CN108842151B - 一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的粉料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的粉料，属于材料加工中的焊接工艺技术领域。开发出一种包含WC、TiC、B4C、Al2O3、TiO2、TiN陶瓷粉料和金属Ni的混合熔覆粉料，其中粉料各组份的质量百分比为：WC：0.001～4.5％，TiC：0.7～2.1％，B4C：1.5～3.2％，Al2O3：4.2～6.7％，TiO2：5.4～7.8％，TiN：6.3％～8.4％，Ni为余量。激光熔覆粉料粒径为50～200μm。采用激光熔覆技术在镁合金焊接接头表面形成一层性能良好的含纳米相熔覆层，该熔覆层可有效提高镁合金焊接接头的机械性能和耐磨性能。

Description

一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的粉料
技术领域
本发明属于镁合金焊接技术领域，具体涉及一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的粉料。
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。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，在汽车领域具有广阔的应用前景。
焊接技术是扩大镁合金应用的关键技术之一。然而由于镁合金独特的物理化学性质，导致镁合金焊接难度较大，焊接过程易出现焊缝晶粒粗大、焊后残余应力较大、焊缝容易下塌等问题，焊接接头力学性能较差，严重制约了镁合金的工程应用。
激光熔覆技术是二十世纪九十年代末出现的一项新兴技术，它是用高能量密度的激光束将不同成份的粉料与基体表面快速熔化，从而在基材表面形成一层与基材具有完全不同成份和性能的表面防护层。激光熔覆由于加热速度快、熔覆层的组织均匀致密，微观缺陷较少，性能优异。此外，激光熔覆对基材热影响小，不容易引起基材畸变，还具有绿色环保等优势。
陶瓷粉末材料具有高硬度、高强度及较好的耐磨耐蚀性能，可作为增强粒子。目前国内外通过激光熔覆技术将陶瓷粉末作为增强相进行基材增强的研究还主要集中在钢材领域。将各种高硬度的陶瓷颗粒与金属粉料混合组成金属陶瓷复合粉料则不仅能体现陶瓷粉末的高硬、高强特性，还能有效减少脆裂，提高熔覆层与基材的结合力，是一种改善基材物理性能的有效方法。
发明内容
本发明针对镁合金焊接接头存在的共性问题，引入了激光熔覆技术对镁合金焊接接头进行表面改性，并基于镁合金独特的物理化学性质，在大量实验的基础上，开发出了一种新型的激光熔覆金属-陶瓷混合粉料，通过在焊缝表面熔覆生成一种表面纳米相改性层，大幅改善了焊接接头的力学性能和耐磨性能。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的金属-陶瓷粉料，由如下重量百分数的原料组成：WC：0.001～4.5％，TiC：0.7～2.1％，B4C：1.5～3.2％，Al2O3：4.2～6.7％，TiO2：5.4～7.8％，TiN：6.3％～8.4％，Ni为余量。
在一些实施例中，由如下重量百分数的原料组成：WC：0.001～2.5％，TiC：0.7～1.4％，B4C：1.5～2.4％，Al2O3：4.2～5.5％，TiO2：5.4～6.6％，TiN：6.3％～7.5％，Ni为余量。
在一些实施例中，由如下重量百分数的原料组成：WC：2.5～4.5％，TiC：1.4～2.1％，B4C：2.4～3.2％，Al2O3：5.5～6.7％，TiO2：6.6～7.8％，TiN：7.5％～8.4％，Ni为余量。
在一些实施例中，所述粉料粒径50～200μm。
本发明还提供了一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的方法，包括：
采用物理方法对镁合金焊接接头进行表面处理；
采用任一上述的金属-陶瓷粉料作为激光熔覆粉末对镁合金焊接接头的焊缝及热影响区进行激光熔覆；
表面熔覆结束后，将焊接接头转移至加热装置中，进行热处理。
在一些实施例中，所述表面处理的具体步骤为：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等其他有机杂质。
在一些实施例中，所述激光熔覆工艺参数如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1～2cm，送粉口径为2～3mm，送粉喷嘴与母材成40～60°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为4～7L/min和8～11L/min；激光器离焦量为13～21mm，激光功率在1400W～2600W之间，激光光斑为2.5～4mm，扫描速度为0.3m/min～0.7m/min。
在一些实施例中，所述热处理方式为：将焊接接头在130～150℃下退火16～24h，消除焊接残余应力，进一步提高熔覆层的综合性能。
本发明还提供了任一上述的方法焊接的镁合金。
本发明的有益效果在于，针对镁合金的物理化学性质，开发出了一种以金属粉末Ni为粘结剂，包含多种陶瓷粉末的混合粉料，具体包含WC、TiC、B4C、Al2O3、TiO2、TiN和金属Ni的混合粉料。通过激光熔覆技术将金属-陶瓷混合粉料在焊缝周边区域形成一层防护层，改善镁合金焊接接头的物理性能。WC、TiC、Al2O3陶瓷粉末颗粒，具有硬度高、耐磨性好等特点，能够极大提升熔覆层的耐磨性能，但脆性较大、单独使用容易开裂甚至剥落。参考Mg合金相图，并考虑到不同金属热膨胀系数的差异，引入金属Ni作为粘结剂，组成金属-陶瓷混合粉料，能够在保持WC、TiC、Al2O3颗粒原有陶瓷性能的同时，大幅提高熔覆粉料与Mg基体的浸润性能，使得熔覆粉料与Mg基体产生良好的结合力。而B4C、TiO2、TiN粉料则能够在激光熔覆过程中，作为晶粒的形核点，大幅细化熔覆层及基体表面重熔Mg合金的晶粒尺寸，提高熔覆层的力学性能。
本发明实施方案简单，所得防护层组织致密，晶粒细小，并含有纳米级增强相，可大幅提高镁合金焊接接头的力学性能和耐磨性能，抗拉强度可提高15％～20％，断后延伸率提高10％以上，耐磨性能提高3～5倍，对于扩大镁合金的工程应用具有重要意义。
附图说明
图1是实施例1利用激光熔覆技术将所配金属-陶瓷混合粉料在AZ31B镁合金焊缝表面进行熔覆后的微观组织图。
图2是实施例2利用激光熔覆技术将所配金属-陶瓷混合粉料在AM60镁合金焊缝表面进行熔覆后的微观组织图。
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，下述说明仅为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
本发明提供了一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的方法，包括：
采用物理方法对镁合金焊接接头进行表面处理；
选定合适的工艺参数对焊缝及热影响区进行激光熔覆；
激光熔覆结束后，将焊接接头转移至加热装置中，进行热处理；
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，再用丙酮清理板材表面油脂等其他有机杂质；
优选的，步骤(2)中激光熔覆工艺参数如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1～2cm，送粉口径为2～3mm，送粉喷嘴与母材成40～60°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为4～7L/min和8～11L/min。激光器离焦量为13～21mm，激光功率在1400W～2600W之间，激光光斑为2.5～4mm，扫描速度为0.3m/min～0.7m/min。
进一步优选的，步骤(2)中所用的金属-陶瓷混合粉料成份为：WC、TiC、B4C、Al2O3、TiO2、TiN和金属Ni的混合粉料。其中粉料各组份的质量百分比为：WC：0.001～4.5％，TiC：0.7～2.1％，B4C：1.5～3.2％，Al2O3：4.2～6.7％，TiO2：5.4～7.8％，TiN：6.3％～8.4％，Ni为余量。激光熔覆粉料粒径为50～200μm。
优选的，步骤(4)中热处理方式为：将焊接接头在130～150℃下退火16～24h，消除焊接残余应力，进一步提高熔覆层的综合性能。
实施例1
首先对AZ31B镁合金轧制板材进行自动氩弧对焊：
(1)AZ31B镁合金轧制板材厚度均为3mm，尺寸均为50×110mm；
(2)焊后对用砂纸、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以去除各种杂质；
(3)如图1所示对AZ31B镁合金焊接接头焊缝及热影响区进行激光熔覆；激光熔覆工艺如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为2cm，送粉口径为3mm，送粉喷嘴与母材成60°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为6L/min和9L/min。激光器离焦量为11mm，激光功率为1600W，激光光斑为3mm，扫描速度为0.45m/min。
(4)激光熔覆过程所用金属-陶瓷混合粉料配比选择如下：WC：2.5％，TiC：1.4％，B4C：1.8％，Al2O3：5.4％，TiO2：6.1％，TiN：6.7％，Ni为余量。激光熔覆粉料粒径为50～200μm。
(5)在140℃下退火12h，消除焊接残余应力，提升焊接接头的综合性能。
利用激光熔覆技术将所配金属-陶瓷混合粉料在AZ31B镁合金焊缝表面进行熔覆，其微观组织如图1所示，AZ31B镁合金焊接接头的抗拉强度由284MPa提高至325MPa，断后延伸率有17.2％提高至19.6％。
切取激光熔覆前后焊缝区域样品进行耐磨性能测试，结果表明不同于基体磨损表面深而宽的犁沟，熔覆层出现了以磨粒磨损为特征的细小犁沟，熔覆层相对于基体的耐磨性提高了4.27倍。
实施例2
首先对AM60镁合金轧制板材进行激光对焊：
(1)AM60镁合金轧制板材厚度均为4mm，尺寸均为60×120mm；
(2)焊后对用砂纸、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以去除各种杂质；
(3)如图1所示对AM60镁合金焊接接头焊缝及热影响区进行激光熔覆；激光熔覆工艺如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1.5cm，送粉口径为3.5mm，送粉喷嘴与母材成55°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为7L/min和10L/min。激光器离焦量为14mm，激光功率为1800W，激光光斑为3mm，扫描速度为0.5m/min。
(4)激光熔覆过程所用混合粉料配比选择如下：WC：3.1％，TiC：1.8％，B4C：1.9％，Al2O3：4.9％，TiO2：5.7％，TiN：6.8％，Ni为余量。激光熔覆粉料粒径为50～200μm。
(5)在150℃下退火18h，消除焊接残余应力，提升焊接接头的综合性能。
利用激光熔覆技术将所配金属-陶瓷混合粉料在AM60镁合金焊缝表面进行熔覆，其微观组织如图2所示，AM60镁合金焊接接头的抗拉强度由261MPa提高至303MPa，断后延伸率有16.1％提高至18.3％。
切取激光熔覆前后焊缝区域样品进行耐磨性能测试，结果表明不同于基体磨损表面深而宽的犁沟，熔覆层出现了以磨粒磨损为特征的细小犁沟，熔覆层相对于基体的耐磨性提高了3.86倍。
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仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的粉料，其特征在于，由如下重量百分数的原料组成：WC：0.001～4.5％，TiC：0.7～2.1％，B4C：1.5～3.2％，Al2O3：4.2～6.7％，TiO2：5.4～7.8％，TiN：6.3％～8.4％，Ni为余量。
2.如权利要求1所述的粉料，其特征在于，由如下重量百分数的原料组成：WC：0.001～2.5％，TiC：0.7～1.4％，B4C：1.5～2.4％，Al2O3：4.2～5.5％，TiO2：5.4～6.6％，TiN：6.3％～7.5％，Ni为余量。
3.如权利要求1所述的粉料，其特征在于，由如下重量百分数的原料组成：WC：2.5～4.5％，TiC：1.4～2.1％，B4C：2.4～3.2％，Al2O3：5.5～6.7％，TiO2：6.6～7.8％，TiN：7.5％～8.4％，Ni为余量。
4.如权利要求1所述的粉料，其特征在于，所述粉料粒径50～200μm。
5.一种激光熔覆成形改善镁合金焊接接头的方法，其特征在于，包括：
采用物理方法对镁合金焊接接头进行表面处理；
采用权利要求1-4任一项所述的粉料作为激光熔覆粉末对镁合金焊接接头的焊缝及热影响区进行激光熔覆；
激光熔覆结束后，将焊接接头转移至加热装置中，进行热处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表面处理的具体步骤为：首先用砂纸、钢刷机械方法去除镁合金焊接接头表面氧化层，再用丙酮清理镁合金焊接接头表面油脂。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆工艺参数如下：激光熔覆采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到镁合金焊接接头表面距离为1～2cm，送粉口径为2～3mm，送粉喷嘴与镁合金焊接接头成40～60°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为4～7L/min和8～11L/min。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，熔覆过程中，激光器离焦量为13～21mm，激光功率在1400W～2600W之间，激光光斑为2.5～4mm，扫描速度为0.3m/min～0.7m/min。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理方式为：将熔覆后的镁合金焊接接头在130～150℃下退火16～24h。
10.权利要求5-9任一项所述的方法激光熔覆的镁合金焊接接头。
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