CN106513942B - 一种镁合金焊缝表面纳米化装置及方法 - Google Patents

一种镁合金焊缝表面纳米化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁合金焊缝表面纳米化装置及方法，包括送板滚轮组、焊枪、水激冷装置、喷丸装置、焊接平台、整形滚轮组，焊枪和喷丸装置设置在镁合金板材的上方，焊枪内设置有自主研发的镁合金焊丝，水激冷装置设置在镁合金板材的下方，滚轮组将母材送入焊接通道，然后采用钨极氩弧焊接方法将母材进行对接焊，对已经焊接完成的焊缝进行水激冷和喷丸处理，本发明的镁合金焊丝促进非平衡凝固焊接接头组织内部强化相的弥散析出，水激冷装置对刚刚形成的熔池有快速冷却的作用，细化晶粒，提高了镁合金焊缝的力学性能。

Description

一种镁合金焊缝表面纳米化装置及方法
技术领域
本发明专利属于焊接工艺领域，具体地，涉及一种镁合金焊缝表面纳米化装置及方法。
背景技术
焊接技术是镁合金产品制造的关键加工技术，但镁合金焊接性能不好，很难实现可靠连接。为此镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接，成为制约镁合金应用的技术瓶颈和亟待解决的关键技术之一。镁合金焊接接头的可靠性已成为其应用的迫切问题，目前镁合金正在应用于众多承力结构件的制造，如汽车制造业中镁合金方向盘骨架、动力系统自动变速箱、油底、镁合金管材汽车底盘等。这些承力结构件的焊接接头强度、塑性及疲劳性能等问题是产品安全可靠性的最基本而又最重要的评价指标。资料表明，在镁合金焊接结构的失效中，许多事故是由于焊接接头的断裂造成的。在实际工程应用中，许多焊接结构都是在交变的动载荷下服役的，此时如果仅仅考虑焊接接头的静载抗拉强度或屈服强度，那么焊接结构很容易在正常服役期间就发生失效断裂，引起较大的工程事故，所以在结构设计时必须充分考虑焊接接头在交变载荷下的疲劳强度性能，而对于镁合金焊接结构而言，疲劳断裂也是其失效的一种主要形式，由疲劳裂纹引起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的80％以上。镁合金焊接结构在工程应用中会受到各种振动、脉动载荷或交变载荷的作用，这些载荷对其使用的安全性和工作寿命的威胁极大，会引起结构的疲劳裂纹形核和微裂纹扩展，特别是镁合金熔焊接头。
在镁合金焊接技术中，解决其焊接接头强韧性，是确保镁合金焊接结构应用的一个必要条件。目前已有研究采用了不同的焊接方法和手段来消除或减弱镁合金焊接接头的上述缺点，但是这些方法对上述问题的解决能力非常有限。由于镁合金具有高导热率、大膨胀系数、更低的熔点和沸点等特性，使得在镁合金焊缝及近缝区易产生过热组织且晶粒粗大，这种粗大晶粒会直接影响接头的力学性能，镁还能与空气中的氮气强烈化合形成脆性氮化物，降低接头的力学性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种镁合金焊缝表面纳米化方法及装置，可以使焊接接头的焊缝获得一定的延展，既能降低残余应力，同时可以细化晶粒，大大提高了焊接接头的强度及塑性，特别是镁合金焊接接头的疲劳性能。
本发明的技术方案为：一种镁合金焊缝表面纳米化装置，包括送板滚轮组、焊枪、水激冷装置、焊接平台、整形滚轮组，送板滚轮组与整形滚轮组之间设置有焊接平台，焊接平台上设置有待焊接的镁合金板材，焊枪设置在镁合金板材的上方，焊枪内设置有钨极和镁合金焊丝，水激冷装置设置在镁合金板材的下方。
进一步地，所述镁合金焊丝成分为：Mn:2.0-3.1％，Ce:1.6-2.6％，Al:6.8-8.2％，Ti:1.6-2.2％，其余为Mg。
进一步地，所述钨极端部用砂轮打磨成半球形，其直径为2.5mm。
进一步地，所述焊枪的喷嘴直径设为7mm，电弧高度设为4mm。
进一步地，所述水激冷装置设置在焊枪的右侧60-80mm位置处，水激冷装置中的水管直径设置为5-8mm，水压设置为0.2-0.3Mpa。
一种基于镁合金焊缝表面纳米化装置的镁合金焊缝表面纳米化方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)待焊接的母材选择镁合金板材；
(2)焊接前清除待焊区域的污染物；
(3)使用自主研发的镁合金焊丝通过钨极氩弧焊接方法对板材进行焊接；
(4)对已经焊接完成的焊缝进行水激冷与喷丸处理。
进一步地，所述步骤(1)中的待焊接的母材的厚度为2-4mm。
进一步地，所述步骤(3)中焊接时在母材正面施焊1层。
进一步地，所述步骤(4)中喷丸、水激冷与焊接同步。
本发明的有益效果为：
(1)刚刚焊接完成的焊缝，经过水激冷后，焊缝组织得到细化，消除了柱状晶，焊接接头主要呈现细晶粒组织；
(2)可以在一定程度上消除外形的不连续性和应力集中现象，实现焊缝向母材平缓过渡；
(3)在镁合金焊接接头产生较大塑性变形，细化接头表面晶粒，在接头横截面方向形成上表面细晶粒密度大，中间密度小的梯度组织，提高了表面硬度；
(4)使收缩的镁合金焊缝金属获得延展，可以校正变形并调节内应力的分布，可以减弱或消除焊接残余应力；
(5)减弱或消除气孔和微裂纹等缺陷；镁合金焊接接头处产生较大压应力。
本发明的创新点在于运用了自主研发的镁合金焊丝，高温动态塑性变形促进非平衡凝固焊接接头组织内部强化相的弥散析出，同时通过水激冷装置进一步细化组织，使焊接接头处产生梯度晶粒，从而使焊接接头的上表面晶粒细小达到纳米级，表面硬度大幅度提高，这样既保证了强度，同时又保证了塑性。
附图说明
图1一种镁合金焊缝表面纳米化装置得出结构示意图；
图2焊缝经表面纳米化处理后的镁合金焊接接头的金相组织图片；
图3焊缝未经表面纳米化处理的镁合金焊接接头的金相组织图片；
图4母材、焊态接头、经纳米化处理的焊接接头的力学性能曲线图谱。
具体实施方式
为了能更好的了解本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
如图1所示，一种镁合金焊缝表面纳米化装置，包括送板滚轮组1、焊枪2、水激冷装置3、喷丸装置4、焊接平台5、整形滚轮组6。
送板滚轮组1的上下两个送板滚轮正对设置，镁合金板材通过送板滚轮组将镁合金板材送入焊接通道；整形滚轮组6的上下两个整形滚轮亦正对设置，整形滚轮组1将焊接后的镁合金板材移出焊接通道。送板滚轮组1与整形滚轮组6之间为焊接区域，焊接区域内设置有焊接平台5，焊接平台5上设置有待焊接的镁合金板材。
试验采用TPS4000数字化氩弧焊/钎焊多功能焊接设备进行手工焊接，TPS4000数字化氩弧焊/钎焊多功能焊接设备连接有焊枪2，焊枪2内设置有钨极和焊丝，钨极端部用砂轮打磨成半球形，其直径为2.5mm，焊枪2的喷嘴直径设为7mm，电弧高度设为4mm。焊枪2设置在镁合金板材的上方。本发明提供一种自发研制的镁合金焊丝，其成分与普通的镁合金焊丝的成分不同，自发研制的镁合金焊丝成分为：Mn:2.0-3.1％，Ce:1.6-2.6％，Al:6.8-8.2％，Ti:1.6-2.2％，其余为Mg。
镁合金板材的下方设置有水激冷装置3，水激冷装置3设置在焊枪2的右侧60-80mm位置处。水激冷装置3中的水压设置为0.2-0.3Mpa，水管直径设置为5-8mm。在距离焊枪2的右侧150-200mm位置处设置有喷丸装置4。
本发明提供了一种镁合金焊缝表面纳米化方法，具体包括如下步骤：
(1)母材的选择
母材选用Mg-Al系AZ31镁合金板材，母材尺寸设置为2000mm×600mm×2mm，本发明适合处理母材的厚度在2-4mm。母材的主要化学成分及力学性能见表1和表2：
表1 AZ31镁合金的化学成分(wt.％)
表2 AZ31镁合金的力学性能
(2)焊接前的准备
用上述尺寸相同的2块母材组成1副对接焊试板，焊接试板开60°的V型坡口，根部间隙控制在3～4mm。用丙酮清除试板表面的油污，将焊接区域20-30mm以内用砂纸打磨至露出金属光泽，坡口面经刮削清除氧化膜，保证在焊接开始前的待焊区域没有污染物。
(3)焊接、水激冷、喷丸同步进行
由送板滚轮组1将对接焊试板送入焊接通道，然后采用钨极氩弧焊接方法对接焊，实施焊接时在镁合金板材正面施焊1层，启动水激冷装置3和喷丸装置4，对已经焊接完成的焊缝进行水激冷和喷丸处理，在焊接过程中，保持焊接、水激冷、喷丸同步进行。其中，焊接速度与喷丸运动速度设置为3-6mm/s。水激冷对刚刚形成的熔池有快速冷却的作用，细化晶粒，喷丸对已凝固成型的焊缝进行大尺度塑性变形，对镁合金焊缝表面起到硬化作用，进一步细化了焊接接头表面组织，提高了镁合金焊缝的力学性能。
(4)压制整形
整形滚轮组6对已经喷丸后的焊缝进行压制整形，整形滚轮组6施加压力180Mpa，进一步提高焊缝外观质量和力学性能。
图2和图3分别为焊缝经纳米化处理后的镁合金焊接接头的金相组织图片及焊缝未经纳米化处理的镁合金焊接接头的金相组织图片。由图2可以看出，纳米化处理后的镁合金焊接接头焊缝区晶粒非常细小。在近表面处，发生了一定的孪晶现象，且有许多小晶粒出现，生成的小晶粒主要出现在晶界和孪晶界处，小晶粒呈类似于长条状排列。由表面到中间层表现出梯度组织。
图4为母材、焊态接头、纳米处理后的焊接接头的力学性能曲线图谱，由图4可知，焊态接头的抗拉强度通常在150～180MPa之间，仅有母材金属抗拉强度的70％～84％。纳米处理后的焊接接头的抗拉强度可达225.8MPa，而AZ31镁合金母材(无焊缝)的抗拉强度实测结果为212.5MPa，说明焊接接头经纳米处理后，抗拉强度已超过母材金属，镁合金接头表面硬度也提高至54HV，主要是由于表面纳米化工艺产生的硬化作用。
AZ31镁合金钨极氩弧焊经纳米处理后的焊接接头的各种力学性能指标均优于焊态接头，主要原因是通过自主研发的镁合金焊丝、水激冷作用，高温动态塑性变形促进非平衡凝固焊接接头组织内部强化相的弥散析出，使镁合金焊接接头的强度和塑性均优于焊态接头，超过母材性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种镁合金焊缝表面纳米化装置，其特征在于：包括送板滚轮组、焊枪、水激冷装置、喷丸装置、焊接平台、整形滚轮组，送板滚轮组与整形滚轮组之间为焊接区域，焊接区域内设置有焊接平台，焊接平台上设置有待焊接的镁合金板材，送板滚轮组的上下两个送板滚轮正对设置，将镁合金板材送入焊接通道，焊枪设置在镁合金板材的上方，焊枪内设置有钨极和镁合金焊丝，水激冷装置设置在镁合金板材的下方，水激冷装置设置在焊枪的右侧，焊枪右侧还设置有喷丸装置，整形滚轮组的上下两个整形滚轮正对设置，对经喷丸后的焊缝进行压制整形，并将焊接后的镁合金板材移出焊接通道。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金焊缝表面纳米化装置，其特征在于：所述镁合金焊丝成分为：Mn：2.0-3.1％，Ce：1.6-2.6％，Al：6.8-8.2％，Ti：1.6-2.2％，其余为Mg。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金焊缝表面纳米化装置，其特征在于：所述钨极端部用砂轮打磨成半球形，其直径为2.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金焊缝表面纳米化装置，其特征在于：所述焊枪的喷嘴直径设为7mm，电弧高度设为4mm。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金焊缝表面纳米化装置，其特征在于：所述水激冷装置设置在焊枪的右侧60-80mm位置处，水激冷装置中的水管直径设置为5-8mm，水压设置为0.2-0.3Mpa。
6.根据权利要求1所述的一种镁合金焊缝表面纳米化装置，其特征在于：所述喷丸装置设置在焊枪的右侧150-200mm位置处，所述喷丸装置对焊缝进行的压制整形是一种高温动态塑性变形，镁合金板材通过镁合金焊丝、水激冷和所述的高温动态塑性变形可促进非平衡凝固焊接接头组织内部强化相的弥散析出，使镁合金焊接接头的强度和塑性均优于焊态接头，超过母材性能。
7.一种基于权利要求1所述的镁合金焊缝表面纳米化装置的镁合金焊缝表面纳米化方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)待焊接的母材选择镁合金板材；
(2)焊接前清除待焊区域的污染物；
(3)送板滚轮组的上下两个送板滚轮正对设置，将镁合金板材送入焊接通道；
(4)使用镁合金焊丝通过钨极氩弧焊接方法对板材进行焊接，所述镁合金焊丝成分为：Mn:2.0-3.1％，Ce:1.6-2.6％，Al:6.8-8.2％，Ti:1.6-2.2％，其余为Mg；
(5)启动水激冷装置和喷丸装置，对已经焊接完成的焊缝进行水激冷和喷丸处理；
(6)整形滚轮组的上下两个整形滚轮亦正对设置，对经喷丸后的焊缝进行压制整形，并将焊接后的镁合金板材移出焊接通道。
8.根据权利要求7所述的镁合金焊缝表面纳米化方法，其特征在于：所述步骤(1)中的待焊接的母材的厚度为2-4mm。
9.根据权利要求7所述的镁合金焊缝表面纳米化方法，其特征在于：所述步骤(4)中焊接时在母材正面施焊1层。
10.根据权利要求7所述的镁合金焊缝表面纳米化方法，其特征在于：所述步骤(5)中喷丸、水激冷与焊接同步。
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