CN114799514A - 一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法，焊接工艺参数为：保护气体流量为8～15L/min，激光功率为1.5～5KW，焊接速度为1～5m/min。通过研究焊接速度、激光功率、保护气流量和焊接接头性能的关系，有效解决了镁锂合金工件焊接过程中经常出现的焊接裂纹、气孔、凹陷、焊不透、氧化及烧损等问题。本发明采用固溶热处理对焊接后的工件进行固溶热处理，有利于减少焊接过程中存在的焊接热应力，使焊件整体得到了固溶强化，从而避免焊接过程中造成的时效软化。采用该焊接工艺所得到的焊缝力学性能优异，尤其是，焊缝的强度高；由该焊接工艺所得到的焊缝的成形性好，外观整齐，不发生变形；此外，该焊接工艺简单易行，方便操作，效率高且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及镁锂合金激光焊接技术领域，特别提供一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法。
背景技术
镁锂合金是目前密度最小的金属结构材料，不仅它的比刚度高、比强度高、低温韧性好，而且还具有减震抗噪、电子屏蔽以及抗高能粒子穿透等性能。镁锂合金优异的性能使其非常适用于空天飞行器(尤其是航天器)及其它装备的扣件、挂件、中低承载的支撑件、抗电磁干扰的电子通讯设备的壳体及构件的制造。在该类构件的制造中，高可靠焊接技术是不可或缺的关键制造技术。
镁锂合金的焊接工艺比镁合金的更加复杂与困难，这是因为在镁锂合金的焊接过程中，不仅要考虑因合金再结晶温度范围宽而造成的焊缝气孔及裂纹，以及高温下镁和锂形成氧化物和脆化相等夹杂物的问题，还要考虑在焊接过程中因高温发生爆炸而造成高温熔融物飞溅的安全隐患问题。目前，有关镁锂合金焊接工艺的研究报道主要集中在氩弧焊方面。但是，氩弧焊的热输入大，焊后焊件的变形程度严重、热影响区范围较宽、组织粗大，导致焊接接头的力学性能下降。与氩弧焊相比，激光焊接具有热输入低、冷却速率快和接头热影响区较小、焊缝组织细小、力学性能优良等特点，更适用于镁锂合金的连接。
但是目前在镁锂合金的激光焊接中也存在一些问题。在较大的热输入条件下，Mg、Li元素很容易蒸发，导致金属流失严重，影响焊缝的性能；同时，Mg和Li元素对氧的亲和力大，容易形成氧化物夹杂，Mg在接近熔化温度时，能与空气中的N强烈反应生成氮化物，这种氮化物脆性大，会显著降低接头力学性能；热输入过大也很容易烧穿焊件。另外，镁的表面张力比较小，焊接时，当液态金属的重力以及表面张力，摩擦力等难以保持平衡时，液态金属很容易塌陷，影响焊缝的成型。经文献检索发现，LZ91镁锂合金激光焊接工艺研究(《华中科技大学》2018)中记载了焊接过程中，增大保护气流量，会使熔宽增大，但同时，气流量过大时，由于Mg和Li元素易蒸发，会带走大量的金属，导致金属的流失，影响焊缝成型。LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能(《机械工程材料》2021；45(01)：pp 46-49)中记载了CO2激光焊接LZ92镁合金板，焊后板材主要断在热影响区，焊接接头的抗拉强度为母材的86.8％，焊接接头力学性能较低。
发明内容
为解决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、塌陷等焊接缺陷以及激光焊接镁锂合金焊焊缝力学性能较低等问题，本发明的目的在于提供一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法，所述激光振荡扫描焊接方法包括如下步骤：
S1：对镁锂合金工件的待焊表面进行预处理；
S2：采用激光振荡扫描焊接方法对待焊接工件进行焊接，焊后去除焊缝表面的氧化层；
S3：对焊接后的镁锂合金工件进行焊后固溶热处理。
优选地，步骤S1中所述预处理包括机械打磨清理和除油垢处理。通过对待焊表面进行加工、打磨等预处理，使两个待焊接表面可贴合在一起，使两个待焊接表面之间无空隙。
优选地，步骤S1中所述镁锂合金工件包括如下质量分数的各组分：Li：6～14wt.％、Al：1～5wt.％、Zn：1～5wt.％、RE：0.2～3wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质。所述杂质包括Fe、Si、Cu、Ni中的一种或几种，杂质总含量小于0.02wt％。
优选地，稀土元素RE包括Yb、Gd、Dy、Er、Tb、Ho、Y中一种或几种。优选地，所述Zn和Al的总质量分数小于或等于6wt.％。优选地，所述Zn和Al的总质量分数大于或等于1wt.％。
优选地，镁锂合金工件预处理后将其固定在焊接平台上。焊接工件固定时，待焊表面的间隙小于0.5mm，阶差小于1mm。
优选地，步骤S2中氧化层的去除采用不锈钢丝刷对焊缝表面进行打磨去除。
优选地，步骤S2中激光振荡扫描焊接时，激光功率为1.5～5KW，焊接速度为1～5m/min。焊接激光功率经过0.5s的上升时间达到焊接功率，同样，焊接完成后，需要0.5s的下降时间达到初始状态。本申请的激光功率变化是指在一个焊接点出现的变化。这样设置的效果在于：在焊接点出现之前，激光功率的变化不会对焊接性能起到实质性作用，并且为了使激光功率快速达到指定焊接功率，焊接点出现的激光功率为线性升高。在焊接过程中，当高强度的激光入射至材料表面时，金属表面会将大部分激光能量发射掉，且反射率随表面温度变化。采用激光振荡扫描焊接，有利于镁锂合金表面温度快速达到熔点，形成熔池。
优选地，步骤S2中所述激光振荡扫描焊接是在保护气体环境中进行。所述保护气体为惰性气体，保护气体流量为8～15L/min。保护气体是采用99.99％纯度以上的惰性气体作为保护气体。惰性气体如稀有气体氦、氖、氩、氪、氙、氡。惰性气体优选为氩气作为保护气体。而氮气、二氧化碳等保护气体，由于镁锂合金中镁和锂元素都为活泼元素，容易与之反应，所以氮气、二氧化碳等保护气体没有氩气的保护效果好。
本发明中镁锂合金激光焊接过程中Mg、Li元素的烧损主要是Mg、Li元素与氧气反应生成烟雾以及在高热输入条件下蒸发，本发明在焊接过程中使用纯氩气作为保护气体，对镁锂合金工件待焊部位进行双面保护，通过设置合理的保护气流量，在焊接过程中无可见烟雾，纯氩气保护气体减少或避免了烟雾的生成；通过调整激光功率、焊接速度等参数，使热输入控制在合理的范围内，从而减少了Mg、Li元素的烧损及氧化。
优选地，步骤S2中激光振荡频率为100～300Hz，振荡幅度为0±0.3KW。激光的离焦量为+5mm。振荡是指激光本身频率振荡，振荡频率过小，激光能量损失较大，并且焊接过程中达到熔点所需时间长，并且容易出现未焊透现象；振荡频率过大，焊缝容易塌陷，并且对于镁锂合金，频率过大会导致锂元素的烧损量增大。振荡幅度过大时，焊接过程中能量波动较大，不同时刻输入能量不稳定，会导致出现部分焊缝塌陷，而部分区域未焊透的现象；而振荡幅度过小，则无法体现振荡扫描的优势。
优选地，步骤S2中的焊缝接口形式为对接，焊缝接口形态为无坡口。焊接时采用单面或双面的焊接方法。
优选地，步骤S2中所述激光振荡扫描焊接方法在环境温度不小于0℃、相对湿度不高于85％的情况下施焊，焊接时不需要预热。
优选地，步骤S3中的固溶热处理参数为：温度为300～400℃，时间为2～24h。温度过高不足之处在于：一、温度过高并在长时间的保温条件下，焊缝处的晶粒会长大，减弱晶粒细化效果，劣化焊缝性能。二、虽然温度过高也有固溶强化效果，但是研究发现，温度在300～400℃的固溶强化效果较好，随着温度的升高，固溶强化效果减弱。
本发明中使用单光束无旋转激光。在焊接点开始后使用振荡扫描的方式达到焊接镁锂合金的目的，在焊接完成后，焊接板材完全焊透，无气孔。激光相关的参数对最后的焊接板材的组织性能有重要的作用，惰性气体的作用一方面在于保护焊接过程中镁、锂元素的氧化，另一方面能够有效减轻镁、锂元素的蒸发；焊接功率、焊接速度体现在焊接过程中的热输入大小，热输入过大，焊缝会明显塌陷，而且镁、锂元素的烧损量会明显增加，热输入过小，焊缝区可能未焊透，造成焊缝区力学性能明显下降，无法应用。所以合理的气体流量、热输入大小等参数对焊接结果有重要的影响。
本发明中使用单光束激光并且不旋转从而达到焊接镁锂合金的目的；这样的效果在于，焊接方法更简单，操作方便，更具有普适性。本发明的镁锂合金相对于铝锂合金焊接过程中存在镁、锂元素烧损问题，焊接过程中极易氧化，造成焊缝处的力学性能无法满足使用要求，采用合适的氩气气体流量，合理的激光功率、焊接速度进行镁锂合金的激光振荡扫描方式焊接，焊缝的晶粒明显细化，且力学性能要高于基体。
常规使用的双光束旋转激光，该激光设计比较复杂，在焊接过程中需要精确的控制，才能到达去除气孔的目的。而激光光束采用双光速旋转从侧面进行焊接方式，虽然很好解决了焊接过程中易存在气孔的问题，但是在T型接头双侧使用双光束旋转激光进行铝锂合金的焊接，焊接设备复杂，双侧的光束需进行同步控制，这对设备要求较高；另外，激光旋转易卷入空气易形成匙孔。若在本发明中使用旋转激光，由于激光光束的旋转，极易卷入空气，会造成镁、锂元素的烧损及氧化，劣化焊接接头性能。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)采用该焊接工艺所得到的焊缝力学性能优异，尤其是，焊缝的强度高；另外，由该焊接工艺所得到的焊缝的成形性好，外观整齐，不发生变形；此外，该焊接工艺简单易行，方便操作，效率高且成本低；同时，在实施该焊接工艺的过程中无飞溅。
2)本发明采用固溶热处理对焊接后的工件进行固溶热处理，使焊件整体得到了固溶强化，从而避免焊接过程中造成的时效软化。
3)本发明通过焊后固溶热处理，有利于减少焊接过程中存在的焊接热应力，这有利于提高焊接工件的均匀性，进一步提高了焊件的力学性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1激光振荡扫描焊接过程中的激光功率曲线；
图2本申请镁锂合金工件激光焊接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法。以待焊工件的厚度为4mm，待焊区域能够互相贴合的镁锂合金锻件为例实施本发明，待焊工件示意图如图2所示。所用待焊工件的合金成分为Mg-8Li-3Al-2Zn-0.5Y(wt％，wt％是指组分占所制备的镁锂合金总质量的百分比)。
所述镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法如下：
1)采用机械加工方式加工两块厚度为4mm镁锂合金板材，板材加工完成后对待焊区域进行机械清理，尽量使两个待焊接表面之间无空隙。机械清理具体方法为：采用电动钢丝轮(采用直径小于0.15mm的不锈钢丝)打磨工件待焊区域，机械清理后，采用无水乙醇去除油垢。
2)将焊接板材采用焊接压板固定在焊接平台上，保证间隙小于0.5mm，阶差小于1mm。
3)在激光功率为3KW，振荡频率为200Hz，振荡幅度为±0.3KW，焊接速度为1.8m/min，保护气流量为12L/min，激光的离焦量为+5mm的工艺条件下，采用激光振荡扫描焊接方法对待焊接工件进行单面焊接，焊后采用不锈钢丝刷对焊缝表面进行打磨，去除焊缝表面的氧化层；
焊接激光功率示意图如图1，激光功率经过0.5s的上升时间达到焊接功率，同样，焊接完成后，需要0.5s的下降时间达到初始状态。
4)对焊接后的镁锂合金工件在350℃保温4h。
在这种焊接条件下，对热处理后的焊接接头进行性能测试，发现焊接区域的抗拉强度比热处理后的锻件本体的抗拉强度高9％，屈服强度比热处理后的锻件本体的屈服强度高7％。
实施例2
本实施例提供了一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法。以待焊工件的厚度为2mm，待焊区域能够互相贴合的镁锂合金锻件为例实施本发明。
待焊工件的合金成分为Mg-6Li-2Al-2Zn-0.5Gd(wt％，wt％是指组分占所制备的镁锂合金总质量的百分比)。
所述镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法如下：
1)采用机械加工方式加工两块厚度为2mm镁锂合金板材，板材加工完成后对待焊区域进行机械清理，尽量使两个待焊接表面之间无空隙。机械清理具体方法为：采用电动钢丝轮(采用直径小于0.15mm的不锈钢丝)打磨工件待焊区域，机械清理后，采用无水乙醇去除油垢。
2)将焊接板材采用焊接压板固定在焊接平台上，保证间隙小于0.5mm，阶差小于1mm。
3)在激光功率为1.5KW，振荡频率为150Hz，振荡幅度为±0.3KW，焊接速度为1m/min，保护气流量为10L/min，激光的离焦量为+5mm工艺条件下，采用激光振荡扫描焊接方法对待焊接工件进行单面焊接，焊后采用不锈钢丝刷对焊缝表面进行打磨，去除焊缝表面的氧化层；
4)对焊接后的镁锂合金工件在320℃保温8h。
在这种焊接条件下，对热处理后的焊接接头进行性能测试，发现焊接区域的抗拉强度比热处理后的锻件本体的抗拉强度高6％，屈服强度比热处理后的锻件本体的屈服强度高8％。
实施例3
本实施例提供了一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法。以待焊工件的厚度为8mm，待焊区域能够互相贴合的镁锂合金锻件为例实施本发明。
待焊工件的合金成分为Mg-10Li-3Al-1Zn-0.5Er-0.2Yb(wt％，wt％是指组分占所制备的镁锂合金总质量的百分比)。
所述镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法如下：
1)采用机械加工方式加工两块厚度为8mm镁锂合金板材，板材加工完成后对待焊区域进行机械清理，尽量使两个待焊接表面之间无空隙。机械清理具体方法为：采用电动钢丝轮(采用直径小于0.15mm的不锈钢丝)打磨工件待焊区域，机械清理后，采用无水乙醇去除油垢。
2)将焊接板材采用焊接压板固定在焊接平台上，保证间隙小于0.5mm，阶差小于1mm。
3)在激光功率为2.6KW，振荡频率为260Hz，振荡幅度为±0.3KW，焊接速度为1.4m/min，保护气流量为8L/min，激光的离焦量为+5mm工艺条件下，采用激光振荡扫描焊接方法对待焊接工件进行双面焊接，焊后采用不锈钢丝刷对焊缝表面进行打磨，去除焊缝表面的氧化层；
4)对焊接后的镁锂合金工件在330℃保温6h。
在这种焊接条件下，对热处理后的焊接接头进行性能测试，发现焊接区域的抗拉强度比热处理后的锻件本体的抗拉强度高12％，屈服强度比热处理后的锻件本体的屈服强度高8％。
对比例1
本对比例所述焊接工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：本对比例中待焊工件不进行固溶热处理。
全部焊接工艺完成后，对焊接后的焊接接头进行性能测试，发现焊接区域的抗拉强度为热处理后焊接接头抗拉强度的79％，屈服强度为热处理后焊接接头屈服强度的83％。
对比例2
本对比例所述焊接工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：本对比例中待焊工件热处理参数为：在200℃保温6h。
全部焊接工艺完成后，对热处理后的焊接接头进行性能测试，发现焊接区域的抗拉强度为热处理后的锻件本体的抗拉强度的75％，屈服强度为热处理后的锻件本体的屈服强度的77％。
镁锂合金中存在AlLi相，这种相的存在会降低合金的综合性能。在200℃的温度下，有利于AlLi相从基体中析出，促进合金的时效，降低镁锂合金焊接工件的力学性能。
对比例3
本对比例所述焊接工艺与实施例3基本相同，不同之处在于：本对比例中在5.5KW的激光功率下进行镁锂合金激光振荡扫描焊接。
全部焊接工艺完成后，焊缝发生凹陷，锂元素烧损严重，成形效果差。
对比例4
本对比例所述焊接工艺与实施例3基本相同，不同之处在于：采用激光振荡扫描焊接方法对待焊接工件进行单面焊接。
全部焊接工艺完成后，经检测发现焊接接头未焊透，焊接区域背面存在缝隙，焊接接头性能差。
对比例5
本对比例所述焊接工艺与实施例3基本相同，不同之处在于：振荡幅度为±0.5KW。
全部焊接工艺完成后，经检测发现焊接接头中塌陷与未焊透区域交替分布，焊接接头性能较差。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种镁锂合金的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，所述激光振荡扫描焊接方法包括如下步骤：
S1：对镁锂合金工件的待焊表面进行预处理；
S2：采用激光振荡扫描焊接方法对待焊接工件进行焊接，焊后去除焊缝表面的氧化层；
S3：对焊接后的镁锂合金工件进行焊后固溶热处理。
2.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S1中所述镁锂合金工件包括如下质量分数的各组分：Li：6～14wt.％、Al：1～5wt.％、Zn：1～5wt.％、RE：0.2～3wt.％，余量为Mg及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S1中所述预处理包括机械打磨清理和除油垢处理。
4.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S2中激光振荡扫描焊接时，激光功率为1.5～5KW，焊接速度为1～5m/min。
5.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S2中所述激光振荡扫描焊接是在保护气体环境中进行。
6.根据权利要求5所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，所述保护气体为惰性气体，保护气体流量为8～15L/min。
7.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S2中激光的振荡频率为100～300Hz，振荡幅度为0±0.3KW。
8.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S2中待焊接工件的焊缝接口形式为对接，焊缝接口形态为无坡口。
9.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S2中激光振荡扫描焊接在环境温度不小于0℃、相对湿度不高于85％的情况下施焊，焊接时不需要预热。
10.根据权利要求1所述的激光振荡扫描焊接方法，其特征在于，步骤S3中的固溶热处理的参数为：温度为300～400℃，时间为2～24h。
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