鎂合金焊接的十大工藝與常見缺陷
2019-12-06 10:58 ?瀏覽：次
(1) 粗晶
鎂的熔點(diǎn)低 ,熱導(dǎo)率高 ,焊接時(shí)需采用大功率的焊接熱源 ,焊縫及近縫區(qū)易產(chǎn)生過熱、晶粒長大、結(jié)晶偏析等現(xiàn)象 ,降低了接頭性能。
(2) 氧化與蒸發(fā)
鎂的氧化性極強(qiáng) ,易同氧結(jié)合 , 在 焊 接 過 程 中 易 形 成 MgO , MgO 熔 點(diǎn) 高(2 500 ℃),密度大 (3. 2 g/cm-3) ,易在焊縫中形成細(xì)小片狀固態(tài)夾渣 ,不僅嚴(yán)重阻礙焊縫成形 ,也降低焊縫性能。鎂在焊接高溫下 ,還易與空氣中的氮化合生成鎂的氮化物 ,氮化鎂夾渣也會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬的塑性 下 降 , 使 接 頭 性 能 變 壞。鎂 的 沸 點(diǎn) 不 高 ( 1100 ℃),在電弧高溫下很易蒸發(fā)。
(3) 薄件的燒穿與塌陷
在焊接薄件時(shí) ,由于鎂合金熔點(diǎn)較低 ,而氧化鎂的熔點(diǎn)很高 ,兩者不易熔合 ,焊接操作時(shí)難以觀察焊縫的熔化過程。溫度升高 ,熔池的顏色也沒有顯著變化 ,極易產(chǎn)生燒穿和塌陷現(xiàn)象。
(4) 熱應(yīng)力和裂紋
鎂及鎂合金熱膨脹系數(shù)較大 ,約為鋼的 2 倍 ,鋁的 1. 2 倍 ,在焊接過程中易引起較大的焊接應(yīng)力與變形。鎂易與一些合金元素(如 Cu、Al 、Ni 等) 形成低熔點(diǎn)共晶體 (如 Mg - Cu 共晶點(diǎn)溫度為 480 ℃,Mg- Al 共晶點(diǎn)溫度為 430 ℃,Mg-Ni 共晶點(diǎn)溫度為 508 ℃),脆性溫度區(qū)間較寬 ,易形成熱裂紋。研究發(fā)現(xiàn) ,當(dāng) w (Zn) > 1 %時(shí)會(huì)提高熱脆性 ,并可能導(dǎo)致焊接裂紋。在鎂中加入 w (Al) ≤10 % ,可細(xì)化焊縫晶粒 ,改善焊接性。含少量 Th 的鎂合金具有良好的焊接性 ,無裂紋傾向。
(5) 氣孔
焊鎂時(shí)易產(chǎn)生氫氣孔 ,氫在鎂中的溶解度也是隨溫度的降低而急劇減小。
(6)鎂及其合金在空氣環(huán)境下焊接時(shí)易氧化燃燒,熔焊時(shí)需用惰性氣體或焊劑保護(hù)。
一般來說,鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊和熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊是鎂合金常用的焊接方法。此外鎂合金還可以采用電阻點(diǎn)焊(RSW) 、摩擦焊 ( FW) 、攪拌摩擦焊 ( FSW) 、激光焊(LBW) 、電子束焊 (EBW) 等工藝進(jìn)行焊接。由于鎂的比熱容和熔化潛熱小,因此焊接時(shí)要求的輸入熱量少而焊接速度高。大多數(shù)情況下,鎂合金件可采用熔化焊,如電弧焊、激光焊、電子束焊和氣焊等方法進(jìn)行焊接。
鎢極氬弧焊是目前焊接鎂合金最常用的焊接方法 ,它是在惰性氣體的保護(hù)下 ,利用電弧熱熔化母材和填充金屬。直流電源焊接時(shí)要采用反極性接法 ,以便利用陰極霧化作用破壞、除去母材表面上的氧化膜 ,減少或避免焊縫中的氧化物夾雜。氬弧焊的熱影響區(qū)尺寸及變形比較小 ,焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能也比較高。
TIG焊方法在有無填充金屬的情況下都可以進(jìn)行鎂合金的焊接 ,由于電極與填充絲獨(dú)立 ,能克服MIG方法焊接規(guī)范范圍窄的缺點(diǎn) ,可以在較寬的工藝條件下進(jìn)行穩(wěn)定焊接 ,所以 TIG 焊在鎂合金的焊接方面比 MIG應(yīng)用更廣 ,特別適合于鎂合金薄板的焊接。但是由于鎂合金熱膨脹系數(shù)大 ,易產(chǎn)生焊接裂紋、焊后變形等缺陷 ,因此需要采用夾具固定、坡口處理、焊前焊后熱處理等措施 ,以保證獲得完整的焊接 接 頭。研 究 發(fā) 現(xiàn) , 采 用 交 流 TIG 方 法 焊 接AZ31B 鎂合金薄板后主要存在波浪變形、焊后錯(cuò)邊、焊瘤、表面'麻點(diǎn)'現(xiàn)象和弧坑裂紋等缺陷 ,通過調(diào)整焊接順序 ,采用大電流、快速焊和剛性固定等措施可以獲得較好的焊接接頭 ,接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材的80 %以上。
對(duì)于鎂合金厚板的焊接,為了獲得較大的熔深 ,很多研究都集中于活性鎢極氬弧焊 (A 2 TIG) 。這種方法是焊前在待焊材料表面涂敷單一活性劑 TiO 2 或氯化物 (LiCl ,CaCl 2,CdCl 2 , PbCl 2 ,CeCl 3 ),然后施焊,可以使焊縫熔深比常規(guī) TIG 焊增加 2 倍,接頭的微觀組織與未涂敷時(shí)沒有明顯區(qū)別,焊縫熔合良好 ,沒有裂縫、氣孔、夾渣等缺陷。其原理是添加活性劑可提高電弧電壓和電弧溫度 ,而且在焊接方向上增加了電弧寬度,使得焊接過程中在增大熱輸入的同時(shí)伴隨著熱流的重新分布。
鎂合金 TIG焊一般用交流焊機(jī)或電流強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)的直流焊機(jī),其選擇主要取決于母材合金成分、板料厚度及反面有無墊板等。焊接薄板時(shí),可采用交流或 DCEP 電源;焊接厚度大于 4 1 8 mm 的鎂合金時(shí),交流焊機(jī)因熔深較大而占優(yōu)勢。此外,采用交流焊時(shí)一般需疊加高頻脈沖電流以便穩(wěn)弧 ,但若采用方波交流電,則無需疊加高頻電流,且可產(chǎn)生較強(qiáng)的陰極霧化作用。
電極的選擇主要取決于所用電源類型和焊接電流大小,一般來說,Φ0.25 mm~6.35 mm的純鎢極、鋯鎢極和釷鎢極常被用于 TIG焊接。
焊鎂合金的MIG焊接方法具有以下特點(diǎn) :
①與TIG焊相比,焊接速度快,生產(chǎn)率高,全自動(dòng)焊速度高達(dá) 1 m/min 左右;
②由于以焊絲作電極,適宜的焊接規(guī)范較窄;
③由于熔融鎂的表面張力小,電極絲前端的熔滴難以脫離且焊接電流過高時(shí)熔滴爆炸蒸發(fā)造成飛濺;
④由于電極絲軟,送絲穩(wěn)定性差,在焊接過程中要采用推拉方式的特殊送絲裝置;
⑤市場上直徑小于 1.6mm 的焊絲很少有貨,對(duì)于焊接厚度小于2mm 的工件 ,難以找到適配焊絲。
鎂合金 MIG焊時(shí)可以有三種熔滴過渡形式:短路過渡、脈沖噴射過渡和噴射過渡。
焊接時(shí)出現(xiàn)哪種過渡形式取決于多方面因素,包括焊絲的熔化速度、焊接電流、送絲速度以及焊絲直徑等。其中,脈沖噴射過渡介于短路過渡和噴射過渡之間,需加脈沖電流才能實(shí)現(xiàn)。否則在特定的電流范圍、送絲速度以及焊絲球形端面條件下得到的是粗滴過渡形式,電弧不穩(wěn)定,易產(chǎn)生飛濺。
脈沖噴射過渡所需線能量小于連續(xù)噴射過渡的,適用于中等厚度板材;短路過渡適用于薄板焊接;噴射厚度適用于厚板焊接。鎂合金的 MIG 電弧焊通常采用 DCEP 電源,恒壓源可用于短路過渡和大部分的噴射過渡;恒流源用于噴射過渡,有利于減少飛濺。而脈沖 MIG 電弧焊必須采用特殊的脈沖電流恒壓源。有研究表明,選用合適的焊接電源和熱輸入,鎂合金接頭的靜載強(qiáng)度可以近似等于母材的強(qiáng)度,去掉焊縫余高后,疲勞強(qiáng)度比母材的高75 %。
熔化極和非熔化極氬弧焊焊絲選擇
WE-33M鎂合金焊絲是由美國R&D工業(yè)公司1987年研發(fā)，用于解決各種變形鎂合金及鑄造鎂合金在維修中的運(yùn)用，2010年由威歐丁(天津)焊接技術(shù)有限公司引進(jìn)中國大陸，主要用于解決常見的AZ31,AZ61,ZA91,AZ93等鎂合金的焊接，多用于廚具，汽車配件，自行車，航空航天等領(lǐng)域。
WE-33M鎂合金焊絲適用于氣焊和TIG氬弧焊各種鍛造鎂合金，鑄造鎂合金的焊接，對(duì)于常見鎂合金具有很好的抗裂性能，焊層可以適宜于熱處理。
WE-33M用于各種鍛壓鎂合金及鑄造鎂合金，廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器 ，航空航天，汽車配件及民用鎂制品和工藝品的焊接，是用于焊修鎂合金斷裂，裂紋，沙眼氣孔的專用鎂合金焊絲。
鎂合金氬弧焊安全規(guī)程
1)焊接工作場地必須備有防火設(shè)備，如砂箱、滅火器、消防栓、水桶等。易燃物品距離焊接場所不得小于5m。若無法滿足規(guī)定距離時(shí)，可用石棉板、石棉布等妥善覆蓋，防止火星落入易燃物品。易爆物品距離焊接所不得小于10m。氬弧焊工作場地要有良好的自然通風(fēng)和固定的機(jī)械通風(fēng)裝置，減少氬弧焊有害氣體和金屬粉塵的危害。
2)手工鎢極氬弧焊機(jī)應(yīng)放置在干燥通風(fēng)處，嚴(yán)格按照使用說明書操作。使用前應(yīng)對(duì)焊機(jī)進(jìn)行全面檢查。確定沒有隱患，再接通電源?？蛰d運(yùn)行正常后方可施焊。保證焊機(jī)接線正確，必須良好、牢固接地以保障安全。焊機(jī)電源的通、斷由電源板上的開關(guān)控制，嚴(yán)禁負(fù)載扳動(dòng)開關(guān)，以免形狀觸頭燒損。
3)應(yīng)經(jīng)常檢查氬弧焊槍冷卻水系統(tǒng)的工作情況，發(fā)現(xiàn)堵塞或泄漏時(shí)應(yīng)即刻解決，防止燒壞焊槍和影響焊接質(zhì)量。
4)焊人員離開工作場所或焊機(jī)不使用時(shí)，必須切斷電源。若焊機(jī)發(fā)生故障，應(yīng)由專業(yè)人員進(jìn)行維修，檢修時(shí)應(yīng)作好防電擊等安全措施。焊機(jī)應(yīng)至少每年除塵清潔一次。
5)鎢極氬弧焊機(jī)高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻電磁場會(huì)使人產(chǎn)生一定的頭暈、疲乏。因此焊接時(shí)應(yīng)盡量減少高頻電磁場作用的時(shí)間，引燃電弧后立即切斷高頻電源。焊槍和焊接電纜外應(yīng)用軟金屬編織線屏蔽(軟管一端接在焊槍上，另一端接地，外面不包絕緣)。如有條件，應(yīng)盡量采用晶體脈沖引弧取代高頻引弧。
6)氬弧焊時(shí)，紫外線強(qiáng)度很大，易引起電光性眼炎、電弧灼傷，同時(shí)產(chǎn)生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。因此，焊工操作時(shí)應(yīng)穿白帆布工作服，戴好口罩、面罩及防護(hù)手套、腳蓋等。為了防止觸電，應(yīng)在工作臺(tái)附近地面覆蓋絕緣橡皮，工作人員應(yīng)穿絕緣膠鞋。
等離子弧是一種受到約束的非自由電弧 ,也稱壓縮電弧 ,其溫度和能量密度都顯著高于普通電弧的 ,穿透力較強(qiáng) ,適合于厚板與弧長要求較大的場合。采用等離子弧焊焊接鎂合金時(shí) ,可以在背面無墊板的情況下實(shí)現(xiàn)厚板對(duì)接的一次全焊透 ,且焊縫表面光滑 ,表現(xiàn)出良好的疲勞力學(xué)性能。有研究表明鎂合金變極性等離子弧焊的可調(diào)焊接參數(shù)區(qū)間比較窄 ,且參數(shù)變化的影響較大。改變正負(fù)極性的時(shí)寬比 ,工件的陰極清理作用會(huì)發(fā)生變化 ,從而對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。通過合理選擇焊接參數(shù) ,可以獲得理想的焊接效果 ,接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的 90 %以上。
氣焊的熱源是火焰 (氧2燃?xì)饣旌先紵纬? ,熱量不集中 ,焊件被加熱區(qū)較寬 ,容易在接頭區(qū)導(dǎo)致較大的收縮應(yīng)力 ,形成裂紋等缺陷。同時(shí)殘留在焊縫中的助焊劑容易產(chǎn)生夾渣和發(fā)生腐蝕 ,因而氣焊主要用于沒有合適熔焊設(shè)備的現(xiàn)場或不太重要的薄板構(gòu)件以及鑄件的焊補(bǔ)。鎂及鎂合金氣焊可選用 QJ401 助焊劑 ,試驗(yàn)表明 ,該熔劑工藝性尚好 ,但對(duì)鎂的腐蝕性強(qiáng) ,焊后應(yīng)徹底清理干凈。厚度小于 3 mm 的鎂合金件焊接時(shí) ,氣焊焊炬和焊絲應(yīng)作縱向運(yùn)動(dòng) ,不宜采用橫向擺動(dòng)。焊件厚度較大時(shí) ,允許氣焊焊炬和焊絲略作橫向擺動(dòng)。對(duì)于厚度大于 5 mm 的焊件 ,應(yīng)整體或局部預(yù)熱至 300 ℃~400 ℃后再進(jìn)行焊接 ;厚度大于 12 mm時(shí)可采用多層焊 ,一般在焊下一層之前應(yīng)先用細(xì)黃銅絲刷清除焊渣。焊接過程中可用焊絲不斷地?cái)噭?dòng)熔池,以破壞熔池表面上的氧化膜 ,并將焊渣引出熔池外。
電子束的能量密度高 ,穿透力很強(qiáng) ,具有焊接速度快 ,熱輸入少 ,焊道寬度及熱影響區(qū)窄 ,焊道熔深大 ,變形小 ,焊縫純潔度高等優(yōu)點(diǎn)。焊接鎂合金時(shí)在電子束下方會(huì)立刻產(chǎn)生鎂蒸氣 ,熔融金屬隨即進(jìn)入所產(chǎn)生的小孔中。由于鎂合金的熔點(diǎn)低、蒸氣壓高 ,因而所生成的小孔也比其他的金屬要大 ,容易在焊縫根部形成氣孔 ,因此要求有一套精確的操作工藝以防止氣孔與過熱。焊接過程中電子束的周向擺動(dòng)和聚焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)有利于消除氣孔 ,獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。此外 ,在焊縫周圍預(yù)置同質(zhì)填充金屬、在背面采用緊密貼合的襯墊都能減少氣孔。采用添絲方式焊接可以容易得到無縮松、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫 ,接頭的靜載強(qiáng)度可以與母材相當(dāng) ,接頭的抗腐蝕性能甚至好于母材的。
電子束焊通常在真空腔內(nèi)進(jìn)行 ,但焊接鎂合金時(shí)金屬的揮發(fā)對(duì)真空室污染很大 ,使其應(yīng)用受到限制 ,實(shí)際應(yīng)用的例子很少 ,有在 AZ3l 鎂材上研究的實(shí)例 ,表明焊接效果良好。有研究表明非真空電子束可以用于鎂合金的焊接 ,對(duì)于 AZ31 變形鎂合金、AM50A 以及 AZ91D 鑄造鎂合金 ,在適當(dāng)?shù)暮附庸に囅戮傻玫搅己玫慕宇^。相對(duì)較高的能量密度可以允許焊接速度達(dá)到 15 m / min ,熱輸入少而焊接效率高。非真空電子束焊接可以得到良好的焊縫成形 ,有利于提高接頭的疲勞強(qiáng)度。高速、高效、可高度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的非真空電子束焊接方法 ,有希望為鎂合金結(jié)構(gòu)件的廣泛應(yīng)用提供保證。
電子束焊焊縫的形狀受焊接參數(shù)的影響較大 ,尤其是電流的大小。隨著電流的增大 ,焊縫和熱影響區(qū)的寬度也增大。有研究表明 ,對(duì) AZ91D 合金采用不同的焊接方法 ,對(duì)比發(fā)現(xiàn)電子束焊接頭的力學(xué)性能最高 ,并且高于母材的 ,這主要是與其焊縫區(qū)晶粒非常細(xì)小、熱影響區(qū)很窄有關(guān)。
激光焊是利用高能量密度激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種高效精密加工方法。與其他熔焊方法相比 ,激光焊具有能量密度高 ,熱輸入少 ,接頭區(qū)殘余應(yīng)力和變形小 ,熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄 ,熔深大、焊縫組織細(xì)小、接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)。此外激光焊不需要真空條件 ,保護(hù)氣體種類及壓力范圍可方便選擇 ,可借助偏轉(zhuǎn)棱鏡或光導(dǎo)纖維將激光束引導(dǎo)到難以接近的部位進(jìn)行焊接、操作靈活 ,可穿過透明材料聚焦焊接等 ,這些都是電子束焊難以具備的。激光束可靈活控制 ,易于實(shí)現(xiàn)工件的三維自動(dòng)化焊接。研究表明變形鎂合金的激光焊焊縫強(qiáng)度可與母材的相近 ,通過選用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)可避免氣孔與咬邊的產(chǎn)生。
激光-TIG 復(fù)合熱源焊是在 1970 年提出的 , 然而 ,真正的應(yīng)用直到近幾年才出現(xiàn),這主要得益于激光技術(shù)以及弧焊設(shè)備的發(fā)展 ,尤其是激光功率和電流控制技術(shù)的提高。激光電弧復(fù)合對(duì)焊接效率提高十分顯著。這主要基于兩種效應(yīng):一是較高的能量密度導(dǎo)致了較高的焊接速度,工件對(duì)流損失減小 ;二是兩熱源相互作用的疊加效應(yīng)。焊接時(shí) ,激光引發(fā)的等離子體使電弧更穩(wěn)定,同時(shí),電弧能進(jìn)入熔池小孔,減小了能量的損失。
激光-TIG復(fù)合焊可顯著增加焊速,約為 TIG焊接的 2 倍,而且鎢極燒損大大減小,壽命增加;坡口夾角亦減小,焊縫寬度與激光焊時(shí)相近。國內(nèi)大連理工大學(xué)焊接技術(shù)研究所研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光-TIG 復(fù)合焊接設(shè)備,能有效地將激光焊與氬弧焊有機(jī)結(jié)合起來,充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn) ,且進(jìn)一步提高其綜合性能 ,實(shí)現(xiàn)高速焊接。采用激光氬弧復(fù)合熱源焊接工藝,可獲得高質(zhì)量焊接接頭,接頭的拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性均與母材的相當(dāng),較目前采用的氬弧焊方法,接頭性能 (尤其是疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性) 有顯著提高。
鎂合金薄板和擠壓件都可以采用常規(guī)的電阻焊 ,如縫焊、點(diǎn)焊和閃光對(duì)焊進(jìn)行焊接 ,其中點(diǎn)焊最常用。Mg 2 Al 系和 Mg 2 Zn 系合金的電阻焊性能較好。電阻點(diǎn)焊一般用于承受低載荷的工件焊接 ,如某些鎂合金框架、儀表艙、隔板等常采用電阻點(diǎn)焊。只要焊機(jī)功率能保證瞬時(shí)快速加熱,直流脈沖點(diǎn)焊機(jī)及一般的交流點(diǎn)焊機(jī)均可適用于鎂合金的點(diǎn)焊。
鎂合金電阻點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn)如下 :
(1) 鎂合金具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,點(diǎn)焊時(shí) ,須在較短的時(shí)間內(nèi)通過大電流;
(2) 鎂的表面易氧化,被焊面間的接觸電阻較大,當(dāng)通過大的焊接電流時(shí) ,往往產(chǎn)生飛濺;
(3) 由于導(dǎo)熱性好及線膨脹系數(shù)大,斷電后熔核冷卻收縮快,易引起縮孔及裂紋等缺陷;
目前,鑄造鎂合金特別是壓鑄鎂合金應(yīng)用比較廣泛。然而 ,殘留很多微氣孔是壓鑄合金產(chǎn)品存在的致命問題,這些氣孔因受熱而出現(xiàn)聚焦長大,嚴(yán)重地影響了合金的力學(xué)性能。因此這類鎂合金的熔化焊通常難以獲得理想的焊縫。于是,鎂合金的摩擦焊成為了關(guān)注熱點(diǎn)之一。
摩擦攪拌焊接是使用機(jī)械式的旋轉(zhuǎn)攪拌棒,通過旋轉(zhuǎn)摩擦和攪拌作用 ,將金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變成塑性狀態(tài) ,再輔以擠壓作用使材料接合在一起。這種利用攪拌棒造成金屬塑性流動(dòng)的方法可以應(yīng)用于板狀構(gòu)件對(duì)接和搭接 ,尤其適用于鋁、鎂等低熔點(diǎn)金屬的焊接。
目前已有研究者采用攪拌摩擦焊成功地實(shí)現(xiàn)了鎂合金薄板的連接 ,接頭形成后幾乎沒有任何變形 ,接頭上下表面光滑、無堆高 ,沒有裂紋、氣孔和背面未焊透等缺陷。此外,已成功地采用攪拌摩擦焊進(jìn)行 AZ61A、AM60 鎂合金的同種材質(zhì)焊和異種材質(zhì)焊。初步研究表明,攪拌摩擦焊還可以用于鎂和鋁異種材質(zhì)間的連接 。
鎂合金的釬焊工藝與鋁合金相似?？刹捎没鹧驸F焊、爐中釬焊及浸漬釬焊等方法,其中以浸漬釬焊應(yīng)用最為廣泛。釬焊時(shí)所用釬料一般都是鎂基合金組分,如 Mg 2 Al 2 Zn 釬料 ,適配釬劑為氯化物和氟化物的混合粉末。目前 ,無鍍層鎂合金的釬焊工藝一般僅限于硬釬焊 ,因?yàn)檫€沒有找到合適的去膜及界面活化軟釬劑。因此 ,對(duì)于無鍍層鎂合金的無釬劑軟釬焊僅限于焊接角接頭和填補(bǔ)變形件及鑄件噴涂前的非關(guān)鍵面上的表面缺陷。而帶有鍍層的鎂合金可以采用常用的軟釬焊技術(shù)。