CN106425020B - 一种焊接垫板及其在镁/铝异种金属焊接中的应用 - Google Patents

一种焊接垫板及其在镁/铝异种金属焊接中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊接垫板及其在镁/铝异种金属焊接中的应用。本发明采用填充冷却剂的中空焊接垫板对待焊板材进行夹紧、固定。有效减少了Mg17All2硬脆性金属间化合物的生成时间，提高了异种焊接头的机械强度；有效防止了焊接过程板材的热变形，减少了焊接热残余应力。同时，在焊接过程中，对待焊板材下表面焊接区域采用适宜的气体流量，吹氩气保护，可防止焊接过程熔融金属与空气接触反应、产生焊缝夹杂物。本发明通过焊接过程热控制及焊后热处理的双重效果，极大减少了硬脆性Mg17Al12金属间化合物的数量以及焊接残余应力，有效改善了焊接接头的焊接质量。

Description

一种焊接垫板及其在镁/铝异种金属焊接中的应用
技术领域
本发明属于镁/铝合金异种焊接技术领域，具体涉及一种焊接垫板及其在镁/铝异种金属焊接中的应用。
背景技术
能源短缺和环境污染是当今世界的突出问题，减轻自身重量成为汽车、航空航天等领域减少环境污染和节约能源的有效方法。据统计汽车质量每降低100千克，油耗就可减少0.7升。在航空航天器中，结构件重量的降低带来燃油费用的减少，则是汽车工业的100倍。因此，以镁合金和铝合金为代表的轻质高强金属材料受到了人们的广泛关注。北美、欧洲和日本等发达国家相继加大投入，进行了镁、铝轻质材料的开发与应用研究，我国也将镁、铝合金作为新材料基础研究的重点。
高的比强度高、比刚度以及优异的电磁屏蔽性能抗辐射能力强使得镁合金在航空、航天、电子、汽车和国防军事等领域具有广泛的应用，被誉为21世纪的绿色工程材料。在汽车领域，镁合金除可用作仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、变速箱外壳等外，还被考虑用于发动机、汽车底盘等关键部位。但是在目前轻金属工程应用中，铝合金仍占据主导地位，它具有比强度高、延展性好、抗腐蚀性强、易加工、便于回收再利用等优点，在一些部件制造上镁合金仍难以完全取代铝合金。在汽车领域中，奥迪公司的新款A6轿车采用了全铝车身，减重多达80Kg。2012款的极光揽胜也采用了全铝合金车身设计，减重多达420Kg，大约相当于5个成年人的重量。
在实际工程应用过程中，使某种单一材料满足工程所需的全部性能要求是不切实际的。随着镁、铝合金应用范围的逐渐扩大，两者的交叉领域不断增多，考虑到这两种合金性能的互补性，形成镁、铝异种金属复合构件是十分必要的。如何在一些高强度结构件中形成可靠、稳定的Mg/Al异种金属的焊接接头，已成为异种活性金属构件制造中急需解决的难题之一，也是目前新材料研究领域的前沿课题，具有开创性的意义。
在Mg/Al异种活性金属焊接过程中，由于比热容、热导率、热膨胀系数等物性参数的差异及金属相互间固溶度的限制，使得Mg17Al12硬脆性金属间化合物及焊接残余应力成为影响Mg/Al异种焊接接头焊接质量的关键因素。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种焊接垫板及其在镁/铝异种金属焊接中的应用，本发明能够极大的减少焊接过程Mg17Al12硬脆性金属间化合物的生成时间，有效降低异种合金焊接接头沉淀相的数量，防止焊接过程板材的热变形，减少焊接热残余应力，使得镁-铝异种合金焊接接头的综合性能得到大幅提高。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种焊接垫板，其特征在于，所述焊接垫板分为上垫板和下垫板，所述上垫板和下垫板均为长方体，所述下垫板为1个，所述上垫板至少为2个，所述上垫板内部设置有中空通道，所述中空通道开口于上垫板侧表面，所述开口即冷却剂填充孔，焊接前通过冷却剂填充孔向中空通道内填充冷却剂并进行密封；
所述下垫板上表面中间设置有贯通U型凹槽，所述U型凹槽内沿U型凹槽延伸方向设置有若干惰性气体出气孔，所述惰性气体出气孔等距分布；焊接时将待焊材料焊接熔合区置于所述凹槽上方，所述上垫板分置于待焊材料两侧，通过上垫板的共同夹持作用实现对待焊材料的夹紧固定；所述下垫板侧表面设置有惰性气体进气孔，所述惰性气体进气孔与所述惰性气体出气孔连通；所述下垫板内部沿所述U型凹槽对称设置有中空通道，所述中空通道开口于下垫板侧表面，所述开口即冷却剂填充孔，焊接前通过冷却剂填充孔向中空通道内填充冷却剂并进行密封；
优选的，所述焊接垫板为紫铜垫板或不锈钢垫板，进一步优选为紫铜垫板；
优选的，所述上垫板的中空通道为长方体结构，所述下垫板的中空通道为长方体结构；
优选的，所述冷却剂为液氮或去离子水，进一步优选为液氮；
本发明还公开了上述焊接垫板在镁/铝异种金属焊接中的应用。
一种镁/铝异种金属的焊接方法，包括如下步骤：
(1)将镁合金与铝合金待焊板材进行表面处理，除去油脂、污物；
(2)焊接采用对焊形式，将待焊镁合金与铝合金板材上、下表面均用上述焊接垫板进行固定；
(3)选用特定焊接工艺参数，用惰性气体保护焊对镁合金与铝合金板材进行异种合金焊接；焊接过程中镁合金与铝合金待焊板材上下表面均用惰性气体进行保护；
(4)焊接结束后，将焊接接头转移至加热装置中，进行退火和固溶处理。
优选的，所述镁合金为AZ31镁合金，所述铝合金为6061铝合金；
优选的，步骤(1)中表面处理方式具体为：首先用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材的油脂、污物；
优选的，步骤(2)中对待焊镁合金与铝合金板材进行固定的具体方式为：将待焊镁合金与铝合金板材放置于下垫板上，焊接熔合区置于下垫板上表面的凹槽上方，上垫板距离焊接熔合区10-20mm，之后夹紧、固定，如此可使待焊板材均匀受力，抑制变形；
优选的，步骤(3)中焊接工艺参数如下：电弧电压10～20V，交流柔性电流为120～200A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材下表面气体流量始终高于上表面气体流量，具体的，板材上表面气体流量15-20L/min，下表面气体流量20-25L/min；焊枪为与板材成100～105°夹角，焊接速度25-60cm/min。
进一步优选的，步骤(3)中焊接工艺参数如下：电弧电压15V，交流柔性电流为120A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材上表面气体流量15L/min，下表面气体流量20L/min；焊枪为与板材成100°夹角，焊接速度50cm/min。
优选的，步骤(4)中退火和固溶具体方式为：将焊接接头先在130～150℃下退火20～24h，消除焊接残余应力，而后在400～420℃下进行10～12h的固溶处理，进一步减少沉淀相数量。
本发明采用填充冷却剂的中空焊接垫板对待焊板材进行夹紧、固定。首先，有效减少了Mg17All2硬脆性金属间化合物的生成时间，提高了异种焊接头的机械强度。再者，对于长尺寸待焊板材而言，在焊接前半段产生的热量会传导至后半段，此时用一套焊接工艺进行焊接会造成前半段焊接质量良好，而后半段则可能因热输入较大，出现烧损、下榻等焊接缺陷。填充液氮的中空紫铜垫板的使用，可将焊接过程前半段传导至后半段的多余热量，有效散发，从而保证整个焊接过程的焊接工艺一致性，极大降低了焊接难度和焊接缺陷的产生。此外，还有效防止了焊接过程板材的热变形，减少了焊接热残余应力。
同时，在焊接过程中，对待焊板材下表面焊接区域采用适宜的气体流量，吹氩气保护，可防止焊接过程熔融金属与空气接触反应、产生焊缝夹杂物，并且下方保护气体可形成一定的气压，防止焊缝下榻。此外，通过被液氮冷却的气流可进一步提高热传导效率，减少金属间化合物的生成。而对焊接接头进行焊后处理，先进行退火处理，消除焊接残余应力，而后在进行固溶处理，进一步减少沉淀相数量。
本发明的有益效果：本发明通过焊接过程热控制及焊后热处理的双重效果，极大减少了硬脆性Mg17Al12金属间化合物的数量以及焊接残余应力，有效改善了焊接接头的焊接质量。
附图说明
图1为冷却式工装夹具示意图；
附图中，1.上垫板；2.下垫板；3.U型槽；4.惰性气体出气孔；5.镁合金与铝合金待焊板材；6.上垫板冷却剂填充孔；7.下垫板冷却剂填充孔；8.惰性气体进气孔；9.惰性钨极焊炬；10.下垫板内部填充液氮的中空通道；11.上垫板内部填充液氮的中空通道；12.氩气。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1
在自制工装夹具上对AZ31镁合金与6061铝合金轧制板材进行自动氩弧对焊：
(1)AZ31镁合金与6061铝合金轧制板材厚度均为2mm，尺寸均为50×110mm，焊前用钢刷去除表面氧化层，并用丙酮去除表面油脂、污物；
(2)在待焊焊板材置于紫铜下垫板上，焊接熔合区落在U型槽上方，而后在其上方两边对称放置紫铜上垫板。紫铜上下垫板内部均在焊前预先充入适量液氮。紫铜上垫板距离焊接熔合区15mm，之后夹紧、固定，如此可使待焊板材均匀受力，抑制变形(如图1所示)；
(3)如图1所示，采用对焊的方式进行进行钨极氩弧焊，焊接工艺参数选择如下：电弧电压15V，交流柔性电流为120A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材上表面气体流量15L/min，下表面气体流量20L/min。焊枪为与板材成100°夹角，焊接速度50cm/min；
(4)先在150℃下退火24h，消除焊接残余应力，而后在400℃下进行12h的固溶处理，进一步减少沉淀相数量。
实施例2
在自制工装夹具上对AZ31镁合金与5052铝合金轧制板材进行自动氩弧对焊：
(1)AZ31镁合金与5052铝合金轧制板材厚度均为3mm，尺寸均为70×120mm，焊前用钢刷去除表面除表面氧化层，并用丙酮去除表面油脂、污物。
(2)在待焊焊板材置于紫铜下垫板上，焊接熔合区落在U型槽上方，而后在其上方两边对称放置紫铜上垫板。紫铜上下垫板内部均在焊前预先充入适量液氮。紫铜上垫板距离焊接熔合区10mm，之后夹紧、固定，如此可使待焊板材均匀受力，抑制变形(如图1所示)；
(3)如图1所示，采用对焊的方式进行进行钨极氩弧焊，焊接工艺参数选择如下：电弧电压15V，AC为160A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材上表面气体流量17L/min，下表面气体流量23L/min。焊枪为与板材成100°夹角，焊接速度45cm/min。
(4)先在140℃下退火24h，消除焊接残余应力，而后在410℃下进行11h的固溶处理，进一步减少沉淀相数量。
实施例3
在自制工装夹具上对AZ80镁合金挤压板材与6061铝合金轧制板材进行自动氩弧对焊：
(1)AZ80镁合金与6061铝合金轧制板材厚度均为3.5mm，尺寸均为50×180mm，焊前用钢刷去除表面除表面氧化层，并用丙酮去除表面油脂、污物。
(2)在待焊焊板材置于紫铜下垫板上，焊接熔合区落在U型槽上方，而后在其上方两边对称放置紫铜上垫板。紫铜上下垫板内部均在焊前预先充入适量液氮。紫铜上垫板距离焊接熔合区10mm，之后夹紧、固定，如此可使待焊板材均匀受力，抑制变形(如图1所示)；
(3)如图1所示，采用对焊的方式进行进行钨极氩弧焊，焊接工艺参数选择如下：电弧电压17V，AC为180A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材上表面气体流量18L/min，下表面气体流量25L/min。焊枪为与板材成100°夹角，焊接速度40cm/min。
(4)先在130℃下退火24h，消除焊接残余应力，而后在420℃下进行12h的固溶处理，进一步减少沉淀相数量。
对比例1
方法同实施例1，唯一不同之处在于使用常规紫铜垫板代替本发明的自制紫铜垫板。对比例1得到的焊接接头同实施例1相比，焊接整体质量差，焊接表面有肉眼可见的裂纹和气孔，接头强度较实施例1焊接接头相比降低22.5％。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种镁/铝异种金属的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将镁合金与铝合金待焊板材进行表面处理，除去油脂、污物；
(2)焊接采用对焊形式，将待焊镁合金与铝合金板材上、下表面用焊接垫板进行固定；
(3)选用特定焊接工艺参数，用惰性气体保护焊对镁合金与铝合金板材进行异种合金焊接；焊接过程中镁合金与铝合金待焊板材上下表面均用惰性气体进行保护；
(4)焊接结束后，将焊接接头转移至加热装置中，进行退火和固溶处理；
其中，步骤(2)中焊接垫板，分为上垫板和下垫板，所述上垫板和下垫板均为长方体，所述下垫板为1个，所述上垫板至少为2个，所述上垫板内部设置有中空通道，所述中空通道开口于上垫板侧表面，所述开口即冷却剂填充孔，焊接前通过冷却剂填充孔向中空通道内填充冷却剂并进行密封；
所述下垫板上表面中间设置有贯通U型凹槽，所述U型凹槽内沿U型凹槽延伸方向设置有若干惰性气体出气孔，所述惰性气体出气孔等距分布；焊接时将待焊材料焊接熔合区置于所述凹槽上方，所述上垫板分置于待焊材料两侧，通过上垫板的共同夹持作用实现对待焊材料的夹紧固定；所述下垫板侧表面设置有惰性气体进气孔，所述惰性气体进气孔与所述惰性气体出气孔连通；所述下垫板内部沿所述U型凹槽对称设置有若干中空通道，所述中空通道开口于下垫板侧表面，所述开口即冷却剂填充孔，焊接前通过冷却剂填充孔向中空通道内填充冷却剂并进行密封；
所述焊接垫板为紫铜垫板；所述上垫板的中空通道为长方体或正方体结构，所述下垫板的中空通道为长方体或正方体结构；所述冷却剂为液氮；
对待焊镁合金与铝合金板材进行固定的具体方式为：将待焊镁合金与铝合金板材放置于下垫板上，焊接熔合区置于下垫板上表面的凹槽上方，上垫板距离焊接熔合区10-20mm，之后夹紧、固定；
步骤(3)中焊接工艺参数如下：电弧电压10～20V，交流柔性电流为120～200A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材下表面气体流量始终高于上表面气体流量，具体的，板材上表面气体流量15-20L/min，下表面气体流量20-25L/min；焊枪为与板材成100～105°夹角，焊接速度25-60cm/min；
步骤(4)中退火和固溶具体方式为：将焊接接头先在130～150℃下退火20～24h，消除焊接残余应力，而后在400～420℃下进行10～12h的固溶处理。
2.如权利要求1所述的一种镁/铝异种金属的焊接方法，其特征在于，所述镁合金为AZ31镁合金，所述铝合金为6061铝合金。
3.如权利要求1所述的一种镁/铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤(1)中表面处理方式具体为：首先用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材表面油脂、污物。
4.如权利要求1所述的一种镁/铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤(3)中焊接工艺参数如下：电弧电压15V，交流柔性电流为120A，采用纯度为99.9％的氩气进行保护，板材上表面气体流量15L/min，下表面气体流量20L/min；焊枪为与板材成100°夹角，焊接速度50cm/min。
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