CN106270879A - 一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种镀层辅助调控的镁与钢异种金属激光熔钎焊方法，特别涉及到镀层辅助调控的焊接材料的制备，本发明要解决现有焊接镁合金与钢的方法存在焊缝、成形难以控制，镁合金烧损以及接头界面处结合强度低的问题，本发明使用的方法是，在钢表面电镀镍，通过调节送丝位置及角度，激光束位置以及离焦量等工艺参数，采用激光熔钎焊的方法进行焊接，由于钢表面镍镀层的存在，在焊接时，金属熔滴易于在钢表面润湿铺展，并且镍元素的添加，使焊缝产生合金化，在界面处产生金属间化合物以及反应层，可得到成形及性能良好的焊缝，本发明解决了制约Mg/Fe等非互溶异种金属焊接质量提高的关键和共性问题，扩展了激光熔钎焊接的应用范围。

Description

一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，涉及的是异种金属的焊接方法，特别涉及到镀层辅助调控的焊接材料的制备。

背景技术

镁及其合金因具有密度低，比强度、比刚度高等特点被誉为21世纪绿色工程材料。钢是目前工业中应用最为广泛的金属材料。若能实现镁合金和钢的可靠连接，将充分发挥两者的优势，推进轻量化在工业生产中的进程。

镁合金和钢在物理性能和化学性能等方面存在巨大差异。镁合金的沸点（1100℃）远低于钢的熔点（1515℃），并且镁合金的熔点仅为660℃，这就导致在焊接过程中，镁合金已经烧损蒸发而钢还没有达到熔化状态。并且镁和钢的热导率相差4倍，热膨胀系数相差2倍，这些也都会导致在接头界面处产生很大的残余应力。此外，根据Mg-Fe二元相图可知，在1000 ℃以下Fe在Mg中的固溶度仅为0.00041%，Mg在Fe中几乎为0。因此两者既不互溶也不发生冶金反应形成金属间化合物。因此，对于镁合金和钢连接的关键是通过添加合金元素使其在界面处产生金属间化合物，使接头出现冶金结合。

基于镁/钢复合结构的性能优势，目前国内外学者在镁/钢异种金属连接方面开展大量的研究工作，但尚存在以下不足：由于Mg、Fe之间熔沸点相差较大，热输入较大将导致镁合金严重的烧损蒸发，使焊缝难以成形；由于Mg、Fe之间既不互溶也不反应，通过在两者间添加夹层（镍夹层、铜夹层、锡夹层），使镁/钢接头产生冶金结合，但是由于夹层的厚度难以灵活控制，以及由于夹层的存在对于装配精度要求较高，使得接头在界面处的化合物难以得到有效调控。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，通过在钢表面预先电镀镍，从而改善镁合金熔滴在钢表面的润湿性，使焊接过程稳定，得到良好的焊缝成形，使焊接接头在界面处产生冶金结合，提高接头力学性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，包括以下步骤：

1）板材的选择与处理：选择厚度为1.5mmQ235钢板，用颗粒度为360的碳化硅砂纸打磨钢板去除其表面氧化物，之后在丙酮中用超声波清洗机去脂去污。选用厚度为1mm的AZ31镁合金作为镁板，用绞磨机对镁合金板材表面及侧壁进行打磨，去除其表面存在的氧化膜。

2）钢板镀镍操作：电镀镍所采用的电镀液组成为：硫酸镍180-220g/L，氯化钠8-10g/L，硼酸28-36g/L，无水硫酸钠60-80g/L，硫酸镁50-80g/L。电镀镍工艺参数可以为：阴极电流密度0.8-1.2(A/dm2)，镀液PH在5.0-5.5，镀液温度为30-35℃。其中，电镀镍层的镀层厚度为4-40μm，电镀镍层的电镀时间为30-180min。

3）焊丝的制备：按Al的质量分数为3%-10%，Zn的质量分数为0.5%-5%，Mn的质量分数为0.2%-0.5%，余量为Mg的形式进行熔炼，而后进行拉拔、冷却。选取较优参数为：按Al的质量分数为9%，Zn的质量分数为2%，Mn的质量分数为0.2%，余量为Mg的形式进行熔炼，而后进行拉拔、冷却，通过不同拉拔工艺，可得到直径为1.6mm的焊丝。

4）焊接操作：采用激光熔钎焊的方法。采用镁板置于上部，镀镍钢板在下的搭接接头形式，搭接宽度L为15mm-20mm。激光功率为1000W-3000W，焊接速度为0.3m/min-0.7m/min，送丝速度为焊接速度的4-6倍。送丝装置的位置与角度是使焊丝与工件的夹角为15°-45°，送丝位置是沿焊接方向前侧，即为前送丝方式，焊丝位置对应于激光束中心。保护气为氩气、氦气、中的任一种或者氩气和氦气所组成的混合气体，保护气流量为10L/min-20L/min，保护气与激光束成45°对焊缝进行侧吹保护。激光束离焦量为+15mm至+30mm。激光束中心垂直照射于镁合金边缘位置为坐标原点，向镁合金方向靠近为+，向相反方向靠近为-，本发明中激光束位置为-1mm至+2mm。

进一步，本发明采用的激光束为光纤激光束，CO2气体激光束，YAG固体激光束，半导体激光束中的任一种。

进一步，本发明中步骤2）中电镀镍层的镀层厚度为4-40μm，电镀镍层的电镀时间为30-180min。

进一步，本发明中步骤（3）中使用的焊丝直径为1.6mm。

利用激光加热熔化镁合金焊丝及镁合金工件形成熔池，而钢板在焊接在焊接过程中基本保持固态。由于钢表面镀层的存在，在焊接时，金属熔滴易于在钢表面润湿铺展，并且镍元素的添加，使焊缝产生合金化，可得到成形良好的焊缝。

当采用镀镍钢进行焊接时，接头界面处有(α-Mg+Mg₂Ni)共晶组织、Mg₂Ni化合物以及Mg-Al-Ni三元化合物等产生，并且Al、Ni原子在与钢接触的一侧形成Al、Ni与Fe的固溶体，因此接头界面处产生冶金结合。

由于镀镍层的存在，使镁/钢界面处产生冶金结合，明显提高了焊接接头的力学性能。接头受拉剪后断裂于焊缝处，界面不再是接头的脆弱部位，接头抗拉剪力可以达到镁合金母材的80%以上，能够满足实际结构件的应用需求，可实现镁/钢异种材料复合结构件应用于汽车制造等工业领域。

本发明效果可以归纳为：

1. 利用激光熔钎焊的优势，通过控制热输入，添加镁合金焊丝，大大减少了焊缝中镁合金的烧损蒸发，使熔焊一侧形成良好连接，将镁/钢连接的关键控制在钎焊侧的界面处；

2. 通过在钢表面电镀镍，使得焊接过程中，熔滴易于润湿铺展，焊接过程更加稳定可靠；

3. 镍元素的添加使原本不发生反应的镁/钢界面处有化合物以及反应层的产生，实现了镁/钢接头的冶金结合；

4. 通过控制电镀工艺，可在钢表面产生不同厚度范围的镍镀层，扩展了该类型焊接材料在科研以及生产方面的应用。为实现Mg/Fe等非互溶、不反应金属材料的高效焊接生产提供了一种手段。

附图说明

图1为电镀过程示意图。

图2为镁合金与镀镍钢激光熔钎焊焊接方法示意图。

图3为镁合金与镀镍钢焊接接头结构示意图。

图4为镀镍钢截面SEM图像。

图5为镀镍钢截面SEM图像。

图6为镀镍钢截面SEM图像。

图7为镁/无镀层钢接头界面处SEM图像。

图8为镁/镀镍钢（镀层厚度为4μm）接头界面处SEM图像。

图9为镁/镀镍钢（镀层厚度为20μm）接头界面处SEM图像。

图10为镁/镀镍钢（镀层厚度为40μm）接头界面处SEM图像。

具体实施方式

结合附图和实施方案对本发明作进一步说明。

图1中1为Q235钢，2为阳极材料（纯度为99.9%的镍板），3为电镀液（镀镍电镀液）；

图2中4为镁合金，5为镀镍钢，6为焊缝，7为激光束，8为焊丝；

图3中9为镁合金，10为Q235钢，11为激光束，L为搭接宽度，激光束中心垂直照射于镁合金边缘位置为坐标原点，向镁合金方向靠近为+，向相反方向靠近为-，本发明中激光束位置为-1mm至+2mm；

图4中12为Q235钢，13为镀层厚度为4μm的镍镀层；

图5中14为镀层厚度为20μm的镍镀层，15为Q235钢；

图6中16为镀层厚度为40μm的镍镀层，17为Q235钢；

图7中18为Q235钢，19为Mg₁₇Al₁₂，20为α-Mg；

图8中21为Q235钢，22为Mg-Al-Ni三元化合物；

图9中23为Q235钢，24为(α-Mg+Mg₂Ni)共晶组织，25为Mg-Al-Ni三元化合物；

图10中26为Q235钢，27为Mg-Al-Ni三元化合物，28为(α-Mg+Mg₂Ni)共晶组织，29为Mg₂Ni化合物。

实施例1：

步骤1：板材的选择与处理。选择1.5mm厚Q235钢板，尺寸为50mm×100mm。用颗粒度为360的碳化硅砂纸打磨钢板去除其表面氧化物，之后在丙酮中用超声波清洗机去脂去污。选择1mm厚AZ31镁合金，尺寸为50mm×100mm。焊前用绞磨机对镁合金板材表面及侧壁进行打磨，去除其表面存在的氧化膜。

步骤2：钢板镀镍操作。电镀镍所采用的电镀液组成为：硫酸镍200g/L，氯化钠9g/L，硼酸32g/L，无水硫酸钠70g/L，硫酸镁65g/L。电镀镍工艺参数可以为：阴极电流密度1(A/dm2)，镀液PH为5.5，镀液温度为35℃。选择纯度为99.9%的纯镍板作为阳极，选择表面清理干净的Q235钢作为阴极，如图1所示，通过对钢所浸入电镀液的面积进行记录，结合电镀工艺参数，计算出阴极电流为0.6A。电镀时间为30min，可得到钢表面镍镀层厚度为4μm，镀镍钢截面SEM图像如图4所示。

步骤3：制备焊丝。按Al的质量分数为9%，Zn的质量分数为2%，Mn的质量分数为0.2%，余量为Mg的形式进行熔炼，而后进行拉拔、冷却，通过不同拉拔工艺，可得到直径为1.6mm的焊丝。

步骤4：焊接方案。采用镁板置于上部，镀镍钢板在下的搭接接头形式，搭接宽度L为15mm。激光功率为2000W，焊接速度为0.5m/min，送丝速度为焊接速度的5倍。送丝装置的位置与角度是使焊丝与工件的夹角为45°，送丝位置是沿焊接方向前侧，即为前送丝方式，焊丝位置对应于激光束中心。保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气与激光束成45°对焊缝进行侧吹保护。

图2为镁合金与镀镍钢激光熔钎焊焊接方法示意图，采用光纤激光器，激光束离焦量为+20mm。

镁合金与镀镍钢焊接接头结构示意图如图3所示，图中L为搭接宽度，激光束中心垂直照射于镁合金边缘位置为坐标原点，向镁合金方向靠近为+，向相反方向靠近为-，选取激光束位置为原点处。

步骤5：接头界面处物相鉴定。在没有添加镀层的情况下，镁/钢接头界面处无化合物产生，如图7所示。对本实验得到的焊接接头界面处进行观察，可以发现在镁/镀镍钢接头界面处有含镍化合物的产生，如图8所示。这表明通过镍元素的添加，使接头界面处发生了一定的冶金结合。

步骤6：力学性能测试。对本实验得到的焊接接头进行拉剪试验，接头断裂于镁合金焊缝处，接头的平均抗拉剪力为180N/mm，可以达到镁合金母材抗拉剪力的70%。

实施例2：

本实施方式与实施例1的不同点是：步骤2镀镍操作：电镀时间为120min，可得到钢表面镍镀层厚度为20μm（微米），镀镍钢截面SEM图像如图5所示，步骤5中镁/镀镍钢接头界面处SEM图像如图9所示，步骤6中得到的接头平均抗拉剪力可以达到220N/mm，为镁合金母材抗拉剪力的85%。其他与具体实施例1相同。

实施例3：

本实施方式与实施例1的不同点是：步骤2镀镍操作：电镀时间为180min，可得到钢表面镍镀层厚度为40μm，镀镍钢截面SEM图像如图6所示，骤5中镁/镀镍钢接头界面处SEM图像如图10所示，步骤6中得到的接头平均抗拉剪力为195N/mm，是镁合金母材抗拉剪力的72%。其他与具体实施例1相同。

实施例4：

本实施方式与实施例1的不同点在于：步骤4中所述的激光束分别为CO2气体激光束，YAG固体激光束或者半导体激光束。其他与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）板材选择与处理：选用厚度为1.5mm的Q235钢作为钢板，用颗粒度为360的碳化硅砂纸打磨钢板去除其表面氧化物，之后在丙酮中用超声波清洗机去脂去污；选用厚度为1mm的AZ31镁合金作为镁板，用绞磨机对镁合金板材表面及侧壁进行打磨，去除其表面存在的氧化膜；

2）钢板镀镍操作：在钢板表面电镀镍层，采用的电镀液组成为：硫酸镍180-220g/L，氯化钠8-10g/L，硼酸28-36g/L，无水硫酸钠60-80g/L，硫酸镁50-80g/L，电镀镍工艺参数可以为：阴极电流密度0.8-1.2(A/dm²)，镀液PH在5.0-5.5，镀液温度为30-35℃；

3）焊丝的制备：按Al的质量分数为3%-10%，Zn的质量分数为0.5%-5%，Mn的质量分数为0.2%-0.5%，余量为Mg的形式进行熔炼，而后进行拉拔、冷却；

4）焊接操作：将步骤1）中处理后的镁板置于上部，将步骤2）中的镀镍钢板采用在下的搭接接头形式，搭接宽度为15mm-30mm，激光功率为1000W-3000W，焊接速度为0.3m/min-0.7m/min，送丝速度为焊接速度的4-6倍，送丝装置的位置与角度是使焊丝与工件的夹角为15°-45°，送丝位置是沿焊接方向前侧，即为前送丝方式，焊丝位置对应于激光束中心，保护气为氩气、氦气、中的任一种或者氩气和氦气所组成的混合气体，保护气流量为10L/min-20L/min，保护气与激光束成45°对焊缝进行侧吹保护，激光束离焦量为+15mm至+30mm，激光束中心垂直照射于镁合金边缘位置为坐标原点，向镁合金方向靠近为+，向相反方向靠近为-，本发明中激光束位置为-1mm至+2mm。

2.根据权利要求1所述的一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，其特征在于：采用的激光束为光纤激光束，CO₂气体激光束，YAG固体激光束，半导体激光束中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，其特征在于：步骤2）中电镀镍层的镀层厚度为4-40μm，电镀镍层的电镀时间为30-180min。

4.根据权利要求1所述的一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，其特征在于：按Al的质量分数为9%，Zn的质量分数为2%，Mn的质量分数为0.2%，余量为Mg的形式进行熔炼，而后进行拉拔、冷却。

5.根据权利要求1所述的一种镀层辅助调控的镁和钢异种材料激光熔钎焊方法，其特征在于：步骤（3）中使用的焊丝直径为1.6mm。