CN108406053A - 一种焊接装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊接装置及其应用，该技术方案首先基于双弧焊接技术设计了一种适用于AZ31B镁合金薄板的焊接装置。该装置由MIG焊枪和水冷TIG焊枪以特定倾角相对固定，同时限定了焊枪的供电模式以及焊枪末端、焊丝末端、板材的相互位置关系。在此基础上，本发明设计了一套用于AZ31B镁合金薄板的焊接方法，该方法先对待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC，再以特定的电压、电流、速度执行焊接。由于硅能提高镁合金的抗蠕变性和高温流动性，而且硅和基体镁所生成的Mg₂Si主要分布在晶界处，具有钉扎作用，能有效阻止晶粒长大，因此该焊接方法能有效改善焊缝质量，不仅杜绝了塌陷、烧穿、咬边、气孔、裂纹等缺陷，而且焊缝的显微硬度、抗拉强度得到显著提升。

Description

一种焊接装置及其应用

技术领域

本发明涉及镁合金焊接技术领域，具体涉及一种焊接装置及其应用。

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， 而焊接以其操作的便捷性、连接的可靠性成为了镁合金连接的一种重要选择，然 而，受限于镁合金自身理化性能以及目前的焊接工艺水平，其焊接接头会出现诸 如气孔、粗晶、下榻、氧化等缺陷，因此，目前的焊接工艺水平极大影响了镁合 金的应用。

双弧焊接技术是近年来发展出的一种新型焊接工艺，通过两种电弧的复合来 实现高速高质量的焊接。TIG(钨极惰性气体保护焊)与MIG(熔化极惰性气 体保护电弧焊)两种焊接工艺是焊接领域最普遍最廉价的焊接方法。这两种电弧 复合具有焊接速度快，成型质量高，热输入小，焊缝深宽比较小，价格低廉，因 此有望改善镁合金薄板在常规焊接方法中所存在的焊缝缺陷。然而，具体到 AZ31B型镁合金的实际焊接中发现，常规的TIG-MIG方法所得焊缝质量较差， 显微硬度、抗拉强度等指标不理想。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种焊接装置及其应用，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TIG-MIG双弧焊工艺用于AZ31B镁合金薄 板焊接时焊缝质量较差，显微硬度、抗拉强度等指标不理想。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种焊接装置，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，所述保护嘴下端到待焊 接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B 镁合金薄板的竖直距离为5mm，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5mm，所述焊丝下端到钨极下端的距 离为2mm；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；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。

作为优选，所述TIG焊枪为水冷焊枪，所述水冷焊枪由焊枪本体、进水管、 水泵、出水管组成，其中进水管与出水管连接构成水流通管路，水泵串联在所述 水流通管路上，所述水流通管路流经焊枪本体。

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20L/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。

作为优选，还包括焊机送丝机，所述焊丝由所述焊丝送丝机输送。

作为优选，所述保护气为氩气；该焊接装置还包括氩气瓶、气流阀、导气管， 所述导气管一端与氩气瓶连接、另一端连接至MIG焊枪处，气流阀串联在所述 导气管上。

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，包括以 下步骤：先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC， 而后利用所述装置对待焊接位置执行堆焊，在堆焊过程中，流经焊丝的电流为 220A，所述恒压电源的电压为22V，所述旁路的电流为160A，所述小车以 2.5m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴下端到待焊接的AZ31B镁合 金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖 直距离为5mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为5mm， 所述焊丝下端到钨极下端的距离为2mm。

作为优选，SiC的涂覆量为1.51mg/cm²或3.04mg/cm²或5.87mg/cm²或 7.64mg/cm²。

作为优选，所述先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC，包括以下步骤：

1)用砂纸打磨AZ31B镁合金薄板的待焊接位置，而后用丙酮擦拭所述待焊 接位置；

2)取SiC粉末加入至丙酮中得到悬浊液，用该悬浊液涂覆至所述待焊接位 置，而后待丙酮挥发完全。

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1 AZ31B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，所述焊丝的化学成为如表3所示：

作为优选，所述AZ31B镁合金薄板的下方具有耐热材料的垫板。

本发明提供了一种焊接装置及其应用，属于镁合金焊接技术领域。该技术方 案首先以双弧焊接技术为基础，围绕AZ31B镁合金薄板的焊接需求设计了一种 专用的焊接装置。该装置由MIG焊枪和水冷TIG焊枪以特定倾角相对固定，同 时限定了焊枪的供电模式以及焊枪末端、焊丝末端、板材的相互位置关系。在此 基础上，本发明设计了一套用于AZ31B镁合金薄板的焊接方法，该方法先对待 焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC，再以特定的电压、电流、焊接速度执行 焊接。由于硅能提高镁合金的抗蠕变性和高温流动性，而且硅和基体镁在焊接条 件下反应所生成的Mg₂Si主要分布在晶界处，具有钉扎作用，能有效阻止晶粒长 大，因此该焊接方法能有效改善焊缝质量，不仅杜绝了塌陷、烧穿、咬边、气孔、裂纹等缺陷，而且焊缝的显微硬度、抗拉强度得到显著提升。

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，添加不同量SiC所得焊缝的XRD分析图。

图4是本发明实施例1中，添加不同量SiC所得焊缝的显微硬度。

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。活性剂为稀碳化硅(SiC)粉末。

1.2焊接方法及设备的选用

实验采用非熔化极DE-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。

本实验先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC， 而后利用该装置对待焊接位置执行堆焊，其焊接工艺参数如下：总电流I_total＝220 A、焊接电压U＝22V、旁路电流I_bp为160A；保护嘴至工件距离d＝18mm、 焊丝末端至工件距离d₁＝5mm、钨极末端至工件距离d₂＝5mm、焊丝末端至钨 极末端距离d₃＝2mm、焊接速度V＝2.5m/min、焊枪夹角θ＝43°(图2)；钨 极直径是3.2mm，保护气流量是20L/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

未添加活性剂的焊缝表面光滑规则且鱼鳞纹特征明显，而添加SiC以后的焊 缝表面形貌不如未添加活性剂的焊缝；随着SiC粉末的添加，焊缝表面凹凸不平， 熔宽发生波动，并且在焊缝过程中出现焊瘤(q＝3.04mg/cm²)、断弧 (q＝5.87mg/cm²)、咬边(q＝5.87mg/cm²，q＝7.64mg/cm²)、偏移(q＝7.64mg/cm²) 等缺陷。熔宽在实验过程中变化不大，熔深随着SiC的添加先增加后减小。

SiC粉末也会在保护气流与电弧作用下散逸在电弧氛围中，但SiC颗粒不导 电，在电弧氛围内会干扰电弧稳定性，影响焊接过程的成型，所以得到的焊缝表 面形貌不如未添加好。由于碳化硅颗粒的加入，可能使得熔池中金属的流动方向 发生改变，使得熔池液态金属由横向流动变为纵向流动，增大了焊缝熔池，但当 添加量达到q＝7.64mg/cm²时，熔池中存在较多的SiC颗粒，在熔池边界温度较 低，液体流动性不高，在边界处的SiC颗粒就会严重阻碍金属的流动，使得焊缝 熔深相应的减小。

实验2：

采用与实验1相同的材料和方法。

如图3所示，在添加SiC颗粒以后，焊缝中的XRD衍射峰角度于未添加 的接头一致，说明焊缝中没有新的物相产生，而只是存在α-Mg和β-Mg₁₇Al₁₂两 种相。SiC能细化接头的晶粒，但当添加量大于3.04mg/cm²时，SiC颗粒对接 头的细化作用有所降低。同时SiC颗粒能促进焊缝中β-Mg₁₇Al₁₂相弥散分布。 实验3：

采用与实验1相同的材料和方法。

添加不同剂量的SiC陶瓷颗粒以后的接头显微硬度如图4所示。添加SiC与 否的接头显微硬度均高于母材。添加SiC以后，接头的显微硬度由明显的提升， 并且随着添加量的增加，焊缝中的显微硬度在不断增加，热影响区的硬度受SiC 添加量影响不大。

添加SiC以后，对接头有一定的细化晶粒作用。根据霍尔—佩奇关系，焊接 接头中晶粒越细，显微硬度越高。测定显微硬度时，探头压入测量点时，会使压 入点金属发生位错滑移，而晶界的存在能有效阻止滑移的发生。一般而言，晶粒 尺寸越小，单位体积内晶界量就越多，所以位错滑移需要的能量就越多，即需要 的力就越大，所以接头的显微硬度就越大。同时由于实验中的SiC陶瓷颗粒度较 小(7um)，并且SiC的硬度很高，所以对于接头的显微硬度有很大的提升。 实验4：

采用与实验1相同的材料和方法。

如表6所示，当添加量少于q＝7.64mg/cm²，接头的断裂位置均发生在热影 响区，说明热影响区是接头弱化区；而在添加量达到q＝7.64mg/cm²时，断裂就 发生在焊缝区。添加量在1.51mg/cm²到5.87mg/cm²范围内，随着SiC的添加， 接头抗拉强度在提升，但添加量达到3.04mg/cm²以后再增加SiC的添加量对接 头的抗拉强度影响不大，在添加量为5.87mg/cm²时，抗拉强度最大，为母材的 97.76％。当添加量为7.64mg/cm²时，接头的抗拉强度有所下降。接头的抗拉强 度主要受接头的晶粒大小以及析出相的颗粒度和弥散程度影响。在SiC的添加量 小于7.64mg/cm²，由于SiC对接头的细晶强化作用和对弥散强化作用(促进 β-Mg₁₇Al₁₂相弥散分布，以及SiC颗粒的弥散分布)使得接头的拉伸性能有所提 高。而在添加量为7.64mg/cm²时，由于熔池中颗粒量过大，阻碍了熔池金属的 流动，不利于SiC颗粒的弥散分布，同时使得晶粒有一定程度的长大，所以在 q＝7.64mg/cm²时，接头的抗拉强度有所下降，且断裂区发生在焊缝区。

表6添加不同量SiC所得焊缝的抗拉强度及断裂位置

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，所述保护嘴下端到待焊 接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B 镁合金薄板的竖直距离为5mm，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5mm，所述焊丝下端到钨极下端的距 离为2mm；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；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。

在以上技术方案的基础上，满足以下条件：

所述TIG焊枪为水冷焊枪，所述水冷焊枪由焊枪本体、进水管、水泵、出 水管组成，其中进水管与出水管连接构成水流通管路，水泵串联在所述水流通管 路上，所述水流通管路流经焊枪本体。

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20L/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。

该装置还包括焊机送丝机，所述焊丝由所述焊丝送丝机输送。

所述保护气为氩气；该焊接装置还包括氩气瓶、气流阀、导气管，所述导气 管一端与氩气瓶连接、另一端连接至MIG焊枪处，气流阀串联在所述导气管上。

同时，本实施例还提供了应用上述装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法，包 括以下步骤：先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC， 而后利用所述装置对待焊接位置执行堆焊，在堆焊过程中，流经焊丝的电流为220A，所述恒压电源的电压为22V，所述旁路的电流为160A，所述小车以 2.5m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴下端到待焊接的AZ31B镁合 金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖 直距离为5mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为5mm， 所述焊丝下端到钨极下端的距离为2mm。

其中，SiC的涂覆量为1.51mg/cm²或3.04mg/cm²或5.87mg/cm²或7.64mg/cm²。

其中，所述先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的 SiC，包括以下步骤：

1)用砂纸打磨AZ31B镁合金薄板的待焊接位置，而后用丙酮擦拭所述待焊 接位置；

2)取SiC粉末加入至丙酮中得到悬浊液，用该悬浊液涂覆至所述待焊接位 置，而后待丙酮挥发完全。

实施例3

一种焊接装置，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，所述保护嘴下端到待焊 接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B 镁合金薄板的竖直距离为5mm，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5mm，所述钨极焊丝下端到钨极下端 的距离为2mm；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；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。

同时，本实施例还提供了应用上述装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法，包 括以下步骤：先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC， 而后利用所述装置对待焊接位置执行堆焊，在堆焊过程中，流经焊丝的电流为 220A，所述恒压电源的电压为22V，所述旁路的电流为160A，所述小车以 2.5m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴下端到待焊接的AZ31B镁合 金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖 直距离为5mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为5mm， 所述焊丝下端到钨极下端的距离为2mm。

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 (10)

1.一种焊接装置，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，所述保护嘴下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为5mm，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5mm，所述焊丝下端到钨极下端的距离为2mm；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；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。

2.根据权利要求1所述的一种焊接装置，其特征在于所述TIG焊枪为水冷焊枪，所述水冷焊枪由焊枪本体、进水管、水泵、出水管组成，其中进水管与出水管连接构成水流通管路，水泵串联在所述水流通管路上，所述水流通管路流经焊枪本体。

3.根据权利要求1所述的一种焊接装置，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20L/min。

4.根据权利要求1所述的一种焊接装置，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。

5.根据权利要求1所述的一种焊接装置，其特征在于所述焊丝的直径为1.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种焊接装置，其特征在于还包括焊机送丝机，所述焊丝由所述焊丝送丝机输送。

7.根据权利要求3所述的一种焊接装置，其特征在于所述保护气为氩气；该焊接装置还包括氩气瓶、气流阀、导气管，所述导气管一端与氩气瓶连接、另一端连接至MIG焊枪处，气流阀串联在所述导气管上。

8.应用权利要求1所述装置焊接AZ31B镁合金薄板的方法，其特征在于包括以下步骤：先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC，而后利用所述装置对待焊接位置执行堆焊，在堆焊过程中，流经焊丝的电流为220A，所述恒压电源的电压为22V，所述旁路的电流为160A，所述小车以2.5m/min的速度沿所述导轨匀速移动，所述保护嘴下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为18mm，所述焊丝下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为5mm，所述钨极下端到待焊接的AZ31B镁合金薄板的竖直距离为5mm，所述焊丝下端到钨极下端的距离为2mm。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于SiC的涂覆量为1.51mg/cm²或3.04mg/cm²或5.87mg/cm²或7.64mg/cm²。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述先对AZ31B镁合金薄板的待焊接位置涂覆不超过7.64mg/cm²的SiC，包括以下步骤：

1)用砂纸打磨AZ31B镁合金薄板的待焊接位置，而后用丙酮擦拭所述待焊接位置；

2)取SiC粉末加入至丙酮中得到悬浊液，用该悬浊液涂覆至所述待焊接位置，而后待丙酮挥发完全。