CN114346440A - 一种az31b/zm10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法 - Google Patents
一种az31b/zm10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光‑电弧双填丝焊接方法，包括以下步骤：（1）装配相同厚度的AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材；（2）平行放置双焊丝；（3）沿AZ31B镁合金轧制方向，采用激光在前电弧在后前进侧送丝背面自由成形的方式进行异种镁合金焊接；本发明解决了现有技术中利用单焊丝无法解决的焊缝拉伸性能低等难题，通过双焊丝工艺及焊丝掺无机非金属元素等方式，一方面降低焊丝成本，另一方面降低焊接能耗，提高焊接效率；本发明为异种镁合金焊接提供新思路，同样适用于其他牌号的异种镁合金焊接，具有一定的通用性，市场前景巨大。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法。
背景技术
镁元素储量丰富，镁合金是有色金属中最具开发和应用前景的金属材料，AZ31B镁合金属于变形镁合金，具有较高的抗振能力和吸热性能，是制造飞机轮毂的理想材料，AZ31B镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定，适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管，又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、舱门和舵面等活动零件；ZM10镁合金属于铸造镁合金，具有结晶温度间隔大、体收缩和线收缩大、比热容和凝固潜热小等特性，主要用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等领域；以汽车为例，用于不同部位的铸造镁合金和变形镁合金需要连接，而铸造镁合金与变形镁合金在化学组分、力学性能上差异较大，焊接难度很大，现有研究都集中在单填丝激光-电弧焊接，很难满足铸造镁合金和变性镁合金的高强度连接。
发明内容
本发明提供一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，在变性镁合金和铸造镁合金之间建立两层过渡焊接层，过渡层间形成不同比例的MgZn、Mg2Ca、Al2Ca、Mg2Si高温强化相，提高连接件抗拉伸强度以及蠕变性能，并且由于Si、Ca等非金属元素对电子的吸附作用，使镁合金焊接电弧能量密度提高 8~10倍，能耗降低40%-50%。具体的，本发明技术方案如下：
一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，包括以下步骤：
（1）装配相同厚度的AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材，所述AZ31B镁合金和ZM10镁合金的厚度为1-4mm；
（2）放置焊丝A和焊丝B，所述焊丝A靠近AZ31B镁合金一侧，所述焊丝B靠近ZM10镁合金一侧，所述焊丝A和焊丝B平行放置；
（3）采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接，激光热源为Nd：YAG脉冲激光，电弧热源为交流钨极氩弧焊电弧TIG，所述激光热源和电弧热源的位置为激光在前、电弧在后，采用前进侧送丝背面自由成形的焊接方式，焊接方向沿 AZ31B 镁合金轧制方向。
优选的，所述激光热源的功率为890-920W，所述电弧热源的电流为115-120A，所述焊接速度为420-450mm/min，所述氩气的流量为21L/min，所述激光热源与电弧热源的间距为1.5-2.2mm，所述焊丝A与AZ31B镁合金板材的夹角为35-55°，所述焊丝A、焊丝B的消耗速度为3-3.5m/min。
镁合金脉冲激光诱导电弧复合焊接具有焊接速度快、焊接缺陷少、焊接性能高等技术优势。焊接过程中，激光热源在焊接熔池中产生焊接“匙孔”，对电弧起到了显著的诱导增强效果。脉冲激光与电弧之间的耦合作用直接影响了镁合金的焊接质量和效率。发明人通过大量试验发现，将激光热源的功率调整至890-920W，电弧热源的电流调整至115-120A，在焊接AZ31B镁合金和ZM10镁合金时，激光在电弧熔池中形成焊接“匙孔”，熔池波动剧烈，电弧等离子体主要与复合焊接“匙孔”直接连通，等离子体被压缩至“匙孔”附近，形成电弧钨极与焊接“匙孔”间的耦合放电，并发生“匙孔”的延迟闭合现象，进而显著提高焊接效率。
优选的，所述焊丝A包含5.5%重量比的Al、2.1%重量比的Zn、1.2%-1.4%重量比的Si、1.2%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg。
优选的，所述焊丝B包含7.2%重量比的Al、3.1%重量比的Zn、0.6%-0.8%重量比的Si、1.1%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg。
本发明利用双焊丝工艺，焊丝A和B主要成分一样，组分渐变，并且在激光和电弧诱导条件下，靠近AZ31B镁合金一侧的焊丝A与AZ31B镁合金、焊丝A和焊丝B、焊丝B和靠近焊丝B一侧的ZM10镁合金形成连续均匀熔透无氧化发黑的焊缝；焊丝B与ZM10镁合金形成强度高的焊缝，通过电子探针线扫描分析发现，焊缝存在MgZn、Mg2Ca、Al2Ca、Mg2Si高温强化相，不仅降低成本（Si、Ca价格远低于Mg），还提高了AZ31B/ZM10异种镁合金的高温使用性能。
优选的，所述杂质为Ni、Cu、Fe。
优选的，在步骤（1）中，还包括AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材的预处理，具体为用砂纸打磨板材表面，并用丙酮擦拭板材。避免其他元素影响焊缝的力学性能以及成色。
本申请的有益效果：
（1）采用激光-电弧双填丝焊接工艺焊接异种镁合金，在异种镁合金之间形成过渡焊接层，焊缝中 Si含量从AZ31B镁合金侧向 ZM10镁合金侧逐渐增加，并且在激光-电弧耦合作用下，焊缝形成MgZn、Mg2Ca、Al2Ca、Mg2Si高温强化相，进而显著增加其抗拉伸强度和高温蠕变性能，拉伸试验显示断裂界面并非在焊缝处；
（2）本发明使用的焊丝含有Si、Ca等廉价的非金属，不仅可以降低焊丝的成本，同时提高焊丝的活性，因为Si、Ca等非金属对电子具有吸附作用，使镁合金焊接电弧能量密度提高8-10倍，焊接熔深增加1-3倍，焊接效率提高3-5倍，焊接能耗为相同条件下电弧焊接的40%~50%；
（3）本发明为异种镁合金焊接提供新思路，同样适用于其他牌号的异种镁合金焊接，具有一定的通用性，市场前景巨大。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，包括以下步骤：
（1）装配相同厚度的AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材，所述AZ31B镁合金和ZM10镁合金的厚度为1-4mm；
（2）放置焊丝A和焊丝B，所述焊丝A靠近AZ31B镁合金一侧，所述焊丝B靠近ZM10镁合金一侧，所述焊丝A和焊丝B平行放置；
（3）采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接，激光热源为Nd：YAG脉冲激光，电弧热源为交流钨极氩弧焊电弧TIG，所述激光热源和电弧热源的位置为激光在前、电弧在后，采用前进侧送丝背面自由成形的焊接方式，焊接方向沿 AZ31B 镁合金轧制方向。
进一步的，所述激光热源的功率为890-920W，所述电弧热源的电流为115-120A，所述焊接速度为420-450mm/min，所述氩气的流量为21L/min，所述激光热源与电弧热源的间距为1.5-2.2mm，所述焊丝A与AZ31B镁合金板材的夹角为35-55°，所述焊丝A、焊丝B的消耗速度为3-3.5m/min。
进一步的，所述焊丝A包含5.5%重量比的Al、2.1%重量比的Zn、1.2%-1.4%重量比的Si、1.2%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg。
进一步的，所述焊丝B包含7.2%重量比的Al、3.1%重量比的Zn、0.6%-0.8%重量比的Si、1.1%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg。
进一步的，所述杂质为Ni、Cu、Fe。
进一步的，在步骤（1）中，还包括AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材的预处理，具体为用砂纸打磨板材表面，并用丙酮擦拭板材。避免其他元素影响焊缝的力学性能以及成色。
以下结合具体实施例对本发明进一步说明：
实施例1
采用本发明的方法对1mm的AZ31B镁合金板材和1mm的ZM10镁合金板材进行焊接，包括以下步骤：
（1）用砂纸打磨待焊接的镁合金板材表面，并用丙酮擦拭板材，将AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材紧挨排放；
（2）放置焊丝A和焊丝B，焊丝A靠近AZ31B镁合金一侧，焊丝B靠近ZM10镁合金一侧，焊丝A和焊丝B平行放置，焊丝A包含5.5%重量比的Al、2.1%重量比的Zn、1.4%重量比的Si、1.2%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg，焊丝B包含7.2%重量比的Al、3.1%重量比的Zn、0.8%重量比的Si、1.1%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg；
（3）采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接，激光热源为Nd：YAG脉冲激光，电弧热源为交流钨极氩弧焊电弧TIG，激光热源和电弧热源的位置为激光在前、电弧在后，采用前进侧送丝背面自由成形的焊接方式，焊接方向沿 AZ31B 镁合金轧制方向，焊接参数：激光热源的功率为920W，电弧热源的电流为120A，焊接速度为450mm/min，氩气的流量为21L/min，激光热源与电弧热源的间距为2.2mm，焊丝A与AZ31B镁合金板材的夹角为55°，焊丝A、焊丝B的消耗速度为3.5m/min；焊接后的异种镁合金的拉伸强度为276MPa，拉伸断裂位置在ZM10镁合金区域。
实施例2
采用本发明的方法对4mm的AZ31B镁合金板材和4mm的ZM10镁合金板材进行焊接，包括以下步骤：
（1）用砂纸打磨待焊接的镁合金板材表面，并用丙酮擦拭板材，将AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材紧挨排放；
（2）放置焊丝A和焊丝B，焊丝A靠近AZ31B镁合金一侧，焊丝B靠近ZM10镁合金一侧，焊丝A和焊丝B平行放置，焊丝A包含5.5%重量比的Al、2.1%重量比的Zn、1.2%重量比的Si、1.2%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg，焊丝B包含7.2%重量比的Al、3.1%重量比的Zn、0.6%重量比的Si、1.1%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg；
（3）采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接，激光热源为Nd：YAG脉冲激光，电弧热源为交流钨极氩弧焊电弧TIG，激光热源和电弧热源的位置为激光在前、电弧在后，采用前进侧送丝背面自由成形的焊接方式，焊接方向沿 AZ31B 镁合金轧制方向，焊接参数：激光热源的功率为920W，电弧热源的电流为120A，焊接速度为450mm/min，氩气的流量为21L/min，激光热源与电弧热源的间距为1.5mm，焊丝A与AZ31B镁合金板材的夹角为35°，焊丝A、焊丝B的消耗速度为3m/min；焊接后的异种镁合金的拉伸强度为282MPa，拉伸断裂位置在ZM10镁合金区域。
对比例1
与实施例1的不同之处在于用焊丝A代替焊丝A和B，焊接后的异种镁合金的拉伸强度为232MPa，拉伸断裂位置在焊缝区域。
对比例2
与实施例1的不同之处在于用焊丝B代替焊丝A和B，焊接后的异种镁合金的拉伸强度为218MPa，拉伸断裂位置在焊缝区域。
对比例3
实施例1的不同之处在于用不含Si和Ca的焊丝代替焊丝A，焊接后的异种镁合金的拉伸强度为209MPa，拉伸断裂位置在焊缝区域，与实施例1相比，焊接能耗提高45%。
对比例4
实施例2的不同之处在于用不含Si和Ca的焊丝代替焊丝B，焊接后的异种镁合金的拉伸强度为210MPa，拉伸断裂位置在焊缝区域，与实施例2相比，焊接能耗提高43%。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）装配相同厚度的AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材，所述AZ31B镁合金和ZM10镁合金的厚度为1-4mm；
（2）放置焊丝A和焊丝B，所述焊丝A靠近AZ31B镁合金一侧，所述焊丝B靠近ZM10镁合金一侧，所述焊丝A和焊丝B平行放置；
（3）采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接，激光热源为Nd：YAG脉冲激光，电弧热源为交流钨极氩弧焊电弧TIG，所述激光热源和电弧热源的位置为激光在前、电弧在后，采用前进侧送丝背面自由成形的焊接方式，焊接方向沿 AZ31B 镁合金轧制方向。
2.根据权利要求1所述的一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，其特征在于，所述激光热源的功率为890-920W，所述电弧热源的电流为115-120A，所述焊接速度为420-450mm/min，所述氩气的流量为21L/min，所述激光热源与电弧热源的间距为1.5-2.2mm，所述焊丝A与AZ31B镁合金板材的夹角为35-55°，所述焊丝A、焊丝B的消耗速度为3-3.5m/min。
3.根据权利要求1所述的一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，其特征在于，所述焊丝A包含5.5%重量比的Al、2.1%重量比的Zn、1.2%-1.4%重量比的Si、1.2%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg。
4.根据权利要求1所述的一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，其特征在于，所述焊丝B包含7.2%重量比的Al、3.1%重量比的Zn、0.6%-0.8%重量比的Si、1.1%重量比的Ca、小于0.1%重量比的杂质，其余为Mg。
5.根据权利要求3或4所述的一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，其特征在于，所述杂质为Ni、Cu、Fe。
6.根据权利要求1所述的一种AZ31B/ZM10异种镁合金的激光-电弧双填丝焊接方法，其特征在于，在步骤（1）中，还包括AZ31B镁合金板材和ZM10镁合金板材的预处理，具体为用砂纸打磨板材表面，并用丙酮擦拭板材。
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