CN108393561A - 一种用于az31b镁合金薄板的焊接装置及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置及焊接方法，该技术方案由一竖直向下的MIG焊枪和一倾斜向下的TIG焊枪构成，其中MIG焊枪由一恒压电源供电、构成主路，与TIG焊枪及焊件构成旁路耦合，流经焊丝的总电流由旁路电流和母材输入电流两部分组成，旁路电流可以起到分流作用，从而缓解高速焊接时电熔敷率和母材热输入过大等问题。在此基础上，本发明针对AZ31B镁合金的材质特征对保护嘴、焊丝、待焊接板材、钨极等组件的结构特征进行了限定，显著提升了针对AZ31B镁合金薄板的焊接效果。

Description

一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及镁合金焊接技术领域，具体涉及一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置及焊接方法。
背景技术
镁合金是以镁为基础加入其他元素构成的合金材料，具有密度小、强度高、弹性模量大、散热好、消震性好等技术优势，目前已广泛应用于包括通信、汽车等行业在内的诸多领域。镁合金的可靠连接是实现其广泛应用的一项技术前提，而焊接作为一种金属连接方法，是镁合金连接的优良选择。然而，镁合金的焊接性能比较差，焊接时易发生塌陷或者烧穿，出现咬边、气孔、裂纹等一系列焊接缺陷，难以达到可靠连接的目的。
非熔化极DE-GMAW是近年来发展出的一种高速焊接方法。非熔化极DE-GMAW本质上是常规MIG的改良，具备常规MIG焊接质量好，生产率高和适用范围广等一系列优点，而且能够实现在减少母材热输入的同时达到高速焊接。迄今为止，关于镁合金MIG焊的实践研究相对较少，尤其是镁合金非熔化极DE-GMAW的探索还没出现。而在此类焊接方法中，不同金属材料的自身特征对焊接工艺参数的确定具有直接影响，因此，其他金属材料的MIG焊接工艺或非熔化极DE-GMAW焊接工艺无法直接转用于镁合金材料，相互之间也不具有直接的借鉴意义。
在这种情况下，有必要围绕AZ31B镁合金的材料特征来研究与之相匹配的非熔化极DE-GMAW焊接方法，以期实现AZ31B镁合金的高速高效焊接。具体来看，镁化学性质很活泼、易氧化且导热性良好，因此，保护效果强、热量集中的方法可能得到质量高的焊接接头。镁合金在焊接过程中主要涉及热裂纹、晶粒粗大、氧化、氮化与蒸发、气孔、烧穿、热应力、飞溅、焊缝下塌等技术问题。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置及焊接方法，以解决现有技术中常规焊接方法用于AZ31B镁合金薄板连接时，焊缝位置易发生塌陷、烧穿、咬边、气孔、裂纹等缺陷的技术问题。
本发明要解决的另一技术问题是现有技术中常规焊接方法难以实现AZ31B镁合金薄板的可靠连接。
本发明要解决的再一技术问题是现有技术中缺乏一种适用于AZ31B镁合金薄板的非熔化极DE-GMAW焊接方法。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，包括一竖直向下的MIG焊枪，一与所述MIG焊枪呈43°夹角的TIG焊枪，所述MIG焊枪的下端为保护嘴，所述保护嘴下端连接有焊丝，待焊接的AZ31B镁合金薄板位于所述MIG焊枪的下方，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为16～22mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述TIG焊枪的下端为钨极，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为1～4mm；所述MIG焊枪由一恒压电源供电，在该供电电路上、MIG焊枪的两端并联有一旁路，所述旁路上串联有所述MIG焊枪和一恒流电源，所述旁路的电流为125～170A，所述恒压电源的电压为20～24V；MIG焊枪与TIG焊枪固定连接在一小车上，所述小车位于一导轨上，所述小车由一步进电机驱动，所述小车以2.8～3m/min的速度沿所述导轨匀速移动。
作为优选，待焊接的AZ31B镁合金薄板的焊缝与所述MIG焊枪所在直线、所述TIG焊枪所在直线，三者位于同一平面上。
作为优选，所述装置还包括霍尔传感器、LabVIEW软件和数据采集卡，其中霍尔传感器检测所述供电电路及所述旁路的电流或电压值，所述数据采集卡将所述电流或电压值以数据形式采集并传输至LabVIEW软件，所述LabVIEW软件以可视化界面显示数据。
作为优选，所述TIG焊枪的钨极直径为3.2mm，所述TIG焊枪的保护气流量是25L/min。
作为优选，所述待焊接的AZ31B镁合金薄板为矩形，其长、宽、厚分别为165mm、50mm及2.3mm。
作为优选，所述焊丝的直径为1.2mm。
同时，本发明提供了应用上述装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法：该方法属于堆焊，其中所述旁路的电流为125～170A，所述恒压电源的电压为20～24V，所述小车以2.8～3m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为16～22mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为1～4mm。
在以上技术方案中，所述AZ31B镁合金薄板亦称为AZ31B镁合金板，汉字“薄”仅用于对板材的形状起到描述性作用、并不构成对待焊接板材技术特征的限定作用，也就是说，任一符合本领域中AZ31B镁合金技术定义的待焊接板材，均属于本发明方法可作用的对象。
在以上技术方案中，所述堆焊具有本领域中公知的技术含义，因此上述焊接方案是在本领域公知的堆焊方法基础上，通过限定以上技术特征而得到的完整技术方案。
在以上技术方案中，所述AZ31B镁合金薄板，可以是具有以下成分特征的任一板材：
表1AZ31B板材的化学成分(wt.％)
所述AZ31B镁合金薄板的力学性能如表2所示：
表2
作为优选，所述保护气为氩气。
作为优选，所述霍尔传感器是广东雅达电子股份有限公司出品的、型号为YDG-HTD-7的霍尔电流变送器。
作为优选，所述数据采集卡是北京阿尔泰科技发展有限公司出品的、型号为PCI8735的数据采集卡。
作为优选，所述待焊接的AZ31B镁合金薄板的下方具有耐热材料的垫板。
本发明提供了一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置及焊接方法，该技术方案由一竖直向下的MIG焊枪和一倾斜向下的TIG焊枪构成，其中MIG焊枪由一恒压电源供电、构成主路，与TIG焊枪及焊件构成旁路耦合，流经焊丝的总电流由旁路电流和母材输入电流两部分组成，旁路电流可以起到分流作用，从而缓解高速焊接时电熔敷率和母材热输入过大等问题。在此基础上，本发明针对AZ31B镁合金的材质特征对保护嘴、焊丝、待焊接板材、钨极等组件的结构特征进行了限定，显著提升了针对AZ31B镁合金薄板的焊接效果。
本发明通过镁合金非熔化极DE-GMAW的工艺参数对滴过渡、电弧稳定性、焊缝成形、焊缝微观组织与力学性能影响的分析，得出非熔化极DE-GMAW能在减小熔滴尺寸，提高熔滴过渡频率的同时降低母材的热输入，实现稳定且飞溅少的镁合金焊接，获得质量高成形好的焊缝。
本发明中，由于旁路电流能够加快焊丝的熔化，使熔滴下落频率得以上升，减小熔滴尺寸，所以，非熔化极DE-GMAW焊能达到比常规MIG更高的焊接速度，在高速焊接时也能保证得到连续焊缝。同时，由于旁路电弧能够分流一部分的总电流，所以，通过增大旁路电流可以达到减小母材电流，最终减少母材热输入的目的，所以非熔化极DE-GMAW适用于薄板焊接。
附图说明
图1是本发明实施例1中焊接装置的结构示意图。
图2是本发明实施例1中焊接装置在焊接部位处的局部位置参数图。
图3是本发明实施例1中焊缝的扫描电镜图。
图4是本发明实施例1中焊缝的XRD分析图。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
以下实施例中所用的试验试剂耗材，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值；以下实施例中的％，如无特别说明，均为质量百分含量。
实施例1
实验1：
1.1原材料的选用
使用变形AZ31B板材作为母材，尺寸为165mm×50mm×2.3mm；AZ31B主要成分与力学性能见表1与表2。填充材料选择与AZ31B板材相同材质的AZ31B焊丝，焊丝规格是Ф1.2mm。AZ31B焊丝的主要成分见表3。保护气为99.99％的纯氩气。
1.2焊接方法及设备的选用
实验采用NDE-GMAW焊对AZ31B平板施以堆焊(图1)。主路恒压MIG焊接电源采用的是NB-350IGBT型逆变式MIG焊机，该焊机为多特性、多用途设计，适用于多种焊接方法与多种材料的焊接，其性能参数见表4；旁路恒流TIG电源采用的是WS-250S型直流TIG焊机，该设备引弧容易而且能量比较集中，适用于不锈钢、合金钢、碳钢、铜与其他有色金属焊接，其性能参数如表5。MIG焊枪和TIG焊枪以一定的夹角固定在焊接小车支架上，焊枪之间的位置关系可自由调节，该支架可进行空间三维运动；实验时可通过调节焊接小车步进电机的驱动电压改变焊接小车的移动速度从而改变焊接速度，母材下表面施以垫板进行焊接。本实验采用如下焊接工艺参数：总电流Itotal＝210A、焊接电压U＝24V、保护嘴至工件距离d＝18mm、焊丝末端至工件距离d1＝3mm、钨极末端至工件距离d2＝3mm、焊丝末端至钨极末端距离d3＝2mm、焊接速度V＝2.9m/min、焊枪夹角θ＝43°、旁路电流Ibp为115、120、125、130、135A，以5A变化量递增，设置5组实验研究旁路电流影响熔滴下落方式及电弧的稳定性的规律(图2)。钨极直径是3.2mm，气流量是25L/min。
表4 MIG焊接电源性能参数
表5 TIG焊接电源性能参数
1.3焊接结果
一定范围内，旁路电流和电弧电压增加，电弧稳定性增强，熔滴的尺寸变小，下落频率提高，但电弧电压对熔滴下落的影响并不明显；焊丝干伸长和钨极末端至工件距离增大，电弧稳定性降低，熔滴尺寸减小，钨极末端至工件距离对熔滴过渡影响很小；钨极末端至焊丝末端距离增大，电弧稳定性先提高后降低，过渡频率提高但影响很小。
实验2：
采用与实验1相同的材料和方法，使用变形AZ31B板材作为母材，尺寸为165mm×50mm×2.3mm。
在一定范围内，熔深随焊接速度、焊丝干伸长、钨极末端至工件距离、电弧电压、旁路电流的增大而逐渐减小；熔宽随旁路电流、电弧电压增大而逐渐增加；随钨极末端至工件距离、焊丝干伸长的增大先增加后减小；随焊接速度的提高而逐渐减小；余高随旁路电流的增大而逐渐增大，随焊接速度的增大而减小；随电弧电压、焊丝干伸长、钨极末端至工件距离的增大，余高先增大后减小；成形系数随旁路电流、电弧电压、焊接速度、干伸长、钨极末端至工件距离的增大而逐渐增大；余高系数随电弧电压和焊丝干伸长的增大，先减小后增大；钨极末端至工件距离增大，余高系数就越小；随着焊接速度提高而增加；旁路电流值升高，其值略微减小。
实验3：
采用与实施例1相同的材料和方法，使用变形AZ31B板材作为母材，尺寸为165mm×50mm×2.3mm。
AZ31B镁合金非熔化极DE-GMAW焊缝组织晶界处弥散分布着β相且晶粒内部也存在着少部分β相(图3、图4)；由于熔透焊缝底部的导热较差且散热面积较小，高温停留时间较长，其底部的晶粒较未熔透焊缝底部的粗大。随着旁路电流、焊接速度、钨极末端至工件距离、焊丝干伸长度的增大，焊缝晶粒尺寸逐渐减小，析出相减少。离焊缝中心距离变大，焊缝平均显微硬度呈先降低后升高趋势；Ibp值增大，焊缝热输入减少，过冷度增加，焊缝平均显微硬度升高；在一定范围内，随着焊接速度、钨极末端至工件距离和焊丝干伸长增大，平均显微硬度减小后增大。
本发明的创新点在于，提供结构简单、制作容易、安全可靠、实用性强的AZ31B镁合金薄板连接方法。可以有效地解决镁合金在焊接过程中主要涉及热裂纹、晶粒粗大、氧化、氮化与蒸发、气孔、烧穿、热应力、飞溅、焊缝下塌等问题。
实施例2
一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，包括一竖直向下的MIG焊枪，一与所述MIG焊枪呈43°夹角的TIG焊枪，所述MIG焊枪的下端为保护嘴，所述保护嘴下端连接有焊丝，待焊接的AZ31B镁合金薄板位于所述MIG焊枪的下方，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为16mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3mm，所述TIG焊枪的下端为钨极，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为1mm；所述MIG焊枪由一恒压电源供电，在该供电电路上、MIG焊枪的两端并联有一旁路，所述旁路上串联有所述MIG焊枪和一恒流电源，所述旁路的电流为125A，所述恒压电源的电压为20V；MIG焊枪与TIG焊枪固定连接在一小车上，所述小车位于一导轨上，所述小车由一步进电机驱动，所述小车以2.8m/min的速度沿所述导轨匀速移动。
在以上技术方案的基础上，满足以下条件：
所述装置还包括霍尔传感器、LabVIEW软件和数据采集卡，其中霍尔传感器检测所述供电电路及所述旁路的电流或电压值，所述数据采集卡将所述电流或电压值以数据形式采集并传输至LabVIEW软件，所述LabVIEW软件以可视化界面显示数据。
同时，本实施例提供了应用以上装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法，该方法属于堆焊，其中所述旁路的电流为125A，所述恒压电源的电压为20V，所述小车以2.8m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为16mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为1mm。
实施例3
一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，包括一竖直向下的MIG焊枪，一与所述MIG焊枪呈43°夹角的TIG焊枪，所述MIG焊枪的下端为保护嘴，所述保护嘴下端连接有焊丝，待焊接的AZ31B镁合金薄板位于所述MIG焊枪的下方，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为22mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为6mm，所述TIG焊枪的下端为钨极，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为6mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为4mm；所述MIG焊枪由一恒压电源供电，在该供电电路上、MIG焊枪的两端并联有一旁路，所述旁路上串联有所述MIG焊枪和一恒流电源，所述旁路的电流为170A，所述恒压电源的电压为24V；MIG焊枪与TIG焊枪固定连接在一小车上，所述小车位于一导轨上，所述小车由一步进电机驱动，所述小车以3m/min的速度沿所述导轨匀速移动。
在以上技术方案的基础上，满足以下条件：
待焊接的AZ31B镁合金薄板的焊缝与所述MIG焊枪所在直线、所述TIG焊枪所在直线，三者位于同一平面上。
所述TIG焊枪的钨极直径为3.2mm，所述TIG焊枪的保护气流量是25L/min。
所述待焊接的AZ31B镁合金薄板为矩形，其长、宽、厚分别为165mm、50mm及2.3mm。
所述焊丝的直径为1.2mm。
同时，本实施例提供了应用以上装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法，该方法属于堆焊，其中所述旁路的电流为170A，所述恒压电源的电压为24V，所述小车以3m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为22mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为6mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为6mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为4mm。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，其特征在于包括一竖直向下的MIG焊枪，一与所述MIG焊枪呈43°夹角的TIG焊枪，所述MIG焊枪的下端为保护嘴，所述保护嘴下端连接有焊丝，待焊接的AZ31B镁合金薄板位于所述MIG焊枪的下方，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为16～22mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述TIG焊枪的下端为钨极，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为1～4mm；所述MIG焊枪由一恒压电源供电，在该供电电路上、MIG焊枪的两端并联有一旁路，所述旁路上串联有所述MIG焊枪和一恒流电源，所述旁路的电流为125～170A，所述恒压电源的电压为20～24V；MIG焊枪与TIG焊枪固定连接在一小车上，所述小车位于一导轨上，所述小车由一步进电机驱动，所述小车以2.8～3m/min的速度沿所述导轨匀速移动。
2.根据权利要求1所述的一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，其特征在于待焊接的AZ31B镁合金薄板的焊缝与所述MIG焊枪所在直线、所述TIG焊枪所在直线，三者位于同一平面上。
3.根据权利要求1所述的一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，其特征在于所述装置还包括霍尔传感器、LabVIEW软件和数据采集卡，其中霍尔传感器检测所述供电电路及所述旁路的电流或电压值，所述数据采集卡将所述电流或电压值以数据形式采集并传输至LabVIEW软件，所述LabVIEW软件以可视化界面显示数据。
4.根据权利要求3所述的一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，其特征在于所述TIG焊枪的钨极直径为3.2mm，所述TIG焊枪的保护气流量是25L/min。
5.根据权利要求4所述的一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，其特征在于所述待焊接的AZ31B镁合金薄板为矩形，其长、宽、厚分别为165mm、50mm及2.3mm。
6.根据权利要求5所述的一种用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置，其特征在于所述焊丝的直径为1.2mm。
7.应用权利要求1所述装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法，其特征在于：该方法属于堆焊，其中所述旁路的电流为125～170A，所述恒压电源的电压为20～24V，所述小车以2.8～3m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为16～22mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为3～6mm，所述钨极下端到焊丝下端的距离为1～4mm。
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