專利名稱：一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有密度低(其密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4)，比剛度、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并且具有良好的電磁屏蔽性能和導(dǎo)熱性能，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程結(jié)構(gòu)材料。鎂合金能夠大大減輕結(jié)構(gòu)件的重量，在汽車和航空航天領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，其使用量也呈逐年增加趨勢。若能實(shí)現(xiàn)鎂合金和鋼的可靠連接，發(fā)揮異種材料的不同優(yōu)勢，將擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍，更大程度上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的輕量化生產(chǎn)。鎂合金與鋼在物理性能以及化學(xué)性能等方面存在巨大差異，鎂合金與鋼的熔點(diǎn)相差近900°C (鎂合金為660°C，鋼為1515°C)，并且鎂合金的沸點(diǎn)低(1100°C )，蒸汽壓高，若同時熔化鎂和鋼則不可避免地造成鎂合金的大量燒損蒸發(fā)。因此，采用傳統(tǒng)熔焊的方式很難獲得理想的焊接效果。此外，根據(jù)鎂-鐵二元合金相圖，鎂與鐵屬于典型的不反應(yīng)非互溶的兩種金屬兩者在常溫和高溫時幾乎不互溶，也不發(fā)生任何冶金反應(yīng)，不生成中間相。因此，添加能夠與鎂、鐵形成互溶或發(fā)生反應(yīng)的過渡金屬成為研究的焦點(diǎn)。在中國專利《一種鎂合金與鋼的焊接方法》(申請?zhí)?00910188301.0)中公開了一項(xiàng)方案，在鎂合金與鋼之間預(yù)置鎳合金或銅合金片，采用激光-電弧復(fù)合焊接的方法，焊接時在鎂合金側(cè)形成Mg2Ni 或Mg2Cu等金屬間化合物，在鋼接觸一側(cè)形成鎳-鐵或銅-鐵的固溶體，從而實(shí)現(xiàn)了鎂合金與鋼之間的冶金連接。該方法雖解決了鎂與鋼不反應(yīng)非互溶的問題，但是，其實(shí)現(xiàn)方式是采用搭接接頭穿透焊，激光穿透鎂合金上板，熔化高熔點(diǎn)的Ni或Cu夾層，然后和下板的鋼形成一個熔池，因此鎂合金的燒損問題和表面成型很難控制。另外，添加薄夾層對裝配的要求較高，不適用于實(shí)際的焊接生產(chǎn)。同時，該方法無法針對不同系列的鎂合金和不同種類的鋼進(jìn)行合理的調(diào)控，以獲得鎂/鋼接頭連接的最佳效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有焊接鎂合金與鋼的方法存在燒損和表面成型很難控制的問題， 而提供一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法。一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，具體是按以下步驟完成的一、制備焊絲按 Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 10%、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%和余量為Mg的形式進(jìn)行熔煉， 然后進(jìn)行拉拔，并冷卻至室溫就得到焊絲；二、滲透處理采用真空爐在溫度為100(TC 1100°C、真空度為61 701 的條件下對鋼表面進(jìn)行熱滲處理，熱滲處理時間為Mi 12h， 即得到合金元素/鋼；三、裝卡首先對鎂合金和步驟二得到的合金元素/鋼進(jìn)行表面處理，然后采用搭接接頭的方式，并以鎂合金在上、步驟二得到合金元素/鋼在下的形式采用工裝夾具固定在工作臺上，鎂合金與合金元素/鋼帶有合金元素的一側(cè)搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接在激光功率為500W 10kW、焊接速度為0. lm/min 6m/min的條件下， 采用步驟一制備的焊絲對步驟三得到的待焊工件進(jìn)行焊接，激光束照射在合金元素/鋼表面上，且與鎂合金邊緣相距1.0mm 3. Omm,以氬氣或氦氣保護(hù)，保護(hù)氣流量為lL/min 50L/min,送絲速度為焊接速度的2 5倍，即完成合金元素調(diào)控鎂/鋼的焊接；步驟二中所述的合金元素是由10% 18% Cr、l % 8% Mrul % 8% Ni和余量為Mg混合而成的粉末狀固體。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)一、本發(fā)明利用激光熔釬焊方式，解決鎂合金和鋼熔點(diǎn)差異大的問題，利用鎂基焊絲對搭接接頭進(jìn)行填充，熔焊一側(cè)形成很好的連接，將鎂/鋼連接的關(guān)鍵控制在釬焊側(cè)的界面處；二、本發(fā)明利用鎂基焊絲和鋼中所添加的合金元素，在鎂/鋼界面處發(fā)生擴(kuò)散，生成反應(yīng)相以實(shí)現(xiàn)不反應(yīng)非互溶鎂/鋼之間的連接。同時，利用激光快速熱循環(huán)對界面反應(yīng)層進(jìn)行精確可控，使得釬焊的界面處不再是接頭的薄弱部位；三、和單一夾層相比，本發(fā)明可以同時添加多種所需的合金元素，針對不同的鋼種，可以靈活調(diào)整合金元素的種類和配比，以達(dá)到理想的焊接效果；四、本發(fā)明填充的焊縫與鎂合金形成很好的同質(zhì)連接，熔焊側(cè)沒有任何缺陷，焊絲熔化的合金元素和合金元素/鋼表面的合金元素發(fā)生相互擴(kuò)散，形成反應(yīng)層，最終實(shí)現(xiàn)非互溶不反應(yīng)鎂/鋼界面的冶金結(jié)合；五、焊后對接頭進(jìn)行拉剪測試發(fā)現(xiàn)，鎂合金與鋼的焊接接頭斷裂于鎂合金母材，抗拉強(qiáng)度達(dá)到鎂合金母材的92%， 完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。


圖1是具體實(shí)施方式
一所述的合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法示意圖，圖中1為鎂基焊絲，2為合金元素/鋼，3為鎂合金，4為激光束，5為焊絲熔化后形成的焊縫，6為焊絲中合金元素，7為合金元素/鋼表面的合金元素；圖2是現(xiàn)有技術(shù)焊接得到的鎂/鋼界面12000 倍的組織形貌圖；圖3是試驗(yàn)一焊接得到的鎂/鋼界面10000倍的組織形貌圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式一是一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，具體是按以下步驟完成的一、制備焊絲按Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 10%、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%和余量為Mg的形式進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行拉拔，并冷卻至室溫就得到焊絲；二、滲透處理采用真空爐在溫度為1000°C 1100°C、真空度為61 701 的條件下對鋼表面進(jìn)行熱滲處理，熱滲處理時間為他 12h，即得到合金元素/鋼；三、裝卡首先對鎂合金和步驟二得到的合金元素/鋼進(jìn)行表面處理，然后采用搭接接頭的方式，并以鎂合金在上、步驟二得到合金元素/鋼在下的形式采用工裝夾具固定在工作臺上，鎂合金與合金元素/鋼帶有合金元素的一側(cè)搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接在激光功率為500W 10kW、焊接速度為0. Im/ min 6m/min的條件下，采用步驟一制備的焊絲對步驟三得到的待焊工件進(jìn)行焊接，激光束照射在合金元素/鋼表面上，且與鎂合金邊緣相距1. Omm 3. Omm,以氬氣或氦氣保護(hù)，保護(hù)氣流量為lL/min 50L/min，送絲速度為焊接速度的2 5倍，即完成合金元素調(diào)控鎂/ 鋼的焊接。本實(shí)施方式步驟二中所述的合金元素是由10% 18% Cr、l% 8% Mn、l% 8% Ni和余量為Mg混合而成的粉末狀固體。本實(shí)施方式利用激光熔釬焊方式，解決鎂合金和鋼熔點(diǎn)差異大的問題，利用鎂基焊絲對搭接接頭進(jìn)行填充，熔焊一側(cè)形成很好的連接，將鎂/鋼連接的關(guān)鍵控制在釬焊側(cè)的界面處。本實(shí)施方式利用鎂基焊絲和鋼中所添加的合金元素，在鎂/鋼界面處發(fā)生擴(kuò)散， 生成反應(yīng)相以實(shí)現(xiàn)不反應(yīng)非互溶鎂/鋼之間的連接；同時，利用激光快速熱循環(huán)對界面反應(yīng)層進(jìn)行精確可控，使得釬焊的界面處不再是接頭的薄弱部位。和單一夾層相比，本實(shí)施方式可以同時添加多種所需的合金元素，針對不同的鋼種，可以靈活調(diào)整合金元素的種類和配比，以達(dá)到理想的焊接效果。本實(shí)施方式填充的焊縫5與鎂合金3形成很好的同質(zhì)連接，熔焊側(cè)沒有任何缺陷， 焊絲1熔化的合金元素6和合金元素/鋼2表面的合金元素7發(fā)生相互擴(kuò)散，形成反應(yīng)層， 最終實(shí)現(xiàn)非互溶不反應(yīng)鎂/鋼界面的冶金結(jié)合。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟四中所述的激光束為CO2氣體激光束，YAG固體激光束、半導(dǎo)體激光束、光纖激光束。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體是實(shí)施方式一或二之一的不同點(diǎn)步驟四中所述的激光束為連續(xù)式激光束和脈沖式激光束；其中所述的脈沖式激光束的頻率為IHz 500Hz。。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。采用下述試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果試驗(yàn)一一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，具體是按以下步驟完成的一、制備焊絲按Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 5%, Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和余量為Mg的形式進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行拉拔，并冷卻至室溫就得到焊絲；二、滲透處理采用真空爐在溫度為1050°C、真空度為35 的條件下對鋼表面進(jìn)行熱滲處理，熱滲處理時間為9h，即得到合金元素/鋼；三、裝卡首先對鎂合金和步驟二得到的合金元素/鋼進(jìn)行表面處理，然后采用搭接接頭的方式，并以鎂合金在上、步驟二得到合金元素/鋼在下的形式采用工裝夾具固定在工作臺上，鎂合金與合金元素/鋼帶有合金元素的一側(cè)搭接在一起，得到待焊工件； 四、焊接在激光功率為5000kW、焊接速度為2m/min的條件下，采用步驟一制備的焊絲對步驟三得到的待焊工件進(jìn)行焊接，激光束照射在合金元素/鋼表面上，且與鎂合金邊緣相距 2. Omm,以氦氣保護(hù)，保護(hù)氣流量為25L/min，送絲速度為焊接速度的3. 5倍，即完成合金元素調(diào)控鎂/鋼的焊接。本試驗(yàn)步驟二中所述的合金元素是由14% Cr,4. 5% Mn,4. 5% Ni和余量為Mg混合而成的粉末狀固體。本試驗(yàn)步驟四中所述的激光束為(X)2氣體激光束。本試驗(yàn)步驟四中所述的激光束為連續(xù)式激光束。采用掃描電鏡方法觀察現(xiàn)有焊接方法得到的鎂/鋼界面和本試驗(yàn)焊接得到的鎂/ 鋼界面，如圖2和圖3所示，圖2是現(xiàn)有技術(shù)焊接得到的鎂/鋼界面12000倍的組織形貌圖，圖中的1表示焊縫，圖中的2表示鋼；圖3是本試驗(yàn)焊接得到的鎂/鋼界面10000倍的組織形貌圖，圖中的3表示焊縫，圖中的4表示合金元素/鋼，圖中的5表示反應(yīng)層；通過圖 2和圖3可以看出，現(xiàn)有技術(shù)焊接得到的鎂/鋼界面無任何反應(yīng)物生成；本試驗(yàn)焊接得到的鎂/鋼界面形成超薄的反應(yīng)層，厚度約為Ium 2um，這大大提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度，最終控制界面，使得接頭斷裂于鎂合金母材。
對本試驗(yàn)得到的焊接接頭進(jìn)行拉剪測試發(fā)現(xiàn)，鎂合金與鋼的焊接接頭斷裂于鎂合金母材，抗拉強(qiáng)度達(dá)到鎂合金母材的92 %，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
權(quán)利要求
1.一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，其特征在于合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法是按以下步驟完成的一、制備焊絲按Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 10%、&1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%和余量為Mg 的形式進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行拉拔，并冷卻至室溫就得到焊絲；二、滲透處理采用真空爐在溫度為1000°C 1100°C、真空度為61 701 的條件下對鋼表面進(jìn)行熱滲處理，熱滲處理時間為他 12h，即得到合金元素/鋼；三、裝卡首先對鎂合金和步驟二得到的合金元素/ 鋼進(jìn)行表面處理，然后采用搭接接頭的方式，并以鎂合金在上、步驟二得到合金元素/鋼在下的形式采用工裝夾具固定在工作臺上，鎂合金與合金元素/鋼帶有合金元素的一側(cè)搭接在一起，得到待焊工件；四、焊接在激光功率為500W 10kW、焊接速度為0. lm/min 6m/ min的條件下，采用步驟一制備的焊絲對步驟三得到的待焊工件進(jìn)行焊接，激光束照射在合金元素/鋼表面上，且與鎂合金邊緣相距1. Omm 3. Omm,以氬氣或氦氣保護(hù)，保護(hù)氣流量為 lL/min 50L/min，送絲速度為焊接速度的2 5倍，即完成合金元素調(diào)控鎂/鋼的焊接； 步驟二中所述的合金元素是由10% 18% Cr、l % 8% Mn、l % 8% Ni和余量為Mg混合而成的粉末狀固體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，其特征在于步驟四中所述的激光束為(X)2氣體激光束，YAG固體激光束、半導(dǎo)體激光束、光纖激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，其特征在于步驟四中所述的激光束為連續(xù)式激光束和脈沖式激光束；其中所述的脈沖式激光束的頻率為 IHz 500Hz ο
全文摘要
一種合金元素調(diào)控鎂/鋼焊接方法，它涉及一種焊接方法。本發(fā)明要解決現(xiàn)有焊接鎂合金與鋼的方法存在燒損和表面成型很難控制的問題。方法一、制備焊絲；二、對鋼表面進(jìn)行熔敷處理或者熱滲處理；三、以鎂合金在上、步驟二得到合金元素/鋼在下的形式采用工裝夾具固定在工作臺上，得到待焊工件；四、焊接采用激光束進(jìn)行焊接，即完成合金元素調(diào)控鎂/鋼的焊接。優(yōu)點(diǎn)一、解決鎂合金和鋼熔點(diǎn)差異大的問題；二、實(shí)現(xiàn)不反應(yīng)非互溶鎂/鋼之間的連接；三、可以靈活調(diào)整合金元素的種類和配比。本發(fā)明主要用于對鎂和鋼的焊接。
文檔編號B23K103/18GK102528286SQ201210044300
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者李俐群, 檀財旺, 郭偉, 陳彥賓 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)