CN110860790A - 一种镁锂合金激光焊接方法及其采用的复合保护气 - Google Patents

一种镁锂合金激光焊接方法及其采用的复合保护气 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镁锂合金激光焊接方法及其采用的复合保护气。所述复合保护气包括均匀混合的氦气、氩气和六氟化硫气体。所述镁锂合金激光焊接方法，包括：将两件镁锂合金待焊工件拼接在一起形成待焊接的焊缝；在所述焊缝的下端设置通气槽，并在所述通气槽内设置用于连接保护气的通气管；在所述通气管上铺设一层镁锂合金粉末；在所述保护气的保护下采用激光焊接方式进行激光焊接。本发明使得镁锂合金焊缝表面氧化及焊缝塌陷情况得到显著改善，焊缝内部气孔明显减少，显著提高了焊缝质量。

Description

一种镁锂合金激光焊接方法及其采用的复合保护气
技术领域
本发明涉及镁锂合金激光焊接技术领域，特别是涉及一种镁锂合金激光焊接方法及其采用的复合保护气。
背景技术
镁锂合金作为最轻的金属功能材料具有密度小、比强度高、比刚度高及阻尼减震性电子屏蔽性好等特点，被认为是军工、航天、汽车及电子产品领域的理想结构减重材料。随着镁合金结构件的应用领域不断扩大，解决镁锂合金的连接问题变得迫在眉睫。因此，其也受到了极大的关注和重视。
镁锂合金中主要成分一般包括镁元素、锂元素、铝元素、锌元素、铁元素、金元素和硅元素。周所周知，镁、锂、铝、锌等元素的化学性质极其活泼，焊接过程中极易出现氧化产生氧化皮现象；氧化皮的产生会导致镁锂合金焊接完成后焊缝内部极易出现氧化夹渣、气孔等缺陷，表现在焊接表面则为焊接面塌陷、出现裂纹等问题，从而严重影响焊缝质量。
塌陷缺陷主要出现的的原因主要是焊接时热输入参量调控过大，镁锂合金的熔点、沸点较常规金属低，激光穿透板材后熔池中部分元素蒸发、氧化，造成熔池内金属黏度变大流动性下降，熔池凝固时速度快，液态金属难以及时填充焊接匙孔，最终导致焊缝塌陷；而产生焊接气孔的主要原因有镁锂合金表面清理不洁净，存在氧化层、油污等杂质源；焊接裂纹在镁锂合金中一般是由于元素偏析以及焊缝氧化导致的基体塑性降低。
除此之外，目前镁锂合金焊接过程中，惰性气体保护对于焊接气孔、裂纹的抑制具有重要的作用。常见的激光焊接惰性保护气体一般采用工业级Ar气体作为保护气体，纯度在99.9％以上，该气体对于常见钛合金、不锈钢、铝合金等常规材料具有良好的气体保护作用。但是对于镁锂合金这种极易氧化的金属材料，采用纯度在99.9％以上的工业级Ar气保护时，极易在焊接过程中吸氢、吸氧氧化。
鉴于目前镁锂合金激光焊接时极易因为氧化问题产生气孔、裂纹、塌陷等焊接缺陷，现有保护气体难以满足镁锂合金高质量焊接需求的情况。如何提供一种保护效果好、适用于镁锂合金激光焊接的保护气以及如何提供一种使得镁锂合金焊缝表面氧化及焊缝塌陷情况得到显著改善焊缝内部气孔明显减少的激光焊接方法是本领域技术人员需要亟需亟需解决的技术难题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例第一方面提供了一种保护效果好、适用于镁锂合金激光焊接的复合保护气。包括均匀混合的氦气、氩气和六氟化硫气体，有该保护气保护情况下进行激光焊接得到的焊接缝隙不易产生气孔、裂纹，大大提高了焊接的内部质量。
本发明实施例第二方面提供一种具有本发明实施例第一方面保护气的镁锂合金激光焊接方法，在所述保护气的保护下采用激光焊接方式进行激光焊接，使得镁锂合金焊缝表面氧化及焊缝塌陷情况得到显著改善。
(2)技术方案
本发明的实施例第一方面提出了一种激光焊接用保护气，包括均匀混合的氦气、氩气和六氟化硫气体；所述氦气、所述氩气和所述六氟化硫气体的体积比为2:1:1。
进一步地，所述氦气、所述氩气以及所述六氟化硫气体的纯度均不低于99.99％。
本发明的实施例第二方面提出了一种采用本本发明实施例第一方面任一项所述复合保护气的镁锂合金激光焊接方法，包括：
将两件镁锂合金待焊工件拼接在一起形成待焊接的焊缝；
在所述焊缝的下端设置通气槽，并在所述通气槽内设置用于连接保护气的通气管；
在所述通气管上铺设一层镁锂合金粉末；
在所述保护气的保护下采用激光焊接方式进行激光焊接。
进一步地，所述镁锂合金粉末与所述镁锂合金待焊工件成分相同。
进一步地，所述镁锂合金粉末的粒度不低于100目。
进一步地，铺设在所述通气槽中的所述镁锂合金粉末的厚度为2mm，宽度与所述通气槽等宽，长度不小于所述焊缝的长度。
进一步地，所述通气槽沿着所述焊缝的长度方向设置。
(3)有益效果
综上，本发明提出的复合保护气，一方面能将待焊接部位与空气隔开，减少与空气接触面积，降低被氧化的几率；另一方面，保护气中的六氟化硫气体能与常见的活泼金属元素，如镁、锂、铝、锌等反应形成致密的保护层，阻碍待焊接部件进一步被氧化。由此得到的焊接缝隙不易产生气孔、裂纹，大大提高了焊接的内部质量。
除此之外，本发明通过镁锂合金激光焊接方法的实施具有实施过程简单的优点，使得镁锂合金焊缝表面氧化及焊缝塌陷情况得到显著改善，焊缝内部气孔明显减少，显著提高了焊缝质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例第一方面的一种镁锂合金待焊工件激光焊接的结构示意图。
图2是经过本发明实施例所示焊接方法焊接的焊缝探伤结果图。
图3是对照组的焊缝探伤结果图。
图中：镁锂合金待焊工件1、通气槽2、通气管3、镁锂合金粉末4、焊接模具胎体5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图1-附图3并结合实施例来详细说明本申请。
本发明实施例第一方面的一种激光焊接用的复合保护气，包括均匀混合的氦气、氩气和六氟化硫气体；所述氦气、所述氩气和所述六氟化硫气体的体积比为2:1:1。
具体地，目前常见的激光焊接用保护气采用工业级的惰性保护气体，如纯度99.9％的氩气，氩气作为保护气对于常见钛合金、不锈钢、铝合金等常规材料具有良好的气体保护作用，但是对于镁锂合金这种极易氧化的金属材料，采用纯度99.9％的氩气保护时，极易在焊接过程中吸氢、吸氧而发生氧化。鉴于该背景知识，本发明实施例采用均匀混合的氦气、氩气和六氟化硫气体作为保护气，激光焊接时六氟化硫气体(SF6)在高温下与镁锂合金中的镁元素(Mg)、空气中的氧气(O2)发生反应，形成致密的氟化镁(MgF2)保护膜，氟化镁保护膜附着在镁锂合金表面阻止镁元素与空气中的氧元素(O)反应，进而可以避免镁锂合金表面进一步氧化。具体的化学式如下所示：
2Mg(液体)+O2+SF6—2MgF2(固体)+SO2F2
而镁元素由于其很活泼在激光焊接过程中也会与空气中的氧气发生反应，生成氧化镁(MgO)，而氧化镁也可以与六氟化硫发生反应生成致密的氟化镁保护膜。具体的化学式如下所示：
2Mg(液体)+O2—2MgO(固体)
2MgO(固体)+SF6—2MgF2(固体)+SO2F2
由此可见，本发明实施例中的六氟化硫可以与镁锂合金中的镁元素以及由镁元素反应生成的氧化镁发生反应，生成致密的氟化镁保护膜阻碍了锂合金表面进一步氧化，从而解决了由氧化带来的镁锂合金在焊接过程易产生气孔、裂纹等缺陷问题。
而本发明中的氦气、氩气作为惰性气体，起到激光焊接用载气的目的，将焊接区域与周围空气隔开的目的，减少焊接区域与空气中氧气接触的机会，从而降低待焊接部件(可以为镁锂合金)发生氧化的水平。
除此之外，焊接过程中六氟化硫不仅可以与镁元素反应，还可以与待焊接部件，如镁锂合金中的其他活泼金属元素反应，如锂、铝、锌等，而恰好镁锂合金中富含有锂、铝、锌元素，六氟化硫可以进一步与锂、铝、锌元素反应形成致密的保护层，降低氧化的概率。
综上所述，本发明实施例所述的复合保护气一方面能将待焊接部位与空气隔开，减少与空气接触面积，降低被氧化的几率；另一方面保护气中的六氟化硫气体能与常见的活泼金属元素，如镁、锂、铝、锌等反应形成致密的保护层，阻碍待焊接部件进一步被氧化。由此得到的焊接缝隙不易产生气孔、裂纹，大大提高了焊接的内部质量，可广泛应用于军工、航天、汽车及电子产品领域。
进一步地，本发明实施例第一方面的复合保护气中氦气、所述氩气以及所述六氟化硫气体的纯度均不低于99.99％。可以理解的是，氦气、氩气和六氟化硫气体的纯度越高，混入到焊接部位的氧气则越少，从而待焊接部件被氧气氧化的几率则越少，因此氦气、氩气和六氟化硫气体的浓度越高越少，而经过实验和实践证明，当纯度均不低于99.99％时，焊缝被氧化的概率则很小，焊接的产品质量则更符合要求。
本发明实施例第二方面的一种镁锂合金激光焊接方法，可以包括：首先将两件镁锂合金待焊工件1拼接在一起形成待焊接的焊缝；然后在所述焊缝的下端设置通气槽2，并在所述通气槽2内设置用于连接保护气的通气管3；接着在所述通气管3上铺设一层镁锂合金粉末4；最后在所述保护气的保护下采用激光焊接方式进行激光焊接。
参阅附图1所示，本发明实施例中为便于加工可以将两件镁锂合金待焊工件1放置在焊接模具胎体5上，两件镁锂合金待焊工件1拼接在一起形成待焊接的焊缝，为便于在焊缝周围充装本发明实施例第一方面任一项所述的保护气，在焊接模具胎体上设置通气槽2，通气槽2内设置连接保护气的通气管3，并且将焊缝设置在通气管3的上方；随后在通气管3上铺设一层镁锂合金粉末4；一切准备就绪开启通气装置，向通气管3内通入保护气，然后开启激光焊接设备对焊缝进行焊接。
在本发明实施例中，首先通入的复合保护气一方面能将待焊接部位与空气隔开，减少与空气接触面积，降低被氧化的几率；另一方面保护气中的六氟化硫气体能与常见的活泼金属元素，如镁、锂、铝、锌等反应形成致密的保护层，阻碍待焊接部件进一步被氧化，由此得到的焊接缝隙不易产生气孔、裂纹，大大提高了焊接的内部质量。除此之外，在通气管3与焊缝之间铺设的镁锂合金粉末4可以在焊接过程中附着在焊缝周围，一旦发生焊缝塌陷时，镁锂合金粉末可以补充到塌陷区域中，使得焊缝塌陷情况得到显著的改善；同时，镁锂合金粉末4可以补充到融化焊缝内部的气孔中，减少气孔的存在，大大提高了焊缝外部的质量；而且镁锂合金粉末4可以与保护气形成反应，生产的氟化物致密保护层附着在焊缝上，避免焊缝受氧化。
进一步的，作为本发明第二方面一实施例的镁锂合金激光焊接方法中镁锂合金粉末4与所述镁锂合金待焊工件1成分相同。镁锂合金粉末4与镁锂合金待焊工件1成分相同有利于镁锂合金粉末4充分混合进镁锂合金待焊工件1中，避免两种成分不同的物质在一起混合后理化性质不一致带来的不利效果。
具体地，本发明实施例中，镁锂合金粉末4的粒度一般不低于100目。镁锂合金粉末4粒径越细，在焊接时焊缝融化过程中其融入到焊缝中则更加的均匀，可以融入中焊缝中细小的气孔中；其与氟化物反应则可以性质致密的保护层附着在镁锂合金待焊工件1上。
进一步的，作为本发明第二方面又一实施例的镁锂合金激光焊接方法中铺设在通气槽2中的镁锂合金粉末4的厚度可以为2mm，宽度可以与通气槽2等宽，长度一般不小于焊缝的长度。
首先，镁锂合金粉末4的厚度不宜太厚，太厚时镁锂合金粉末4堆积在一起比较重，保护气难以将其吹到焊缝上，从而不利于消除气孔和避免塌陷，除此之外，太厚容易造成浪费。另外，镁锂合金粉末4的厚度如果太薄不能满足焊接过程的需求，当镁锂合金粉末4的厚度在2mm周围时，其可以确保焊接过程的顺利进行，又不会造成很多浪费。
镁锂合金粉末4与通气槽2等宽可以确保镁锂合金粉末4能覆盖到通气槽2内所有区域，该区域一般也是焊接时焊缝的区域。最后，镁锂合金粉末4长度一般不小于焊缝的长度可以确保镁锂合金粉末4能覆盖住整个焊缝区域，确保焊缝长度范围内焊接效果一致性较好。
具体地，本发明实施例的镁锂合金激光焊接方法中通气槽2沿着焊缝的长度方向设置。这样保护气可以保护住整个焊缝，镁锂合金粉末4能能覆盖住整个焊缝区域。
为便于说明本发明实施例，下面采用对照试验的方式进行说明：
实验组采用1.5mm厚的镁锂合金作为焊接母材，采用刮削研磨方式将镁锂合金制备成粒度100目的粉末。将纯度99.99％的氦气、氩气以及六氟化硫气体充分混合，其中氦气、氩气以及六氟化硫气体三者气体体积比为2:1:1，形成混合气备用。激光焊接时采用焊接试片装配前，将制备成的镁锂合金粉末4铺放在焊接模具胎体5的通气槽2内。镁锂合金粉末4铺设长度与待焊工件等长，铺设厚度2mm，宽度与气体保护槽2等宽。激光焊接时，焊缝正面同轴保护气、焊缝背面(也就是通气管3)均充入混合气体，气体流量25mL/min，焊接过程中持续充入。采用焊接功率2000W，焊接速度3m/min进行激光拼接试验。
对照组也采用1.5mm厚的镁锂合金作为焊接母材，采用刮削研磨方式将镁锂合金制备成粒度100目以上的粉末或金属屑。将纯度99.9％的氩气作为保护气备用。激光焊接时，焊缝正面同轴保护气、焊缝背面(也就是通气管3)均充入混合气体，气体流量25mL/min，焊接过程中持续充入。采用焊接功率2000W，焊接速度3m/min进行激光拼接试验。
试验后采用X光机对实验组和对照组的焊缝分别进行探伤，探伤结果分别见附图2和附图3所示，由附图2和附图3对比结果可知，本发明实施例所示方法得到实验组的焊缝内部气孔数量较对照组的数量减少50％了以上，焊缝无塌陷，焊缝质量明显高于对照组。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种镁锂合金激光焊接用的复合保护气，其特征在于，包括均匀混合的氦气、氩气和六氟化硫气体；所述氦气、所述氩气和所述六氟化硫气体的体积比为2:1:1。
2.根据权利要求1所述的一种镁锂合金激光焊接用的复合保护气，其特征在于，所述氦气、所述氩气以及所述六氟化硫气体的纯度均不低于99.99％。
3.一种镁锂合金激光焊接方法，采用权利要求1-2任一项所述的复合保护气，其特征在于，包括：
将两件镁锂合金待焊工件拼接在一起形成待焊接的焊缝；
在所述焊缝的下端设置通气槽，并在所述通气槽内设置用于连接保护气的通气管；
在所述通气管上铺设一层镁锂合金粉末；
在所述保护气的保护下采用激光焊接方式进行激光焊接。
4.根据权利要求3所述的一种镁锂合金激光焊接方法，其特征在于，所述镁锂合金粉末与所述镁锂合金待焊工件成分相同。
5.根据权利要求3或4所述的一种镁锂合金激光焊接方法，其特征在于，所述镁锂合金粉末的粒度不低于100目。
6.根据权利要求3所述的一种镁锂合金激光焊接方法，其特征在于，铺设在所述通气槽中的所述镁锂合金粉末的厚度为2mm，宽度与所述通气槽等宽，长度不小于所述焊缝的长度。
7.根据权利要求3所述的一种镁锂合金激光焊接方法，其特征在于，所述通气槽沿着所述焊缝的长度方向设置。
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