：将镁锭加入燃气反射炉中，熔化后，加入铝锭，熔化后加打渣剂搅拌、去渣，然后加入中间合金，30分钟后，在氩气保护状态下加精炼剂进行精炼，精炼后静置30分钟后，水平连铸成镁合金盘条；2)加工成形：镁合金盘条经多次拉拢，加工成3mm的连续盘状焊丝。
本发明另一方面提供了一种所述AZ系镁合金焊接材料的焊接控制方法，其包括使用主控制器、激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部、高速摄像机和焊接对象控制部，其特征在于，所述主控制器分别连接控制激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部和焊接对象控制部；
所述高速摄像机对焊接部位进行拍摄并反馈给所述主控制器；
所述激光控制器根据主控制器的命令控制激光振荡器的输出，所述激光振荡器发出激光束并通过光学系统传输至焊接对象；
所述喂丝控制部根据主控制器的命令将所述焊丝匀速位移至焊接部位；
所述电弧控制部根据主控制器的命令控制所述焊丝与被焊接部位之间的电弧电流，
所述焊接对象控制部根据所述主控制器的命令控制所述焊接对象位移。
其加工过程可以参见图1，图中左侧为激光头(图示为一个激光束)，右侧为喂丝及电弧电流发生的示意。
更进一步的，所述激光振荡器向焊接部位发出2个激光束。
更进一步的，所述主控制器具备存储部和比较部，所述高速摄像机拍摄焊接部位的图像并发送至主控制器，所述主控制器对所述图像进行分析处理，得到激光光斑的面积和熔饼的面积，并将所述激光光斑的面积和熔饼的面积与预存的光斑阈值和熔饼阈值进行比较，其中所述熔饼指焊丝熔融成液态后在焊接对象表面形成的饼。
更进一步的，所述主控制器根据所述激光光斑的面积与光斑阈值的比较结果调整所述激光振荡器连接的光学调节系统，直至所述激光光斑的面积小于所述光斑阈值。
更进一步的，所述熔饼阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值；
所述主控制器将所述熔饼的面积与熔饼阈值的比较结果发送给所述电弧控制部和焊接对象控制部，并且，当所述比较结果为所述熔饼的面积小于所述第一阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最大档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述最大档位的第二档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第二档位的第一档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第三阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最小档位，并且所述焊接对象控制部控制所述焊接对象前进一个预定的距离。
同时在本实施例中还可以配合电弧电流的大小调整激光能量的输出。

Claims (1)

1.一种AZ系镁合金焊接材料的焊接控制方法，所述焊接材料的成分按重量百分比计：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％； Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％； Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量为Mg；其中所述焊接材料加工为焊丝，其直径为1.5mm；
所述焊接材料的焊接控制方法包括，使用主控制器、激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部、高速摄像机和焊接对象控制部，所述主控制器分别连接控制激光控制器、电弧控制部、喂丝控制部和焊接对象控制部；
所述高速摄像机对焊接部位进行拍摄并反馈给所述主控制器；
所述激光控制器根据主控制器的命令控制激光振荡器的输出，所述激光振荡器发出激光束并通过光学系统传输至焊接对象；
所述喂丝控制部根据主控制器的命令将所述焊丝匀速位移至焊接部位；
所述电弧控制部根据主控制器的命令控制所述焊丝与焊接对象之间的电弧电流，
所述焊接对象控制部根据所述主控制器的命令控制所述焊接对象位移；
所述激光振荡器向焊接部位发出2个或者3个激光束，所述2个或者3个激光束可以一定的角度射向焊接对象；
其特征在于，
所述主控制器具备存储部和比较部，所述高速摄像机拍摄焊接部位的图像并发送至主控制器，所述主控制器对所述图像进行分析处理，得到激光光斑的面积和熔饼的面积，并将所述激光光斑的面积和熔饼的面积与预存的光斑阈值和熔饼阈值进行比较，其中所述熔饼指焊丝熔融成液态后在焊接对象表面形成的饼；所述主控制器根据所述激光光斑的面积与光斑阈值的比较结果调整所述激光振荡器连接的光学调节系统，直至所述激光光斑的面积小于所述光斑阈值；
所述熔饼阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值，所述第三阈值小于所述第四阈值，
所述主控制器将所述熔饼的面积与熔饼阈值的比较结果发送给所述电弧控制部、激光控制器和焊接对象控制部，并且，
当所述比较结果为所述熔饼的面积小于所述第一阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最大档位，激光控制器控制激光输出开启；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述最大档位的第三档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第三档位的第二档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第三阈值且小于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为小于所述第二档位的第一档位；
当所述比较结果为所述熔饼的面积大于所述第四阈值时，电弧控制部控制所述电弧电流为最小档位并且激光控制器控制激光输出关闭，并且所述焊接对象控制部控制所述焊接对象前进一个预定的距离。
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