一种镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺的制作方法

本发明涉及一种金属焊接工艺，尤其涉及一种镁合金焊接工艺。
背景技术：
：镁是常用金属结构材料中最轻的一种，其比重仅为1.7g/cm3左右，是钢的1/4，铝的2/3。镁及镁合金具有资源丰富、节约能源、环境友好等三大优势，而且是比强度很高的轻质结构材料和功能材料，被世界公认的“二十一世纪最有发展前景的新兴材料”。我国具有丰富的镁资源，镁合金的产业化早已成为国家科技战略发展方向之一。目前，多家研究所、高校和企业都参与了国家关于镁材料的研究项目，致力于推动镁合金在工业领域的规模化应用。但是，对于镁合金焊接技术的研究还不是很多，现有的镁合金焊接技术还存在着一些不足之处，这些不足之处也在一定程度上限制了镁合金的应用范围。为此，镁合金焊接技术的深入研究对于扩大镁合金的应用领域具有十分重要的意义。由于镁合金具有密度和熔点低，热导率、电导率及热膨胀系数大，化学活性强，易氧化且氧化物熔点高等特点，使得镁合金焊接技术会面临以下问题：1)粗晶：镁的熔点低，热导率高，焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝及近焊缝区容易发生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降低了焊接接头的力学性能。2)氧化与蒸发：镁的氧化性极强，极易与氧结合。在焊接过程中容易形成MgO，MgO的熔点高(约为2500℃)，密度大(3.2g/cm-3)，容易在焊缝中形成细小片状固态夹渣，不仅会严重阻碍焊缝成形，也会降低焊缝性能。在焊接高温下，镁还容易与空气中的氮化合生成镁氮化合物，氮化镁夹渣也会导致焊缝金属的塑性下降，劣化焊接接头的力学性能。镁的沸点不高(约为1100℃)，在电弧高温下很容易蒸发。3)镁合金薄件的烧穿与塌陷：在焊接薄件时，由于镁合金熔点较低，而氧化镁的熔点很高，两者不易熔合，焊接操作时难以观察到焊缝的熔化过程。一旦温度升高，熔池的颜色也并不会产生显著地变化，极易发生烧穿和塌陷现象。4)热应力和裂纹：镁及镁合金热膨胀系 数均较大，其约为钢的2倍，铝的1.2倍。在焊接过程中，容易引起较大的焊接应力与变形。5)气孔：在焊接过程中，镁材料容易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度也是随温度的降低而急剧减小。6)氧化燃烧：镁及其合金在空气环境下焊接时容易氧化燃烧，熔焊时需要采用惰性气体或焊剂保护来进行焊接。由于镁及其合金的上述特性，会导致其焊接难度大，焊接接头的综合性能较差，因此，相较于钢铁、铝材料的焊接工艺，镁及其合金的焊接工艺的要求相对更高。目前可用于镁合金焊接技术主要包括：TIG、MIG、激光等传统焊接方法，其中，TIG和MIG已经被广泛地应用于镁合金焊接领域。由于镁合金的熔点低，线膨胀系数和导热率高，与氧、氮的亲和力强，焊接后容易形成夹杂和脆性相，易产生焊接变形和热裂纹，焊接接头的力学性能较低。特别是对于10mm以下薄壁件产品来说，焊接技术更加难以掌控，焊接连接存在着难点。在诸多焊接问题中，焊穿是焊接镁合金薄壁件时最容易出现，也是最严重的焊接问题。一旦出现焊穿，整个工件性能严重下降。如果自动焊过程中某处出现焊穿，则将会发生断弧而致使后续焊接无法进行。如果焊接热量输入过大，熔深比较浅，热影响区较宽，并且焊接过程中还可能存在着气孔、夹杂和热裂纹等缺陷，甚至在热影响区内出现了晶粒明显粗化及晶界熔化现象，那么焊缝的外观质量和力学性能都会大幅度地下降。综上所述，现有焊接技术的缺陷在于：容易焊穿、焊接变形大、焊缝影响区组织粗大、焊后焊接件力学性能不高等，其是制约镁及其合金大规模应用的症结所在。为了使得由镁及其合金制成的结构件更广泛应用于实际生产领域，克服焊接技术的制约障碍，开发一种高效率、高质量针对镁及其合金的先进焊接技术是企业亟待解决的技术问题。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺。采用该焊接工艺所得到的焊缝的力学性能优异，尤其是，焊缝的强度高且延展性好。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残余料。为了实现上述目的，本发明提出了一种镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺，该冷金属过渡焊接步骤的工艺参数需满足：焊丝直径0.5～3mm；焊接电流80～150A，焊接电压8～15V；氩气保护气的流量10～20L/min；焊接速度12～25mm/s；送丝速度3.5～4.5m/min。基于本发明的技术方案，采用的冷金属过渡指的是在数字控制方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控，并采用脉冲式焊丝输送的焊接工艺技术。其中，换向送丝由前、后两套协同工作的焊丝输送机构组成，从而使得焊丝的输送过程呈间断的送丝。后送丝机构按照恒定的送丝速度向前送丝，前送丝机构则按照数字控制系统的指令以一定频率控制着脉冲式的电焊丝输送。当数字控制系统检测到一个短路信号后，就会反馈给送丝机，送丝机回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，实现无电流状态下的熔滴过渡。焊丝送丝和熔滴过渡中“冷-热”之间的交替变化，大大降低了焊接热的产生，并减少了焊接热在被焊接件中的传导。由于镁合金的熔点低，线膨胀系数和导热率高，与氧、氮的亲和力强，焊后容易形成夹杂和脆性相，也容易产生焊接变形和热裂纹，由此导致焊接接头的力学性能通常相对较低。尤其是，焊接厚度在10mm以下的镁合金薄壁件更加困难，镁合金薄壁件最容易发生焊穿现象。较之于采用现有的TIG或MIG焊接技术，由于本发明所述的焊接工艺所采用能量密度适中、焊接热输入小且焊接速度快，因此，其能够有效地避免在焊接过程中形成气孔、夹杂和热裂纹等焊接缺陷，防止在热影响区内易出现晶粒显著粗化及晶界熔化现象，改善焊缝的外观质量，提高焊接接头的力学性能。采用本发明所述的冷金属过渡焊接工艺时，数字控制系统监测到焊丝电流存在着一个短路信号时，就会将其反馈给送丝机，送丝机做出反应抽回焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在无电流状态下过渡。由于电弧自身输入热量过程很短，一旦电流短路，电弧即熄灭，焊接热输入量迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复进行。在上述焊接过程，热输入量相对较低，并且热输入量是可控的，非常适合焊接性能活泼且熔点低的镁合金材料。又由于在电流短路状态下焊丝回抽使得焊丝与镁熔滴分离，从而令镁熔滴过渡不产生飞溅，可以有利避免焊接过程中的残余料飞溅。在上述冷金属过渡焊接工艺中，对其工艺参数进行设定的设计原理如下：如果焊丝太粗的话，焊丝尖端能量密度小，且电弧挺度低，焊接时电弧容易左右偏移；反之，如果焊丝太细的话，则会降低焊接效率，并且还会提升焊丝的制造成本。综合考虑焊接效率和焊接质量，将焊丝直径控制在0.5～3mm范围之间。在焊接过程中，当焊接电流太大时，较高的热输入量会焊穿镁合金材料；当焊接电流太小时，则会降低熔池流动性，并且不利于焊缝成形。在焊接过程中，当焊接电压太高时，会增大焊接热输入量，并使得热影响区变宽；当焊接电压太低时，也会降低熔池的流动性，影响镁合金材料的焊缝成形性。为此，基于本发明的技术方案，将焊接电流设定为80～150A，并将焊接电压控制为8～15V。在镁合金的焊接过程中必须用氩气作为保护气体，以保证镁在熔化过程中尽可能地与氧气隔离，避免镁熔体的氧化，由此对焊缝起到良好的保护作用。但是，若氩气流量太大，镁合金的焊缝中容易产生气孔；若氩气流量太小，则无法有效地隔绝镁熔池与空气的接触。为了避免在焊缝中的气孔形成并令镁合金材料和空气隔绝开来，需要将氩气保护气的流量控制为10～20L/min。焊接速度对于焊接接头质量也有着重大的影响。如果焊接速度过快，热输入量偏低，镁熔池流动性不好，根部容易产生未焊透；如果焊接速度过慢，镁基体熔化过程热输入量又太大，容易导致焊缝塌陷，造成热影响区的软化。为此，需要将焊接速度控制为12～25mm/s。焊丝熔化速度与送丝速度之间的稳定平衡是确保焊接电弧稳定的必要条件之一。发明人发现，焊接电流很大程度上决定了焊丝的熔化速度，送丝速度与焊接电流是相对应的。基于焊接电流的设定范围，本发明所述的冷金属过渡焊接工艺中的送丝速度应当设定为3.5～4.5m/min。本发明所述的冷金属过渡焊接工艺的热输入量极低且可控。通过输入热量的减少，降低了焊接过程的温度升高，减少了焊后焊缝变形量，焊接接头组织得以细化，避免了焊缝存在气孔、夹杂和热裂纹等缺陷，防止在热影响区内出现晶粒明显粗化及晶界熔化现象，提高了焊缝的外观质量，改善了焊接接头的力学性能。采用本发明所述的冷金属过渡焊接工艺不会在焊接过程中发生残余料飞溅、起弧现象，有害污染物减少，一方面减少了焊后清理的工作量，另一方面 为工作人员提供了环保友好的工作环境。本发明所述的冷金属过渡焊接工艺尤其适合自动化焊接。进一步地，上述冷金属过渡焊接步骤的工艺参数还需满足：控制焊枪高度为距焊缝表面5～15mm，焊枪的倾斜角度为15～45°。焊枪与焊缝的相对位置对于焊缝质量有着关键影响。焊枪与焊缝之间的距离太远，氩气保护气对于焊接过程中的镁熔池的保护作用变差；焊枪与焊缝之间的距离太近，又容易引起飞溅。同时，焊枪的倾斜角度太大，镁熔池的冷却速度过快，使得焊缝成形性降低且容易产生未焊透；焊枪的倾斜角度太小，则无法有效地预热母材。鉴于此，控制焊枪高度为距焊缝表面5～15mm，并将焊枪的倾斜角度设定为15～45°。在此，焊枪的倾斜角度是指待焊的镁合金薄壁件的前进方向与焊枪之间的夹角。更进一步地，本发明所述的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺包括步骤：1)对镁合金薄壁件的待焊接部位进行打磨和清洗；2)在镁合金薄壁件的接缝处下方放置垫板；3)进行冷金属过渡焊接步骤。在上述步骤1)中，对于焊接部位进行打磨和清洗的目的在于去除表面氧化膜和污物，防止焊接时由此引起出现气孔和夹渣。在上述步骤2)中，在接缝处放置垫板，以保证镁合金薄壁件在焊接接缝处的焊透但不至于焊穿或塌陷。在上述步骤3)，需要对于冷金属过渡焊接步骤中的工艺参数进行设定。需要说明的是，在焊接完成后需要对于焊缝附近进行必要清理。更进一步地，在本发明所述的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺中，上述垫板的材料采用铜或不锈钢或碳钢。显然地，垫板的材质并不局限于上述三种材料，其也可以是由本领域技术人员知晓的其他材料制成的。更进一步地，在本发明所述的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺中，焊缝接口形式为对接，焊缝接口形态为U型或V型或Y型。可以根据镁合金薄壁件的厚度来设置焊缝接口形态。U型焊缝接口的根部 相对较薄，适用于有一定厚度的薄壁件。此外，U型焊缝接口的根部较宽，容易焊透并且焊条消耗量也相对较小。V型焊缝接口易于加工，便于操作。Y型焊缝接口的可焊性较好。本发明所述的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺利用了冷金属过渡技术，降低了焊接热输入量，由此降低了焊接过程的温度升高，减少了焊后焊缝变形量，细化了焊接接头组织，避免了焊缝存在气孔、夹杂和热裂纹等缺陷，提高了焊缝的外观质量，改善了焊接接头的力学性能。本发明所述的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺具有以下优点：1)经焊接后的焊缝的力学性能优异，焊缝屈服强度达到母材90％以上，且焊缝的延展性良好；2)焊缝成形性好，变形明显减小，外观齐整干净；3)在焊接过程中无飞溅残余料；4)焊接效率高，步骤简单，便于操作且成本低。附图说明图1为显示了焊枪的倾斜角度的示意图。图2-图4分别显示了采用了实施例A1的冷金属过渡焊接工艺后获得的焊缝的左侧基体、中部焊缝和右侧基体的截面微观组织图。具体实施方式下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。图1显示了基于本发明的技术方案焊枪在焊接过程中的倾斜角度。如图1所示，在焊接过程中，待焊接的镁合金薄壁件1沿着X方向行进，焊枪2在焊接时具有一倾斜角度，该倾斜角度α为焊枪2与待焊接的镁合金薄壁件1的沿焊缝的行进方向(X方向)之间的夹角，该倾斜角度α的取值范围为15～45°，图中h表示焊枪距焊缝表面的高度。实施例A1-A5实施例1-5分别焊接的是五种AZ31镁合金薄壁件。通过本发明的镁合金薄壁件的冷金属过渡焊接工艺来实现镁合金薄壁件的焊接，其依次包括步骤：1)清洗打磨：用打磨工具对镁合金薄壁件的待焊接部位进行打磨和清洗，以去除其表面的氧化膜和油污；2)放置垫板：将垫板放置在镁合金薄壁件的接缝处下方，以确保镁合金薄壁件焊透但不焊穿或塌陷；3)冷金属过渡焊接：固定镁合金薄壁件之间的拼缝位置，采用冷金属过渡焊接工艺，并控制冷金属过渡焊接步骤的工艺参数满足：焊丝直径0.5～3mm；焊接电流80～150A，焊接电压8～15V；氩气保护气的流量10～20L/min；焊接速度12～25mm/s；送丝速度3.5～4.5m/min；控制焊枪的高度h为距焊缝表面5～15mm，焊枪的倾斜角度α为15～45°(参阅图1)，具体参数如表1所示；4)焊接后清理：在冷金属过渡焊接完后，对所焊接焊缝附近进行清理，即得到焊接后的焊缝。另外，在上述步骤2)中的垫板可以由铜或不锈钢或碳钢等材质制成的。此外，在上述步骤3)中，镁合金薄壁件的焊缝接口形式为对接，其焊缝接口形态可以采用U型或V型或Y型。需要说明的是，上述对比例B1-B5采用的是现有的MIG技术。表1列出了实施例A1-A5和对比例B1-B5中的冷金属过渡焊接步骤所设定的工艺参数。表1.将采用实施例A1-A5和对比例B1-B5的冷金属过渡焊接工艺焊接后的焊缝取样，对于样品进行力学性能测试，将经过测试后所获得的结果列于表2中。表2列出了采用了实施例A1-A5和对比例B1-B5的焊接工艺后获得的焊缝的力学性能参数。表2.序号屈服强度(MPa)延伸率(％)母材屈服强度(MPa)与母材的屈服强度比(％)A11926.521091A22161023990A32051021894A4227624294A5267928195B1175521083B2205723986B3189821887B4207524286B5245728187由表2可知，本案采用实施例A1-A5的焊接工艺所获得焊缝的屈服强度≥192MPa，延伸率≥6％，与母材的屈服强度比≥90％，由此说明通过实施例A1-A5的焊接工艺所获得焊缝的具有较高的屈服强度和良好的延展性。结合表1和表2的内容可以看出，由于对比例B1-B5采用的是现有的MIG技术，因此，对比例B1-B5的屈服强度低于其所对应实施例的屈服强度，最低的屈服强度仅为175Mpa。另外，对比例B1-B5的延伸率也低于其所对应实施例的延伸率。此外，较之于实施例A1-A5的焊缝的屈服强度接近于母材的屈服强度，对比例B1-B5的焊缝与母材的屈服强度比最高仅为87％，其与母材的屈服强度比均没有达到或超过90％。综上所述，较之于对比例B1-B5，采用实施例A1-A5的焊接工艺所获得焊缝具有更好的力学性能。与此同时，观察采用实施例A1-A5的焊接工艺的焊接过程，发明人发现在焊接过程中焊接状态稳定，焊剂飞溅少，甚至不产生飞溅。观察焊接后的焊缝外观，发现焊缝成形性好，外观整齐。图2至图4分别显示了采用实施例A1的冷金属过渡焊接工艺后获得的焊缝从左侧基体、中部焊缝到右侧基体的微观组织。从图2、图3和图4中可以看出，由实施例A1的冷金属过渡焊接工艺后获得的焊缝的微观组织，左右侧基体和焊缝的过渡区域即热影响区的晶粒尺寸没有明显长大，表明焊接过程输入热源控制得很好；中部焊缝区域晶粒均匀细小、组织致密，表明焊接镁熔滴的温度控制适当，熔滴干净，在冷却凝固过程中气氛保护充分、冷却速度快，无夹杂、气孔等焊接不良现象。这种纯净、均匀、细小的焊缝组织为焊接接头的高性能提供了保障，与拉伸力学性能实验结果一致，很好地验证了本发明工艺的实施效果。需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3