CN115609117A - 一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料加工工程领域，具体涉及一种用于镁‑钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，其方法原理在于使用大功率电容作为焊接电源，在焊接过程中在钨极与焊件之间瞬间释放能量密度大且集中的脉冲电弧，实现工件的连接。针对镁‑钢异种金属焊接中存在的界面冶金相容性差的问题，采用高能精密脉冲冷焊方法，对脉冲电流、脉冲时间、脉冲间隔进行ms级精密调控，优化接头能量分布、并对镁、钢异种金属界面温度进行精确控制，调控界面金属间化合物特征，获得高质量镁‑钢熔‑钎焊接头。并且本发明焊接方法所用焊接装置设备简单，操作方便，焊接成本低、效率高。

Description

一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，具体而言为镁-钢薄板焊接技术领域，尤其涉及一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法。

背景技术

镁合金因其低密度、高比强度、刚性高、电磁屏蔽性能好、导热性好的特点，广泛应用于交通、电子、航空航天、化工等行业。钢是一种强度高、塑性高、焊接性能好的结构材料，是当今社会应用最广泛的金属结构材料。镁、钢应用具有广泛性与交叉性，使用镁-钢复合结构代替钢材，能够提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本。然而，镁、钢两者热、物理性质差异大，铁的熔点(1811K)远高于镁的沸点(1363K)，二者不能在液态下共存，且镁、铁之间冶金相容性极差，互溶度极低且无金属间化合物生成。因此，镁-钢异种金属焊接非常困难。

熔-钎焊是最具应用前景的异种金属连接方法之一，使用熔-钎焊方法焊接镁、钢异种金属接头，镁侧为熔焊机制、钢侧为钎焊机制，可以避免焊接过程中镁合金过度蒸发、飞溅，减少焊接接头中气孔、裂纹等缺陷，实现镁-钢接头的有效结合。当前针对镁、钢异种金属的熔-钎焊研究中主要使用添加金属夹层、镀层、填丝的方式改善接头冶金环境，促进镁-钢界面的冶金结合。在此基础上，进一步调控连接温度，精确控制界面特征(金属间化合物种类、形态及厚度)是获得优异镁-钢异种金属接头的关键。在中国专利申请“CN103495796A”中公开的一种镁-钢MIG熔-钎焊方法，通过优化镁合金焊丝成分和焊接工艺参数调控镁-钢接头界面金属间化合物特征，获得镁-钢焊接接头。但是传统MIG焊接方法热输入较大，焊接热输入难以调控，且难以焊接厚度低于2mm的薄板。中国专利申请“CN108188582A”中公开了一种使用激光-电弧复合填丝焊接工艺对镁合金板材与钢板材进行对接焊的方法，通过控制激光与电弧热源能量匹配，控制镁/钢界面气液态瞬时共存时的温度，调控金属间化合物特征，获得具有高界面结合性能的焊接接头。但上述方法主要针对镁-钢对接连接，且焊接工艺复杂，焊接成本较高。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法。本发明的方法原理在于使用大功率电容作为焊接电源，在焊接过程中在钨极与焊件之间瞬间释放能量密度大且集中的脉冲电弧，实现工件的连接。针对镁-钢异种金属焊接中存在的界面冶金相容性差的问题，采用高能精密脉冲焊接方法，对焊接能量参数脉冲电流、脉冲时间、脉冲间隔进行ms级精密调控，优化接头能量分布，并对镁、钢异种金属界面温度进行精确控制，调控界面金属间化合物特征，获得高质量镁-钢熔-钎焊接头。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，包括：

步骤一：焊接前对镁、钢薄板焊边进行预处理，对焊边进行打磨处理，使焊边材料露出金属光泽，去除材料表面的氧化膜，之后对焊边进行清洗去除表面存在的油脂、粉尘，最后吹干备焊；

步骤二：对接或搭接镁、钢薄板，将待焊部位以平行方式放置于上下垫板之间，并利用夹具将上下垫板夹紧，固定焊件；

步骤三：根据镁、钢薄板焊接方式调整焊枪的位置，使钨极尖端垂直放置于待焊部位正上方，焊枪枪头指向焊接工件；焊枪连接高能精密脉冲冷焊焊接装置，高能精密脉冲冷焊焊接装置采用电容作为焊接电源，高能精密脉冲冷焊焊接装置在焊接过程中在钨极与待焊部位之间瞬间释放脉冲电弧；

步骤四：根据镁、钢薄板的厚度设置高能精密脉冲冷焊焊接装置的焊接能量参数；

步骤五：开启高能精密脉冲冷焊焊接装置，焊枪按照高能精密脉冲冷焊焊接装置的行走装置所预设程序自动完成焊接过程。

进一步地，焊接能量参数包括脉冲电流50～150A，脉冲间隔100～500ms，脉冲时间300～800ms，焊接速度3.6～36m/min，氩气流量5～20L/min。

进一步地，高能精密脉冲冷焊焊接装置在焊接过程中熔化镁薄板润湿钢薄板获得镁-钢熔-钎焊接头。

进一步地，高能精密脉冲冷焊焊接装置的焊接过程中采用填丝、镀层、添加金属夹层的方式，在镁、钢异种金属间添加合金元素，改善接头冶金环境，促进镁-钢界面的冶金结合。

进一步地，镁、钢薄板为对接形式时，钨极要向钢侧薄板偏移0.1～0.5mm，使焊接过程中能够提高钢薄板温度，增强熔融镁在钢薄板表面上的润湿性，保证接头的焊缝成形。

进一步地，镁、钢板材为搭接形式时，镁薄板位于上层，钢薄板位于下层进行搭接，搭接量为10～20mm，钨极垂直指向镁薄板并距搭接边缘5～10mm，焊接时熔化镁薄板润湿钢薄板，保证接头的焊缝成形。

进一步地，镁薄板、钢薄板厚度为0.2～2mm。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用使用大功率(500～2000W)电容作为焊接电源，焊接过程中能够将存储于电容中的电能在瞬间(ms级)通过脉冲电弧的形式释放于钨极与工件之间，单次放电过程可释放大电流(50～200A)，能量密度大且集中，能够熔化镁母材润湿钢母材，并促进母材中的合金元素与镁元素、铁元素发生冶金反应，生成金属间化合物，使镁-钢异种金属实现冶金连接。

2.本发明采用使用大功率电容作为焊接电源，放电时间与下一次放电时间存在间隔时间，热量有足够的时间通过工件基体扩散，熔池不会出现热量的聚集，有利于缩小热影响区和减小焊接变形，适用于薄板焊接。

3.本发明使用高能精密脉冲冷焊工艺方法，能够对焊接热源释放地脉冲电弧的能量参数：脉冲电流、脉冲时间、脉冲间隔进行ms级精密调控，能够对镁、钢异种金属界面温度进行精确控制，调控界面金属间化合物特征，获得高质量镁-钢焊接接头。

4.本发明使用的高能精密脉冲冷焊工艺属于电弧焊方法，并且焊接装置设备简单，操作方便，控制精确，焊接成本低，效率高，适用于镁-钢异种金属焊接接头的工程实际生产。

基于上述理由本发明可在镁-钢异种金属等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明具体实施方式中镁-钢薄板搭接的高能精密脉冲冷焊方法焊接工艺示意图。

图2为本发明具体实施方式中1mm厚AZ31B镁合金薄板与430铁素体不锈钢薄板搭接接头的宏观形貌。

图中：其中，1、焊枪；2、钨极；3、上垫板；4、AZ31B镁合金板材；5、下垫板；6、工业纯铝箔；7、430铁素体不锈钢板材。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～2所示，一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，本方法采用高能精密脉冲冷焊焊接装置，高能精密脉冲冷焊热源采用恒蕊HR-05超强激光焊机，焊接时可根据板厚调节脉冲电流、脉冲时间及脉冲间隔的大小。高能精密脉冲冷焊装置中的行走装置使用的是上海华威的CG1-30半自动气割机，镁薄板采用1mm厚的AZ31B镁合金薄板4，钢薄板采用1mm厚的430铁素体不锈钢薄板7。

包括如下步骤：

步骤一：焊接前对AZ31B镁合金薄板4与430铁素体不锈钢薄板7焊边进行预处理，对焊边进行打磨处理，使焊边材料露出金属光泽，去除材料表面的氧化膜，之后使用石油醚对焊边进行清洗去除表面存在的油脂、粉尘，最后用热风机吹干准备焊接；

步骤二：将AZ31B镁合金薄板4和430铁素体不锈钢薄板7对接或者搭接，对接时，钨极要向钢侧薄板偏移0.1～0.5mm，使焊接过程中能够提高钢薄板温度，增强熔融镁在钢薄板表面上的润湿性，保证接头的焊缝成形。

本具体实施方式采用搭接的方式，将AZ31B镁合金薄板4放置在上层，430铁素体不锈钢薄板7放置在下层，中间添加工业纯铝箔6作为中间层搭接到一起，搭接量为15mm，待焊部位以平行方式放置于夹具垫板上，并利用夹具装置两个上垫板3与两个下垫板5将镁-钢搭接结构夹紧，且两块上垫板3之间距离为10mm，露出需要焊接的镁-钢搭接焊缝；

步骤三：将焊枪1进行定位，使钨极2尖端垂直放置于焊件正面上方0.5mm并距离搭接边缘8mm处，焊枪枪头指向焊接工件；

步骤四：根据所选AZ31B镁合金薄板与430铁素体不锈钢薄板的厚度皆为1mm，设置冷焊焊接装置及其行走装置的焊接工艺参数：脉冲电流150A；脉冲间隔150ms；脉冲时间800ms；焊接速度10.8m/min；氩气流量：15L/min；

步骤五：开启高能精密脉冲冷焊焊接装置和行走装置，焊枪1按照行走装置所预设程序自动完成焊接过程。

所得镁-钢搭接接头宏观形貌如图2所示，焊接接头无裂纹、变形等焊接缺陷，使用高能精密脉冲冷焊方法实现了镁-钢异种金属间的熔-钎焊连接。对镁-钢焊接接头横截面界面层进行成分检测，存在Mg-Al化合物层润湿钢母材表面使焊接接头完成冶金连接，并且不存在Fe-Al化合物层降低焊接接头性能。焊接接头的抗剪强度最高达到142Mpa。与现有镁-钢异种金属焊接方法相比，本发明的高能精密脉冲冷焊方法能够精密控制焊接热输入从而控制镁-钢界面处金属间化合物层的生成及厚度，并且焊接装置设备简单，操作方便，焊接效率高。

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；尽管参照前述各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)

1.一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，其特征在于，包括：

步骤一：焊接前对镁、钢薄板焊边进行预处理，使焊边露出金属光泽；

步骤二：对接或搭接镁、钢薄板，将待焊部位以平行方式放置，并固定；

步骤三：根据镁、钢薄板焊接方式调整焊枪的位置，使钨极尖端垂直放置于待焊部位正上方，焊枪枪头指向焊接工件；焊枪连接高能精密脉冲冷焊焊接装置，高能精密脉冲冷焊焊接装置采用电容作为焊接电源，高能精密脉冲冷焊焊接装置在焊接过程中在钨极与待焊部位之间瞬间释放脉冲电弧；

步骤四：根据镁、钢薄板的厚度设置高能精密脉冲冷焊焊接装置的焊接能量参数；

步骤五：开启高能精密脉冲冷焊焊接装置，焊枪按照高能精密脉冲冷焊焊接装置的行走装置所预设程序自动完成焊接过程。

2.根据权利要求1所述的一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，其特征在于，焊接能量参数包括脉冲电流50～150A，脉冲间隔100～500ms，脉冲时间300～800ms，焊接速度3.6～36m/min，氩气流量5～20L/min。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，其特征在于，高能精密脉冲冷焊焊接装置在焊接过程中熔化镁薄板润湿钢薄板获得镁-钢熔-钎焊接头。

4.根据权利要求3所述的一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，其特征在于，高能精密脉冲冷焊焊接装置的焊接过程中采用填丝、镀层、添加金属夹层的方式，在镁、钢异种金属间添加合金元素，改善接头冶金环境，促进镁-钢界面的冶金结合。

5.根据权利要求1所述的一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，镁、钢薄板为对接形式时，钨极要向钢侧薄板偏移0.1～0.5mm，使焊接过程中能够提高钢薄板温度，增强熔融镁在钢薄板表面上的润湿性，保证接头的焊缝成形。

6.根据权利要求1所述的一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，镁、钢板材为搭接形式时，镁薄板位于上层，钢薄板位于下层进行搭接，搭接量为10～20mm，钨极垂直指向镁薄板并距搭接边缘5～10mm，焊接时熔化镁薄板润湿钢薄板，保证接头的焊缝成形。

7.根据权利要求1所述的一种用于镁-钢薄板焊接的高能精密脉冲冷焊方法，镁薄板、钢薄板厚度为0.2～2mm。

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