CN113953670A - 一种异种金属拼焊板的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种金属拼焊板的焊接方法。钢板在厚度方向上喷涂一层纯Ni粉；通过改变喷涂参数，实现预喷涂层Ni厚度的调控，其中喷涂在钢侧面的纯Ni粉作为镁合金与钢连接的过渡层；基于机器视觉的智能焊接机器人，实现运动轨迹的高精度运行，其精度达到0.05 mm；采用激光‑电弧复合熔化焊的方法实现镁合金/预置纯Ni过渡层钢的冶金连接，通过控制激光在钢侧的偏移量，调控钢侧熔化量，实现镁合金/钢的优质连接。本发明用于镁合金/钢拼焊板连接的过渡层制备方法，具有过渡层种类及厚度可调控的特点；高精度智能焊接机器人，具有激光偏移量可控及偏移精度高的特点，实现焊缝的高精度焊接。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金/钢拼焊板焊接过渡层制备技术、智能焊接机器人焊缝跟踪以及基于过渡层制备和焊缝跟踪技术的难固溶不反应异种材料熔化焊焊接。
背景技术
在全球参与节能减排的大背景下，轻量化已逐渐成为制造业的重要发展方向。提高母材强度以及选用轻质材料是实现轻量化的主要手段。随着高强度结构材料及轻金属材料在航空航天、汽车、3C等领域的深入应用，多种材料复合结构的设计及制造技术在上述领域取得了长足进步。
在车身结构设计中，采用“拼焊板”的方式来进行设计能够达到汽车减重的目的，而拼焊板结构设计主要采用对接的方式。随着汽车车身用高性能镁合金板材的飞速发展和批量生产，镁合金/钢混合车身结构拼焊板制造已成为拓展镁合金在车身中应用的重要途径之一。
对于难固溶不反应异种金属镁合金/钢拼焊板连接，一方面由于Mg和Fe无任何金属间化合物，且相互之间固溶度极低，需添加合金元素促进界面反应；另一方面由于镁合金/钢拼焊板属于对接结构，界面反应不充分将产生裂纹，降低接头性能。因此，促进界面反应是实现难固溶不反应异种金属镁合金/钢拼焊板冶金连接的关键。目前，实现镁合金/钢对接焊主要采用的手段是在镁合金与钢的交界处添加夹层，但其效率较低、焊接质量不稳定，难以实现镁合金/钢拼焊板大批量生产。
针对难固溶不反应异种金属镁合金/钢拼焊板焊接难点，本发明提出在镁合金/钢拼焊板焊接前，在钢侧母材厚度方向预置一过渡层，并通过智能焊接机器人实现镁合金/钢的焊缝跟踪，精确控制激光偏移量，然后采用激光-电弧复合热源对镁合金/钢拼焊板进行对接熔化焊，激光主要作用在过渡层和钢侧，电弧主要作用于镁合金侧，实现镁合金/钢拼焊板的熔化焊焊接，解决由于镁合金/钢拼焊板焊接效率较低、焊接质量不稳定等问题，实现镁合金/钢拼焊板高性能焊接。
发明内容
本发明的目的在于，针对镁合金/钢拼焊板界面反应不充分、过渡层不均匀、焊接质量不稳定、难以实现大批量生产等问题，提供一种共性的解决方法。在钢侧母材厚度方向预置一过渡层，调控过渡层厚度及种类，促进镁合金/钢界面反应；采用智能焊接机器人实现焊缝跟踪，精确控制激光偏移量，实现钢熔化量的调控；并通过激光-电弧复合焊焊接方法在促进界面充分反应的同时，确保接头成形质量，实现镁合金/钢拼焊板的冶金连接。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：镁合金/钢拼焊板焊接过渡层制备技术、智能焊接机器人焊缝跟踪以及基于过渡层制备和焊缝跟踪技术镁合金/钢拼焊板激光-电弧复合热源焊接方法。
镁合金/钢拼焊板焊接前，过渡层制备方法：喷涂，包括等离子喷涂、火焰喷涂、超音速喷涂等。
进一步，过渡层种类包含以下几类：一、纯金属过镀层；二、合金过渡层。
纯金属过镀层包含两种，一种是与Fe能够无限固溶的元素，例如Ni、Co、Cr等；另一种是与Fe和Mg能够反应，但不能与Fe无限固溶的元素，例如Cu、Zn、Sn等。
合金过渡层中合金元素能够与Fe和Mg发生反应，例如Cu-Zn合金、Cu-Sn合金等。
所述过渡层为单层结构，其尺度为微米级，其厚度30~500μm。
镁合金/钢拼焊板，镁合金板材的厚度大于钢板的厚度，镁合金/钢对接焊熔化焊过程中，镁合金烧损较多，通过增加镁板厚度弥补镁合金的烧损。
镁合金/钢拼焊板焊缝识别及自动跟踪技术，焊缝跟踪系统能够精确识别钢侧边位置，其焊缝偏移量精度达0.05 mm，通过控制激光功率和激光偏移量，在其他参数保持不变的情况下，精确控制钢的熔化量。
镁合金/钢拼焊板焊接方法为激光-电弧复合焊，对镁合金/钢拼焊板进行对接熔化焊，激光主要作用在过渡层和钢侧，电弧主要作用于镁合金侧，实现镁合金/钢的对接熔化焊。镁合金/钢拼焊板焊接方法还包括采用喷涂法使过渡层处在两异种材料之间并实现冶金连接的其他焊接方法。
本发明的目的是提供一种用于镁合金/钢拼焊板过渡层的制备方法，并基于智能焊接机器人焊缝跟踪技术精确控制激光偏移量，提高焊接质量稳定性，采用激光-电弧复合焊焊接方法制备镁合金/钢拼焊板，该制备方法工艺简单、适用范围广，便于难固溶不反应异种金属合金/钢拼焊板的大规模批量生产。
本发明与现有异种金属连接技术相比具有如下优点：解决了镁合金/钢拼焊板焊接过程中手工添加合金夹层导致的效率低和焊接质量不稳定的问题，能够实现过渡层均匀喷涂以及大批量生产。通过在钢侧母材厚度方向预置过渡层，基于智能焊接机器人焊缝跟踪技术精确控制激光偏移量，采用激光-电弧熔化焊焊接方法实现过渡层与两侧母材的冶金连接，其中过渡层的种类和厚度可调，焊接过程中通过控制钢母材和镁合金的熔化量来调控焊缝组织和接头力学性能。本发明可满足接头形式为对接、搭接和T型接头等结构的焊接要求。
具体实施方式
下面，来详细说明基于过渡层制备的镁合金/钢拼焊板焊接方法。此外，并不通过以下具体的实施方式来限定过渡层制备方法、基于预置过渡层的镁合金/钢拼焊板连接方法以及焊接所选用的母材类型。
过渡层主要包括以下两种：
第一种过渡层结构：纯金属过镀层。纯金属过镀层包含两种，一种是与Fe能够无限固溶的元素，例如Ni、Co、Cr等；另一种是与Fe和Mg能够反应，但不能与Fe无限固溶的元素，例如Cu、Zn、Sn等。
第二种过渡层结构：合金过渡层。合金过渡层中合金元素能够与Fe和Mg发生反应，例如Cu-Zn合金、Cu-Sn合金等。
实施例1，一种基于智能焊接机器人的镁合金/钢拼焊板喷涂Ni过渡层激光-电弧复合焊焊接方法的步骤如下：
首先选择应用比较广泛的AZ31B镁合金薄板和汽车用DP800高强钢薄板作为异质金属连接材料，其厚度分别为1.5 mm和1.0 mm。
第一步、钢板侧面清洗
采用1500#砂纸对DP800高强钢板侧面进行打磨，然后用浓度为5 %的硫酸水溶液对DP800高强钢板侧面进行酸洗，去除钢板侧面的氧化皮和锈蚀物，然后采用浓度为95 %工业酒精擦拭，获得侧面和表面干净、裸露的钢板。
第二步、钢板侧面喷砂处理
在一定的喷砂压力条件下对钢板侧面进行粗糙处理，将处理好后的样品固定于夹具上。
第三步、钢板侧面喷涂纯Ni过渡层
选用30 μm粒度的高纯Ni粉，在100℃干燥箱里进行2 h干燥处理。采用等离子喷涂技术将纯Ni粉末喷涂在DP800高强钢板侧面，喷涂电压50~60 V，喷涂电流400~500 A，送粉气流量5~8 L/min，喷涂距离70~130 mm，纯Ni过渡层厚度控制在30~500 μm。
第四步、镁板表面处理
采用1500#砂纸对AZ31B镁合金板待焊表面和侧面进行打磨，去除镁合金板待焊表面的氧化皮和油污，然后选择浓度为95%工业酒精对镁合金板进行擦拭，获得干净、完全裸露的镁合金板。
第五步、镁合金/钢拼焊板焊缝识别及自动跟踪技术
将激光光斑圆心位置处在钢侧边位置上，定义激光偏移量为0 mm，激光光斑圆心向钢内侧偏移，定义为正偏移，激光光斑圆心向镁侧偏移，定义为负偏移；
焊缝跟踪系统精确识别钢侧边位置，其焊缝偏移量精度达0.05 mm，焊接过程中激光偏移量每隔0.1 mm进行调整，通过控制激光功率和激光偏移量，在其他参数保持不变的情况下，精确控制钢和镁合金的熔化量。
第六步、镁合金/钢拼焊板激光-电弧对接熔化焊
将侧面预置一层100 μm厚度纯Ni过渡层的DP800高强钢板与AZ31B镁合金板进行激光-电弧对接熔化焊，TIG电流30~50 A，激光功率800~2000 W，焊接速度600~1200 mm/min，氩气流量10~20 L/min。
实施例1根据所选过渡层种类，采用等离子喷涂技术直接制备出侧面含过渡层的DP800钢。通过等离子喷涂中的工艺参数，制备出不同厚度的过渡层，过渡层厚度控制在30~500 μm。采用激光-电弧复合焊接技术对镁合金/钢拼焊板进行焊接，由于Ni与Fe无限固溶，且Ni能与Mg发生反应，通过设置激光偏移量，控制钢的熔化量，进而调控焊缝组织和接头性能，最终镁合金/钢拼焊板高性能连接。
纯Ni过渡层100 μm时获得的镁合金/钢拼焊板试样，采用双面焊方法获得了较好的接头，其接头抗拉强度高达195 MPa，接头断裂在镁合金/钢界面处，接头结构为镁合金/界面层/Fe-Ni固溶体/钢；当纯Ni过渡层厚度为50 μm时，接头结构为镁合金/界面层/Fe-Ni固溶体/钢，其抗拉强度为168 MPa；当纯Ni过渡层厚度为200 μm时，焊缝中出现大量Mg-Ni共晶，影响接头性能，其抗拉强度为132 MPa。
实施例2，镁合金/钢拼焊板激光-电弧复合焊加Ni夹层的焊接方法步骤如下：
首先选择应用比较广泛的AZ31B镁合金薄板和汽车用DP800高强钢薄板作为异质金属连接材料，其厚度分别为1.5 mm和1.0 mm，长度为100 mm，宽度为50 mm。
第一步、钢板侧面清洗
采用1500#砂纸对DP800高强钢板侧面进行打磨，然后用浓度为5 %的硫酸水溶液对DP800高强钢板侧面进行酸洗，去除钢板侧面的氧化皮和锈蚀物，然后采用浓度为95 %工业酒精擦拭，获得侧面和表面干净、裸露的钢板。
第二步、预置不同厚度和宽度Ni夹层
分别选取厚度为50 μm，100 μm和200 μm厚度的Ni箔，根据试板规格，采用剪纸机切割长度为100 mm，宽度为1 mm的Ni夹层。
第三步、Ni夹层预处理及固定于钢板侧面
裁纸机切割后的Ni夹层由于宽度较窄，出现弯曲，回卷现象，无法固定于钢侧面，将Ni夹层放置于热处理炉中，1000℃下保温0.5 h，然后去除表面氧化物，再进行矫形处理，获得平直的Ni夹层，最后固定于钢板侧面。
第四步、镁合金/钢拼焊板焊接位置定位
将镁合金与钢固定于夹具上，Ni夹层处在镁合金与钢板的对接处，激光作用于镁合金/钢交界处，通过调节底部平移台，控制激光偏移量，焊接过程中激光偏移量每隔0.1mm进行调整，通过控制激光功率和激光偏移量，在其他参数保持不变的情况下，控制钢和镁合金的熔化量。
第五步、镁合金/钢拼焊板激光-电弧对接熔化焊
将中间含有100 μm厚度纯Ni夹层的DP800高强钢板与AZ31B镁合金板进行激光-电弧对接熔化焊，TIG电流30~50 A，激光功率800~2000 W，焊接速度600~1200 mm/min，氩气流量10~20 L/min。
示例2夹层制备方法相比于示例1，其夹层宽度不均匀，剪纸机切割后容易出现回卷，增加了后续处理工艺，Ni夹层制备后固定于钢侧面时，由于Ni夹层的宽度、平直度不能确保完全一致，并且完全贴合钢侧面，将直接影响了后续焊接质量，因此，示例1采用热喷涂的方法获得的厚度和宽度均匀、贴合紧密Ni过渡层，能够进一步提高焊接质量的稳定性；镁合金/钢拼焊板焊接过程中，激光偏移量是影响焊接成形的重要因素，并且对激光偏移量控制精度要求高，而示例2通过直接观察和手动调节的方式调节激光偏移量，进一步加剧焊接质量的不稳定性，示例1通过焊缝跟踪系统精确识别钢侧边位置，其焊缝偏移量精度达0.05mm，焊接过程中激光偏移量每隔0.1 mm进行调整，精确控制钢和镁合金的熔化量；通过预置夹层制备方法及激光便宜控制方法，将为镁合金/钢拼焊板熔化焊实现自动化生产提供技术保障。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
第一步、清洗；
对钢板焊接面进行打磨，对钢板侧面及表面进行酸洗，去除钢板表面的氧化皮和锈蚀物，采用酒精擦拭，获得侧面和表面干净、裸露的钢板；
第二步、钢板喷砂处理；
对钢板焊接面进行喷砂粗糙处理，将处理好后的样品固定于夹具上；
第三步、钢板喷涂过渡层；
采用等离子喷涂技术将纯Ni粉末喷涂在钢板焊接面，喷涂电压50~60 V，喷涂电流400~500 A，送粉气流量5~8 L/min，喷涂距离70~130 mm，纯Ni过渡层厚度控制在30~500 μm；
第四步、镁板侧面和待焊表面处理；
对镁合金板侧面和待焊表面进行打磨，去除镁合金板侧面和待焊表面的氧化皮和油污，酒精对镁合金板进行擦拭，获得干净、完全裸露的镁合金板；
第五步、焊缝轨迹识别与跟踪；
将侧面预置一层纯Ni过渡层的钢板与镁合金板进行对接，固定于夹具上，通过机器视觉的智能焊接机器人，其横向精度达到0.05 mm；
第六步、镁合金/钢拼焊板激光-电弧复合对接熔化焊；
运动轨迹设置后，设定激光向两侧母材的偏移量，激光功率以及焊接速度，实现镁合金/钢拼焊板成形。
2.根据权利要求1所述异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于：所述过渡层厚度为30~300 μm。
3.根据权利要求2所述异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于：所述过渡层厚度为纯Ni过渡层，厚度为100 μm。
4.根据权利要求1所述异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于：所述激光-电弧复合对接熔化焊的TIG电流30~50 A，激光功率800~2000 W，焊接速度600~1200 mm/min，氩气流量10~20 L/min。
5.根据权利要求1所述异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于，焊接过程中钢板与镁板对接，镁板厚度大于钢板厚度。
6.根据权利要求1所述异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于，采用激光-电弧复合焊方法，高能量密度的激光作用在钢侧，通过调整激光偏移量控制钢的熔化量，低能量密度的电弧作用在镁合金侧，弥补由于激光辐射区域镁合金的烧损。
7.根据权利要求1所述异种金属拼焊板的焊接方法，其特征在于，同时采用单面焊成形和双面焊成形两种焊接方法，单面焊成形时确保钢背面熔透，双面焊成形时可分两次将钢熔透，单面焊背部钢未熔化后，采用双面焊方法对背部进行激光-电弧复合焊接，直至厚度方向上钢完全熔化。
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