镁和镁合金的焊接工艺要点

渤海船舶职业技术学院1毕业设计（论文）、题目镁和镁合金的焊接工艺专业焊接技术及自动化班级学号11G51218姓名刘东洵指导教师赵丽玲2014年06月06日渤海船舶职业技术学院2目录1绪论…………………………………………………………………………………42课题的背景…………………………………………………………………………53材料介绍……………………………………………………………………………64激光焊接技术…………………………………………………………………………71）同种镁合金的激光焊接…………………………………………………………72）镁合金与铝合金的激光焊接……………………………………………………75等离子弧焊技术…………………………………………………………………………81）同种镁合金的变极性等离子弧焊………………………………………………82）镁合金的变极性等离子弧缝焊…………………………………………………96低能耗激光诱导增强电弧复合焊接技术………………………………………………91）同种镁合金板材的焊接…………………………………………………………92）同种镁合金薄板的焊接…………………………………………………………103）异种镁合金板材的焊接…………………………………………………………104）镁合金与钢异种金属的焊接……………………………………………………117活性焊接技术………………………………………………………………………………121)镁合金活性焊接……………………………………………………………………122）镁合金活性焊丝填丝焊接…………………………………………………………128熔化胶接焊焊接技术………………………………………………………………………131)镁合金等离子弧胶接焊……………………………………………………………14渤海船舶职业技术学院32)镁合金与铝合金的激光胶接焊……………………………………………………149镁合金与铝合金的扩散焊接技术………………………………………………………1510镁合金焊接接头电弧喷涂防护技术……………………………………………………1611镁合金焊接技术的应用及展望…………………………………………………………1712结论…………………………………………………………………………………1813参考文献……………………………………………………………………………1914致谢…………………………………………………………………………………20渤海船舶职业技术学院41.绪论近10年来，由于受到能源节约以及环境保护的巨大推动，镁合金及其焊接技术的发展比任何时期都快，从焊接方法、焊接材料到焊接设备等方面都不断有新的突破，为镁合金焊接生产向优质、高效、低成本的方向发展提供了前所未有的良好条件，并大大促进了镁合金的产业化进程。镁合金由于其自身的物理化学特点，导致其焊接有很大困难，满意的焊接质量不易获得。镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹；镁的沸点低，温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的铝合金要高4-5倍，因而焊接时温度一旦过高，镁会气化，产生爆炸形成飞溅；镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，而容易形成夹杂；镁在接近熔化温度时，能与空气中的氮强烈化合生成脆性的镁的氮化物，显著降低接头力学性能；因此，实现镁合金优质焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅等缺陷。但是由于工业的迫切需要，许多科学工作者做出了很大的努力，并取得了一些重要成果。渤海船舶职业技术学院52.课题背景随着工业技术的发展，对汽车、摩托车、飞机的性能要求越来越高，降低结构重量成为提高性能的重要措施。镁及其镁合金具有比重轻，比强度高，重复利用性强等优点被誉为二十一世纪最有发展潜力的基础材料之一。我国镁资源储备位居世界第一，同时也是界上最大的镁生产国和出口国。前我国已占全球镁生产能力的3／4，产量的1／2。但镁合金应用开发严重滞后，80％以上作为初级原料低价出口，造成我国镁资源的极大浪费。随着我国加入世贸组织以及国际产业结构的调整，发展镁合金产业正面临重大的历史机遇与挑战。加快镁合金应用与产品制备核心技术的开发，将成为我国制造并抢占相关领域技术制高点，形成具有国际竞争力的新产业群体，并起到至关重要的作用。材料的发展，离不开连接问题。良好的连接是简化产品设计、降低产品成本的有效措施之一，连结技术的发展程度将直接影响镁合金的广泛应用。镁合金焊接方向，国内外的研究主要集中在氩弧焊、激光束。由于镁合金具有熔点低，导热率高，线膨胀系数高，表向张力小等特点，氩弧焊等传统的焊接技术在高技术制造领域所占的比重日趋减少。而激光焊接具有速度高，接头质量好等优点，得到了实际应用，但激光焊接设备投资和维护的本高，能量利用率低(尤其对铝、镁等具有高反射率的材料)，焊接时对被焊工件的组对间隙及位置精度要求很高，广泛应用受到了很大的限制。根据现有焊接工艺存在的优缺点，大连理工大学首次提出采用激光一电弧复合热源焊接镁合金工艺。实验发现，新工艺不仅综合了氩弧焊和激光焊两种焊接工艺的优点，克服两者存在的不足，还能显著增大焊接熔深、提高焊接质量，是一种很有发展前途的焊接工艺。本文对比分析镁合金氩弧焊、激光焊及激光一氩弧复合热源焊焊缝成犁、接头组织和力学性能，探索高效、优质的镁合金焊接工艺，为镁合金的广泛应用提供技术支撑。渤海船舶职业技术学院63.材料介绍众所周知，由于镁和镁合金的焊接性能不好，所以，近年来，分别采用钨极氩弧焊、激光焊、激光一氩弧复合热源焊接，使其变形成镁合金AZ31B，系统分析焊接接头的组织及性能。结果发现，氩弧焊的焊缝表面成型较好，但接头深宽比小、热影响区宽且组织晶粒粗大，试样的抗拉强度较低；激光焊接头深宽比大、几乎不存在热影区、组织晶粒细小、基本无焊接变形，试样的抗拉强度较高；激光一氩弧复合热源焊接技术焊缝的表面成型接近氩弧焊，其深宽比及组织晶粒度接近于激光焊，且焊接变形小，接头强度抗拉强度接近母材。激光一氩弧复合热源焊接技术充分利用了激光和电弧相互作用的优势，克服了二者的不足，无论是在接头质量，还是在生产效率上都具有明显的优势，是一种高质高效的镁合金焊接工艺。渤海船舶职业技术学院74．激光焊接技术1)同种镁合金的激光焊接激光焊接作为一种先进的连接技术，具有速度快、线能量低、焊后变形小、接头强度高等优点，得到了人们极大的关注。采用脉冲YAG激光对AZ31B变形镁合金进行对接焊，结果表明，镁合金激光焊焊缝变形小，成型美观，无裂纹等表面缺陷、背面熔透均匀，如图1所示。焊接接头热影响区不明显，无晶粒长大现象；焊缝区由细小的等轴晶组成，如图2所示。在本试验条件下，接头的抗拉强度可达母材的95%以上，实现了镁合金的良好连接。研究表明，激光焊接对焊接工艺参数要求严格，同时镁合金激光焊接过程中易出现裂纹、气孔、热影响区脆化和激光能量吸收率低等系列问题。图1激光焊焊缝表面形貌图2镁合金激光焊接接头组织2)镁合金与铝合金的激光焊接镁铝异种金属可以通过真空扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊等方法实现一定程度的连接，但其结合强度并不理想。造成这种结果的主要原因是两种材料焊接时在熔池内部形成了高硬度高脆性的金属间化合物。SiC颗粒在铸造领域常常与镁、铝合金结合形成复合材料，可以细化材料的微观组织并且全面地提高机械性能；其在表面熔覆的工艺中也经常得到应用。针对SiC的性质及其在镁、铝复合材料中应用研究的基础上，提出SiC作为中间层进行激光镁铝搭接焊工艺，将SiC颗粒作为中间层进行镁铝激光搭接焊，来达到提高镁铝焊接接头性能的目的。对比镁合金与铝合金的直接激光焊接与加入SiC颗粒的激光焊接，其宏观焊缝横截面如图3所示。在相同激光功率条件下，焊接熔池横截面宏观形貌发生了改变。与激光直接焊接相渤海船舶职业技术学院8比，加入SiC夹层后熔池内部搅拌能力降低并且镁铝板材界面处熔宽增加。对焊接试件进行剪切试验，结果表明SiC的加入改变了熔池的微观组织，使金属间化合物反应层厚度降低，焊缝的抗剪切拉伸性可达激光直接焊接的三倍以上。图3焊缝宏观横截面A．直接激光焊接B.加入SiC夹层的激光焊接5．等离子弧焊技术1)同种镁合金的变极性等离子弧焊等离子弧（PlasmaArc）是一种受到约束的非自由电弧，温度和能量密度都显著高于普通电弧，是一种高效的焊接方法。采用变极性等离子弧焊接镁合金时，可以在背面无垫板的情况下实现对接接头的连接，具有熔深大、焊前准备少、焊接质量高、工件变形小及焊道数目少等优点。图4为变极性等离子弧焊接镁合金AZ31B的接头宏观形貌，接头成形美观，背面熔透均匀。焊接接头没有明显的热影响区，焊缝组织均匀，晶粒细小，如图5所示；经测试焊接接头拉伸强度达到母材的95%以上。图4镁合金变极性等离子弧焊宏观接头形貌图5变极性等离子弧焊缝接头微观组织2)镁合金的变极性等离子弧缝焊采用变极性等离子弧焊对5mm厚的镁合金板材进行了缝焊，工艺原理图如图6所示，焊缝渤海船舶职业技术学院9的宏观照片如图7所示，从焊缝的宏观组织图看，上面镁板具有变极性等离子弧小孔焊的工艺特征——背面熔透均匀，接头的上下表面熔宽尺寸变化小，这将有利于减小应力集中，改善接头的性能。这种方法不仅提高了中厚度镁合金板材的焊接质量，还简化了生产流程、提高生产了效率，适用于大批量生产。图6变极性等离子缝焊工艺原理图图7变极性等离子缝焊焊缝宏观组织6．低能耗激光诱导增强电弧复合焊接技术低能耗激光诱导增强电弧复合焊接技术是在发现小功率激光诱导增强电弧的现象及规律的基础上，通过揭示小功率激光诱导增强电弧的多条件耦合及其物理本质，突破小功率激光诱导增强电弧的系列关键技术，发明出的一种低能耗激光诱导增强电弧焊接技术。目前采用该技术已成功实现了镁合金之间及镁合金与异质材料之间的优质高效连接，开发出了配套的镁合金专用低能耗激光诱导增强电弧复合焊接设备及系列焊接材料。1)同种镁合金板材的焊接采用低功率YAG激光-电弧复合焊接镁合金板材，焊接原理图如图8所示。试验发现，激光-电弧复合热源焊接镁合金焊缝成型良好，无气孔、裂纹等缺陷。在相同的焊接条件下，采用复合焊接方法获得的焊接熔深可达激光单独焊接的4倍，氩弧焊的2倍，如图9所示。焊接接头的拉伸强度达到母材95%以上，疲劳强度与母材相当，能够满足车辆结构件实际应用中对焊接接头动、静载荷的要求。渤海船舶职业技术学院10图8激光-TIG复合热源示意图图9焊缝形貌和熔深对比2)同种镁合金薄板的焊接目前研究的镁合金焊接板厚都在1.5mm以上，并且针对薄板一般都采用搭接焊的方式。而对于1mm以下镁合金薄板对接焊接的研究还很少，这一定程度上限制了镁合金在特定场合的应用。利用低功率激光-TIG复合焊接方法焊接镁合金薄板，通过系列实验确定了复合热源焊接镁合金薄板的最佳参数。在该参数下成功实现了0.8mm镁合金薄板的对接焊，单面焊双面成型，焊缝成形连续、美观，如图10所示。对焊接接头进行拉伸强度测试，结果表明低功率激光-TIG复合焊接得到的AZ31-AZ31及AZ31-AZ80对焊接头拉伸强度相比单TIG焊接大幅度提高，达到AZ31母材强度的95％以上。(a)镁合金薄板正面焊缝(b)镁合金薄板背面焊缝图10镁合金薄板激光-TIG复合焊接焊缝表面形貌3)异种镁合金板材的焊接采用低能耗激光诱导增强电弧技术进行了异种镁合金之间的焊接性研究，主要研究了AZ31与AZ61和AZ91的焊接工艺并分析了焊接接头的微观组织和力学性能。研究结果表明，采用该技术不仅可以实现异种镁合金之间的良好连接，同时能够实现不同厚度的异种镁合金的良好连接。图11为典型的异种镁合金焊接接头断面形貌，可以看出AZ31侧镁合金的热影响区比较窄，而AZ61和AZ91侧的热影响区比较宽，而且包括几个不同区域，这主要与三种镁合金渤海船舶职业技术学院11含铝量的不同以及低能耗激光电弧复合焊接工艺参数的选择有关。图11AZ31镁合金与AZ61、AZ91镁合金低能耗激光电弧复合焊接接头形貌拉伸试验结果如图12所示，采用低能耗激光电弧复合焊接技术所获得的AZ31镁合