CN108188582A - 一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法 - Google Patents
一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光‑电弧复合填丝焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、选择镁合金/高强钢汽车拼焊板所对应的板材并进行装配，所述板材包括镁板和钢板；S2、选择焊丝成分，所述焊丝成分为镁合金焊丝；S3、采用激光‑电弧复合焊接方法进行焊接；S4、在焊接过程中，使得激光束和电弧电极均向钢侧母材偏移一定偏移量。本发明解决了现有技术存在针对镁/钢异种材料拼焊板焊接时出现的接头成型差、力学性能低等的缺陷，本发明通过控制镁/钢界面瞬时温度以及优化焊接接头能量密度梯度，获得高界面结合性能以及高精度焊接接头成型的镁/钢对接焊接头，进而满足镁/钢拼焊板制备后续冲压环节需求。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体的说是涉及一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法。
背景技术
拼焊板技术是汽车车身设计制造中出现的一个崭新的概念，是利用焊接热源将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的板材拼合和焊接成一块整体板再冲压生产，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。对于汽车的轻量化、减少模具种类和数量等成效显著。汽车拼焊板技术的研究目前主要集中于钢结构件和铝合金结构件，其中汽车钢拼焊板已经实现批量应用。随着汽车轻量化要求不断提高，作为最轻的金属结构材料镁合金与高强钢之间组成拼焊板成为新的重要发展方向。
汽车钢拼焊板多采用激光对接焊接的方式来生产，而镁合金和高强钢异种金属材料拼焊板在激光对接焊接制备阶段时仍存在以下困难：(1)钢的熔点(1539℃)远大于镁的沸点(1090℃)，极易在焊接过程中出现镁侧焊漏或烧损缺陷，难以获得良好成型；(2)Mg和Fe是难固溶不反应异种金属材料的典型代表，常规焊接方法很难形成牢固的冶金结合；(3)液态镁对固态钢的润湿性差，焊接过程易产生氧化，结合性能低；(4)镁/钢的热膨胀系数、结晶收缩率等差异，极易产生裂纹。
国内外基于上述困难，解决镁/钢异种金属焊接熔沸点差异大主要采用搭接和熔钎焊的方式，促进镁/钢界面的冶金结合主要通过加夹层、镀层和填丝的方式，但是上述焊接方法均不能满足镁/钢拼焊板的对接焊接制备需求。目前关于镁/钢对接焊接的研究非常少且对于拼焊板制备均存在较大的局限性，例如吉林大学提出了一种3mm厚板钢-镁对接MIG熔钎焊方法(CN103495796A)，不适宜0.6～2.5mm厚度镁/钢汽车薄板拼焊且焊接接头强度仍较低；哈尔滨工业大学提出了一种镁/钢对接激光偏移焊方法(CN102091872A)，该方法工艺参数要求严格、成型差，难以满足后续冲压所需综合性能指标以及批量生产工艺需求。
由上述内容，可知现有的焊接技术均不能满足镁合金/高强钢汽车拼焊板制备工艺的焊接要求。
发明内容
鉴于现有技术存在针对镁/钢异种材料拼焊板焊接时出现的接头成型差、力学性能低等的缺陷，本发明的目的是要提供一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特别适用于镁合金/高强钢汽车拼焊板制备，其通过控制镁/钢界面瞬时温度以及优化焊接接头能量密度梯度，获得高界面结合性能以及高精度焊接接头成型的镁/钢对接焊接头，进而满足镁/钢拼焊板制备后续冲压环节需求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择镁合金/高强钢汽车拼焊板所对应的板材并进行装配，所述板材包括镁板和钢板；
S2、选择焊丝成分，所述焊丝成分为镁合金焊丝；
S3、采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接；
S4、在焊接过程中，使得激光束和电弧电极均向钢侧母材偏移一定偏移量。
基于上述方案，进一步优选的，
所述镁合金焊丝为以镁元素为主并加入有益合金元素的合金焊丝，所述镁合金焊丝中有益合金元素为下述元素其中一种或多种组合，所述元素至少包括：Al元素、Ni元素、Mn元素、Zn元素、Ag元素、稀土元素Ce、稀土元素Y和稀土元素La。
基于上述方案，进一步优选的，
所述镁合金焊丝的成分配比为Al元素质量百分含量5％～10％、Ni元素质量百分含量0.5％～10％、Mn元素质量百分含量0.1％～2.5％、Zn元素质量百分含量0.5％～1.5％、Ag元素质量百分含量0.3％～1.5％、稀土元素Ce、Y和La元素质量百分含量0.01％～0.5％，剩余为镁元素。
基于上述方案，进一步优选的，
所述激光-电弧复合焊接方法采用激光在前电弧在后的热源匹配复合模式，其中，所述激光热源为脉冲模式，所述电弧热源为非熔化极惰性气体保护焊TIG或者熔化极惰性气体保护焊，且使得激光热输入是电弧热输入的一定倍数，所述倍数大于1倍。
基于上述方案，进一步优选的，
所述激光热输入是电弧热输入的1.5～3.0倍。
基于上述方案，进一步优选的，
所述偏移量为0～1.0mm。
基于上述方案，进一步优选的，
所述镁板包括但不限于单质镁板、镁合金板中的任意一种；所述钢板包括但不限于低碳钢Q235板、镀层钢、不锈钢板、高强钢、超高强钢板中的任意一种。
基于上述方案，进一步优选的，
所述板材的装配过程包括：分别对镁板和钢板进行打磨并去除油污氧化膜后将所述镁板和钢板相互贴合进行装配并在装配时加入预变形。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明具有以下几方面优点：(1)本发明采用激光-电弧复合热源，能实现镁/钢异种金属的连续稳定对接焊，激光穿透能力强可以熔化高熔点的钢，电弧热源熔化镁母材和焊丝，利用激光与电弧热源能量匹配实现镁/钢异种金属界面气液态瞬时共存；(2)在镁/钢异种金属界面气液态瞬时共存条件下，通过填充焊接材料，使得接头界面富含Al、Mn和Ni等元素，将会形成纳米尺度过渡层以及Fe(Al)或者Fe(Ni)固溶体，改变现有大多数以FeXAlY化合物的界面结合模式，从而实现镁/钢金属界面的高质量冶金结合；(3)采用填丝焊焊缝成型良好，形成一个镁/钢对接包覆结构，通过铺展镁合金余高加强和界面冶金结合，实现接头整体动静载荷性能的大幅度提高能，这也为后续镁/钢拼焊板制备的冲压环节提供重要支撑。
附图说明
图1为本发明所述实施例1对应的镁/钢对接激光-电弧填丝焊原理图；
图2是镁/钢对接焊夹具及装配位置图；
图3是镁/钢对接焊正背面成型图；
图4是镁/钢焊接接头截面形貌图；
图5是镁/钢填丝焊接头拉伸断母材试样。
图中：1、激光，2、电弧，3、焊丝，4、镁合金母材，5、钢母材11、螺钉，2、待焊板材，3、压板，4、垫板，5、保护气槽，6、铜网，7、进气口，S、钢母材，M、镁及镁合金母材，W、镁合金焊缝。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明提供了一种适用于对等厚及不等厚度镁/钢异种金属拼焊板，如镁合金/高强钢汽车拼焊板进行制备的激光-电弧复合焊接方法，通过控制镁/钢界面瞬时温度以及优化焊接接头能量密度梯度，获得高界面结合性能以及高精度焊接接头成型的镁/钢对接焊接头，具体的其包括如下步骤：
一种用于制备镁合金/高强钢汽车拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、板材选择及装配：选择镁合金/高强钢汽车拼焊板所对应的板材并进行装配，所述板材包括镁板和钢板；
S2、焊丝成分的选择：选择焊丝成分，所述焊丝成分为镁合金焊丝；
S3、复合热源能量匹配：采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接；
S4、焊接成型控制：在焊接过程中，使得激光束和电弧电极均向钢侧母材偏移一定偏移量。
基于上述方案，进一步优选的，
所述镁合金焊丝为以镁元素为主并加入有益合金元素的合金焊丝以利用镁合金焊丝中有益合金元素促进镁/钢界面的冶金反应，提高接头的力学性能。焊丝选取的原则为：镁丝中的合金元素含量能在镁/钢界面形成连续过渡层，具体的所述镁合金焊丝中有益合金元素为下述元素其中一种或多种组合，所述元素至少包括：Al元素、Ni元素、Mn元素、Zn元素、Ag元素、稀土元素Ce、稀土元素Y和稀土元素La。更进一步优选的，所述镁合金焊丝的成分配比为Al元素质量百分含量5％～10％、Ni元素质量百分含量0.5％～10％、Mn元素质量百分含量0.1％～2.5％、Zn元素含质量百分量0.5％～1.5％、Ag元素质量百分含量0.3％～1.5％、稀土元素Ce、Y和La元素质量百分含量0.01％～0.5％，剩余为镁元素。所述镁合金焊丝的直径可选用1.2mm或者1.6mm。
在填丝焊中镁丝含一定量的合金元素能有效解决镁/钢异种金属冶金结合性，能有效的实现镁/钢异质材料的过渡，降低二者因熔点差异较大导致的连接困难，即起到桥梁作用改善镁/钢冶金相容性差问题，实现镁/钢异种金属的高强度连接。
基于上述方案，进一步优选的，
所述激光-电弧复合焊接方法采用激光在前电弧在后的热源匹配复合模式，其中，所述激光热源为脉冲模式，所述电弧热源为非熔化极惰性气体保护焊TIG或者熔化极惰性气体保护焊，且使得激光热输入是电弧热输入的一定倍数，述激光热输入是电弧热输入的1.5～3.0倍。更进一步优选的，其焊接优化参数为：激光功率500～5000W、激光离焦量0～4mm、电弧功率300～2000W、钨极高度1.0～2.0mm(以钢板上表面为基准)、TIG焊枪与板材成30°～70°、激光光束与电弧电极间距Dla＝1.0～3.0mm、焊接速度0.5～4.0m/min、送丝角度20°～60°、送丝速度1.2m/min～5.0m/min，以在该焊接条件下能得到界面结合强度高的镁/钢拼焊板焊接接头，满足镁/钢拼焊板制备后续冲压环节需求。
基于上述方案，进一步优选的，
为了获得镁合金与钢高的界面温度进而促进界面元素冶金结合，激光束和电弧电极均向钢侧母材偏移，偏移量为0～1.0mm。
基于上述方案，进一步优选的，
所述镁板包括但不限于单质镁板、镁合金板中的任意一种；所述钢板包括但不限于低碳钢Q235板、镀层钢、不锈钢板、高强钢、超高强钢板中的任意一种。
基于上述方案，进一步优选的，
所述板材的装配过程包括分别对镁板和钢板进行打磨并去除油污氧化膜后将所述镁板和钢板相互贴合进行装配并在装配时加入预变形；其中，所述镁板和钢板的待贴合面要求打磨平直以避免杂质影响镁板和钢板的结合强度并保证拼合时无缝隙。更进一步优选的，由于镁的烧损量较大，为了保证一个良好成型接头，使得镁合金板材厚度不小于钢板厚度，镁板和钢板的长、宽尺寸相等，如采用轻质镁合金板材厚度为1mm～2.5mm，汽车高强钢板板厚为0.6～2mm，且镁合金板材厚度是钢板厚度的1～2倍。更进一步优选的，为了防止角变形和降低焊后应力，使接头保证良好的受力状态，对接过程中加入预变形，钢板底边位置在镁板底边和镁板中心之间且使得预变形角度为5°～15°，组对间隙为0～0.5mm。更进一步优选的，本发明用夹具装配镁板和钢板，钢板底边位置在镁板底边和镁板中心之间，本发明的夹具带保护气槽，焊接过程中通入氩气防止背面发生氧化。本发明在加入预变形后，能有效降低镁/钢焊后应力过大开裂的现象。
以下结合具体实施例对本发明进一步说明：
实施例1：采用本发明的方法进行1.6mm的AZ31B镁合金与1.0mm的Q235低碳钢异种金属熔化焊连接：
镁板与钢板无缝隙对接，装配时加入预变形，减小焊后应力与应变；填充镁合金丝为AZ61镁合金焊丝，主要化学成分为Mg，有益合金元素采用(5-6)％Al、(0.5-1.5)％Zn；采用图1中所示的热源与焊丝分布方式，焊接过程中采用激光在前电弧在后的复合热源模式，激光垂直照射在镁/钢对接面位置，TIG热源与板材成45°，送丝的位置为复合热源前进侧，保证三者在同一个垂直的平面内。通过图2中所示的夹具背面通氩气防止氧化，采用背面自由成型的焊接方式。TIG电弧焊机采用的是交流柔性焊接方式，这样可以利用阴极清理作用去除母材表面之前处理中没有去除的氧化膜，免去了镀层或焊剂除氧化膜来增加润湿效果。焊接参数：激光功率800W、TIG电弧电流40A、焊枪角度45°、钨极高度1.5mm、TIG保护气流量10L/min、背面保护气流量6L/min、热源间距Dla＝1.5mm、焊接速度800mm/min、送丝速度1.5m/min、送丝角度20°。焊接时镁/钢都到达熔化状态，正面和背面通过液态镁合金的铺展形成钎焊连接，如图3(所选取的焊接参数为：激光功率700W、TIG电弧电流45A、焊接速度700mm/min、送丝速度1.6m/min)而在对接位置由于钢的熔化实现冶金连接，最终形成图4所示的镁/钢对接包覆结构，其中所选取的焊接参数为：激光功率700W、TIG电弧电流45A、焊接速度700mm/min、送丝速度1.6m/min；通过调控激光电弧能量匹配控制接头形貌和界面冶金结合，从而实现接头整体的高性能。对接头取10mm宽拉伸样，拉伸试样长度方向垂直与焊接方向，拉伸试样断裂位置如图5所示；拉伸载荷达到3265N，与钢母材的最大抗拉载荷相当，因此最终断在钢侧母材。
实施例2：采用本发明的方法进行1.6mm的AZ31B镁合金与等厚1.6mm的Q235低碳钢异种金属直角对接焊接。
填充镁合金丝为AZ61镁合金焊丝，主要化学成分为Mg，有益合金元素采用(5-6)％Al、(0.5-1.5)％Zn；焊接过程中采用激光在前电弧在后的复合热源模式，激光垂直照射在板上，TIG热源与板材成45°；将复合热源整体向钢侧偏移0.2mm，利用激光-TIG复合热源所特有的梯度热源特性，即具有高能量密度的激光用于熔化熔点较高的钢板，热源作用范围相对较大的TIG用于熔化镁合金板材及焊丝；单面焊接参数：激光功率1000W、激光离焦量-1mm、焊接速度600mm/min、TIG电流(交流柔性)60A、TIG保护气流量12L/min、TIG钨极高度1.5mm、热源间距2.5mm、送丝速度2.0m/min、送丝角度30°。焊后垂直于镁钢接头焊缝方向，截取平面尺寸为10mm×120mm的焊缝拉伸试样；实现接头抗拉强度可达203MPa左右。双面焊接参数：激光功率约300～500W、激光离焦量-1mm、焊接速度正面1000mm/min、背面1300mm/min、TIG电流60A、偏移量0mm、TIG保护气流量13L/min、TIG钨极高度1.5mm、热源间距(Dla)2mm、送丝速度1.2～2.0m/min、送丝角度30°，接头抗拉强度可达232MPa。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择镁合金/高强钢汽车拼焊板所对应的板材并进行装配，所述板材包括镁板和钢板；
S2、选择焊丝成分，所述焊丝成分为镁合金焊丝；
S3、采用激光-电弧复合焊接方法进行焊接；
S4、在焊接过程中，使得激光束和电弧电极均向钢侧母材偏移一定偏移量。
2.根据权利要求1所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：
所述镁合金焊丝为以镁元素为主并加入有益合金元素的合金焊丝，所述镁合金焊丝中有益合金元素为下述元素其中一种或多种组合，所述元素至少包括：Al元素、Ni元素、Mn元素、Zn元素、Ag元素、稀土元素Ce、稀土元素Y和稀土元素La。
3.根据权利要求2所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：
所述镁合金焊丝的成分配比为Al元素质量百分含量5％～10％、Ni元素质量百分含量0.5％～10％、Mn元素质量百分含量0.1％～2.5％、Zn元素质量百分含量0.5％～1.5％、Ag元素质量百分含量0.3％～1.5％、稀土元素Ce、Y和La元素质量百分含量0.01％～0.5％，剩余为镁元素。
4.根据权利要求1所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：
所述激光-电弧复合焊接方法采用激光在前电弧在后的热源匹配复合模式，其中，所述激光热源为脉冲模式，所述电弧热源为非熔化极惰性气体保护焊TIG或者熔化极惰性气体保护焊，且使得激光热输入是电弧热输入的一定倍数，所述倍数大于1倍。
5.根据权利要求4所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：
所述激光热输入是电弧热输入的1.5～3.0倍。
6.根据权利要求1所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：
所述偏移量为0～1.0mm。
7.根据权利要求1所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：所述镁板包括但不限于单质镁板、镁合金板中的任意一种；所述钢板包括但不限于低碳钢Q235板、镀层钢、不锈钢板、高强钢、超高强钢板中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：所述板材的装配过程包括：分别对镁板和钢板进行打磨并去除油污氧化膜后将所述镁板和钢板相互贴合进行装配并在装配时考虑预变形。
9.根据权利要求1所述的激光-电弧复合填丝焊接方法，其特征在于：
焊接过程中的焊接优化参数为：激光功率500～5000W、激光离焦量0～4mm、电弧功率300～2000W、钨极高度1.0～2.0mm，所述钨极高度以钢板上表面为基准、TIG焊枪与板材成30°～70°、激光光束与电弧电极间距Dla＝1.0～3.0mm、焊接速度0.5～4.0m/min、送丝角度20°～60°、送丝速度1.2m/min～5.0m/min。
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