CN108161263B - 一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氩弧焊‑钎焊复合焊接方法，该方法采用Mg‑Nb中间层来实现镁合金待焊板与紫铜板的焊接，阻隔了两种母材直接焊接所引起的接头内应力较大、引起变形，以及二者直接接触易形成中间化合物，影响焊接接头的强度、韧性的不利，获得的焊接件的综合性能优异；并且本发明采用氩弧焊和钎焊复合焊接方式，克服了单独采用氩弧焊或钎焊的缺陷，具有十分好的效果，工业应用价值广阔。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法。
背景技术
材料是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础，也是人类社会发展的先导，特别是现代高技术的发展，更是依赖于新材料技术的进步。新材料结构的研发是提高工业技术水平的重要支柱，如果没有现代超级结构材料的发展，就没有当今世界航空航天事业的进步。而有色金属材料是最重要的一类材料，例如镁和铝。其中镁的储量丰富，与其他常用金属相比，镁具有低密度、高比强度及可再回收利用等优点，成为人们关注的焦点，被誉为“21世纪新型的绿色环保工程材料”。
虽然镁被发现已有两百年的历史，但直到20世纪90年代，随着汽车工业中节能和环保的需要，对镁及镁合金的需求呈现快速、稳步上升的发展趋势。而随着镁合金制备、加工成形技术等的突破，适合不同使用要求的新型镁合金得到了开发，例如高强Mg-Al合金及阻燃镁合金等。我国将“镁合金应用及开发”列为国家科技发展规划中材料领域的重点，近10年来，Mg合金新的开发研究水平得到了显著地提高。目前Mg合金主要包括Mg-Al-Zn系、Mg-Al-Mn系、Mg-Al-Si系和Mg-Al-Re系等；但为了满足各机械工业部门对Mg合金结构性能的要求，一些新型的Mg合金得到了开发，例如应用于电子通讯产品的变形镁合金，超轻、高强、耐蚀的Mg-Li合金和Mg-Re合金，应用于未来航空航天领域的高温Mg合金Mg-Re-Ca-Zr以及快凝Mg合金等。而随着Mg合金制备技术的进一步提高，相继出现了Mg合金阻燃技术、Mg合金熔体环保型保护技术和Mg合金微弧氧化表面处理技术等，大大促进了Mg合金在汽车、航空航天等领域的应用。随着镁及镁合金在各行业中应用的迅速增长，镁及镁合金的连接问题引起人们的极大关注，但由于镁及镁合金的焊接性能不好，很难实现可靠的连接，因此镁合金以及镁合金与其他材料结构件的连接，成为制约镁合金应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术。CN103286402公开了一种镁合金的火焰钎焊焊接方法，该方法先制得钎料混合粉末，再采用镁带包裹粉末，并且经冷拉拔法制成钎料，可以根据需要调整最终钎焊钎料的直径和长度，整个过程未对原料进行熔融处理，因此避免了原料在熔化铸锭过程中的损失，并且无需熔炼设备，制备工艺简单。其次，该发明在材料的选择上通过大量实验，最终得出上述成分优化配置，其中Na3AlF6作为活化剂，钎焊过程中起熔解氧化镁的作用。最后，本发明对Mg粉、Zn粉和Al粉采用球磨处理，进一步减小粉末粒度使其活化，可以改善烧结体的强度，改善其延伸率。
紫铜具有极高的导电性、导热性和优良的塑性，导热性高使局部加热的条件恶化，热量不能集中，散失快，这要求在焊接之前保证母材的预热。铜也属于热膨胀系数较高的金属，比低碳钢高1.5倍，焊接时会产生大的变形或增大焊接应力引起裂纹。另外，铜液流动性好，粘着力差，焊接时难以控制。当温度在550℃左右时，紫铜的机械性能显著下降，这也是焊接时产生缺陷的一个原因。此外，紫铜的焊接中，焊缝及熔合区均易产生气孔，其主要原因与氢的溶解度下降和冶金过程中氢和氧的反应有关。
镁合金和紫铜的焊接过程中，一方面由于二者线膨胀系数、热导率相差较大，在焊接加热和冷却过程中变形不同，导致接头形成较大内应力；另一方面，二者直接接触易形成中间化合物，影响焊接接头的强度、韧性，从而影响整个焊接件的品质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，该方法能够很好的解决镁合金和紫铜的焊接过程中焊接接头综合品质差的缺陷。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为15-25V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以5℃～10℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-160℃～-220℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.1-0.4mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到450-550℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝。
其中，所述Mg-Nb中间层是由Mg、Nb和Zn、Zr按质量比1-2：1-2：0.05-0.1:0.05-0.1进行高温熔炼而得到的合金板。
优选的，所述Mg-Nb中间层是由Mg、Nb和Zn、Zr按质量比2： 2： 0.1: 0.1进行高温熔炼而得到的合金板。
所述镁合金焊丝的成分与镁合金待焊板的成分相同，直径为2-4mm。
所述步骤（2）中焊接的线速度100-200cm/min，氩气流量50-150L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离5-l5mm。
所述步骤（3）中钎料为铜锰银钎料。
优选的，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量 30-45wt%，锰含量 15-35wt%，余量为银。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明创造性的采用Mg-Nb中间层来实现镁合金待焊板与紫铜板的焊接，阻隔了两种母材直接焊接所引起的接头内应力较大、引起变形，以及二者直接接触易形成中间化合物，影响焊接接头的强度、韧性的不利，获得的焊接件的综合性能优异；
（2）本发明的Mg-Nb中间层避免了单独使用Mg中间层时Mg中间层与镁合金在接头处形成脆性的金属化合物，从而降低性能；或单独使用Nb中间层时Nb与紫铜形成金属间化合物而影响接头性能，Mg-Nb中间层由于形成了Mg的Nb合金，很好的克服了上述问题；
（3）本发明采用氩弧焊和钎焊复合焊接方式，克服了单独采用氩弧焊或钎焊的缺陷，具有十分好的效果，工业应用价值广阔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：
实施例1
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为20V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以8℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-180℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度150cm/min，氩气流量100L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离10mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.3mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到500℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量35wt%，锰含量 35wt%，余量为银。
实施例2
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为25V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以10℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-200℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度160cm/min，氩气流量120L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离10mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.3mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到500℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量45wt%，锰含量 30wt%，余量为银。
实施例3
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为20V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以6℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-170℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度120cm/min，氩气流量80L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离9mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.2mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到480℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量40wt%，锰含量 25wt%，余量为银。
实施例4
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为15V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以5℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-160℃℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度100cm/min，氩气流量50L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离5mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.1mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到450℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量45wt%，锰含量 25wt%，余量为银。
实施例5
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为25V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以10℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-220℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度200cm/min，氩气流量150L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离l5mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.4mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到550℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量40wt%，锰含量 25wt%，余量为银。
对比例1
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg中间层进行氩弧焊接，焊接电压为20V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以8℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-180℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度150cm/min，氩气流量100L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离10mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.3mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到500℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量 35wt%，锰含量 35wt%，余量为银。
对比例2
一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
（1）取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
（2）先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为20V，焊接过程在纯度为99.9%的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以8℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-180℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；其中，焊接的线速度150cm/min，氩气流量100L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离10mm；
（3）将步骤（2）氩弧焊接的镁合金待焊板和Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.3mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到500℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝；该步骤中钎料为铜锰银钎料，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量 35wt%，锰含量 35wt%，余量为银。
最后对钎焊接头进行剪切强度测试和拉伸强度测试，接头剪切强度试验方法按照GB11363.89(钎焊接头强度试验方法)进行，焊后的试件在MTS810力学性能试验机上测定接头的抗剪强度。测试时，夹持的夹具移动速度0.5mm/s，数据率5.0点，秒，温度18℃，记录接头断裂时所施加的载荷。
接头拉伸强度试验方法是利用线切割将所制备的钎焊接头切成GB11363-89(钎焊接头强度试验方法)规定的拉伸试样尺寸，使焊缝居中，并用砂纸将切割面磨平。拉伸试验在MTS810力学性能试验机上进行，夹持的夹具移动速度0.5mm/s，数据率5.0点/秒，温度18℃，记录接头断裂时所施加的载荷。
实验结果如下表：
| 剪切强度（Mpa） | 拉伸强度（Mpa） | |
| 实施例1 | 145.9 | 151.7 |
| 实施例2 | 147.6 | 157.2 |
| 实施例3 | 142.2 | 155.4 |
| 实施例4 | 139.3 | 149.8 |
| 实施例5 | 145.2 | 156.3 |
| 实施例6 | 137.8 | 145.7 |
| 对比例1 | 82.3 | 88.5 |
| 对比例2 | 93.1 | 97.1 |
对比上述实验数据，发现实施例1-6采用Mg-Nb作为中间层时接头的性能优异。
以上对本发明创造实施所提供的一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明创造实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明创造的限制。
Claims (7)
1.一种氩弧焊-钎焊复合焊接方法，其特征在于，所述复合焊接是将镁合金待焊板通过Mg-Nb中间层与紫铜板进行焊接，具体步骤如下：
(1)取网状结构的镁合金待焊板，先用丙酮清除待焊板表面的油污，然后用砂纸机械打磨待焊板，使其两侧露出金属光泽；
(2)先在台位上进行点焊定位，然后用镁合金焊丝对镁合金待焊板和Mg-Nb中间层进行氩弧焊接，焊接电压为15-25V，焊接过程在纯度为99.9％的氩气保护下进行；之后对焊接接头进行淬火，将淬火后的焊接接头放入到深冷处理装置中，以5℃～10℃/min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-160℃～-220℃，保温6小时，最后将焊件取出，在空气中达到25℃；
(3)将步骤(2)氩弧焊接的镁合金待焊板和Mg-Nb中间层与紫铜板进行对接，钎缝间隙宽度0.1-0.4mm，在钎缝上方预置钎料，钎料用量需确保填满间隙，在钎缝及钎料上方覆盖钎剂；使用火焰枪将母材预热到450-550℃，通过传热使钎剂熔化，待钎剂完全熔化后，在熔融钎剂保护下，使用钨极氩弧焊枪通过电弧放电快速加热钎料使其熔化，使得液态钎料在重力及毛细力作用下填充母材间隙，停止电弧加热，冷却过程中以火焰枪烘烤母材防止过快冷却，冷却后形成钎缝。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述Mg-Nb中间层是由Mg、Nb和Zn、Zr按质量比1-2：1-2：0.05-0.1:0.05-0.1进行高温熔炼而得到的合金板。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述Mg-Nb中间层是由Mg、Nb和Zn、Zr按质量比2：2：0.1:0.1进行高温熔炼而得到的合金板。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述镁合金焊丝的成分与镁合金待焊板的成分相同，直径为2-4mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中焊接的线速度100-200cm/min，氩气流量50-150L/min，焊枪喷嘴离施焊点的距离5-l5mm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中钎料为铜锰银钎料。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述铜锰银钎料的成分为：铜含量30-45wt％，锰含量15-35wt％，余量为银。
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