一種鋼-鎂異種金屬連接方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及冶金、材料、機(jī)械及汽車(chē)、軌道客車(chē)等行走機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，屬于異種材料連接【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法針對(duì)鋼-鎂異種金屬焊接性問(wèn)題，基于熔-釬焊鋼/鎂界面Fe和Al的反應(yīng)機(jī)理、界面溫度對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律及界面反應(yīng)產(chǎn)物（Fe-Al金屬間化合物）的性質(zhì)，通過(guò)優(yōu)化鎂合金焊絲成分和焊接工藝參數(shù)促進(jìn)鋼/鎂界面Fe和Al的冶金反應(yīng)、限制Fe-Al金屬間化合物層的厚度，提高鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊接頭的力學(xué)性能及焊接質(zhì)量。本發(fā)明一種鋼-鎂異種金屬連接方法的工藝步驟為：鋼-鎂焊件坡口加工→采用優(yōu)化的鎂合金焊絲→采用優(yōu)化焊接工藝→鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種鋼-鎂異種金屬連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金、材料、機(jī)械及汽車(chē)、軌道客車(chē)等行走機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，屬于異種材料連接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，作為制造業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)的汽車(chē)、軌道客車(chē)等行走機(jī)械工業(yè)正面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。輕量化、節(jié)能、環(huán)保和安全已成為當(dāng)今汽車(chē)、軌道客車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)、軌道客車(chē)輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑和關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個(gè)方面:一是輕量化材料的應(yīng)用；二是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化；三是新型制造工藝技術(shù)的使用。鎂合金由于其具有密度低，比強(qiáng)度、剛度高，易于回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料和最重要的商用輕質(zhì)材料。因此，在設(shè)計(jì)和制造中增加鎂合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用量是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)、軌道客車(chē)輕量化的有效途徑。隨之而來(lái)的鋼-鎂異種金屬的連接便成為亟待解決的問(wèn)題。熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊(Metal inert-gasarc welding, MIG)具有生產(chǎn)效率高、成本低及易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已成為汽車(chē)、軌道客車(chē)制造中應(yīng)用最為廣泛的焊接技術(shù)之一。但是，由于鋼和鎂的物理、化學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異，導(dǎo)致鋼-鎂異種金屬的焊接性極差。迄今為止，尚無(wú)適用于鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG焊的焊接工藝，采用鋁(鎂)合金MIG焊工藝，鋼-鎂接頭的抗拉強(qiáng)度小于20MPa，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的連接。存在的主要問(wèn)題是:(I)鋼和鎂的熔點(diǎn)相差很大(800°C以上)，且鎂的沸點(diǎn)較低(IlOO0C )，很難通過(guò)熔合實(shí)現(xiàn)連接；(2)鋼/鎂界面的Fe和Mg之間不發(fā)生冶金反應(yīng)、液態(tài)鎂對(duì)固態(tài)鋼的潤(rùn)濕性差，很難形成牢固的冶金結(jié)合；(3)鎂及鎂合金的熱膨脹系數(shù)大(約為鋼的2倍)，易引起較大的焊接應(yīng)力、變形，且明顯增加接頭產(chǎn)生裂紋的傾向；(4)氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低急劇減小，焊縫易產(chǎn)生氣孔缺陷。這已成為制約汽車(chē)、軌道客車(chē)等行走機(jī)械輕量化的主要技術(shù)瓶頸之一?；阡摵玩V的物理化學(xué)性質(zhì)、鋼-鎂異種金屬的焊接性問(wèn)題及MIG熔-釬焊特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化焊絲化學(xué)成分和焊接工藝參數(shù)促進(jìn)鋼/鎂界面冶金反應(yīng)提高接頭性能的技術(shù)路線(xiàn)是可行的。研發(fā)的鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接技術(shù)在汽車(chē)、軌道客車(chē)等行走機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值，在其它工業(yè)領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種鋼-鎂異種金屬連接方法，該方法基于熔-釬焊鋼/鎂界面Fe和Al的反應(yīng)機(jī)理、界面溫度對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律及界面反應(yīng)產(chǎn)物(Fe-Al金屬間化合物)的性質(zhì)，通過(guò)優(yōu)化鎂合金焊絲成分和焊接工藝參數(shù)促進(jìn)鋼/鎂界面Fe和Al的冶金反應(yīng)、限制Fe-Al金屬間化合物層的厚度，提高鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊接頭的力學(xué)性能及焊接質(zhì)量。
[0004]本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]一種鋼-鎂異種金屬連接方法，按以下工藝步驟進(jìn)行:[0006]a)坡口加工:鋼-鎂接頭形式為非對(duì)稱(chēng)的V形坡口對(duì)接，鋼的坡口面角度θ1=40-50°，鎂及鎂合金的坡口面角度θ2=25-35°。通過(guò)增大鋼的坡口面角度，增加鋼/鎂界面的面積，改善接頭的力學(xué)性能。
[0007]b)焊接材料:鋼-鎂異種金屬連接使用鎂合金焊絲(直徑1.2mm、1.6mm)，主要化學(xué)成分為Mg- (5-7) %A1- (0.6-1.2) %Zn。通過(guò)優(yōu)化鎂合金焊絲及焊接熔池(焊縫)成分，促進(jìn)鋼/鎂界面的冶金反應(yīng)、限制金屬間化合物層的厚度，提高接頭的力學(xué)性能。
[0008]c)焊接工藝:鋼-鎂異種金屬連接采用MIG熔-釬焊方法；焊接過(guò)程中，焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流130-150kA、電弧電壓20-22V、焊接速度0.5-0.7m/min，氬氣流量15-18L/min。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)及焊接熱輸入量，促進(jìn)鋼/鎂界面的冶金反應(yīng)、限制金屬間化合物層的厚度，提高接頭的力學(xué)性能和焊接質(zhì)量。
[0009]研究結(jié)果表明，鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG過(guò)程中，鎂合金焊絲及焊接區(qū)鎂合金母材熔化形成熔池，而鋼母材不熔化處于固態(tài)，屬于熔-釬焊的范疇；鎂合金焊接熔池與固態(tài)鋼的界面冶金反應(yīng)是影響焊接頭力學(xué)性能的主要因素，界面反應(yīng)產(chǎn)物主要為Fe-Al金屬間化合物(Fe2Al5, Fe4Al13)和固溶體；增加鎂合金焊絲(熔池)的含鋁量有利于促進(jìn)界面反應(yīng)、實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，但過(guò)高的含鋁量易形成較厚的Fe-Al金屬間化合物層(> 8 μ m)影響接頭的力學(xué)性能；增大焊接電流、電弧電壓或減小焊接速度有利于促進(jìn)Fe、Al的互擴(kuò)散及界面冶金反應(yīng)，但過(guò)高的焊接熱輸入導(dǎo)致金屬間化合物層厚度增加、產(chǎn)生裂紋的傾向增大及鎂的過(guò)度氧化和蒸發(fā)，明顯影響接頭性能和焊接質(zhì)量；增大鋼的坡口面角度可增加鋼/鎂界面的面積，焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部有利于改善鋼/鎂界面溫度場(chǎng)的均勻性；采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法優(yōu)化鎂合金焊絲成分和MIG焊參數(shù)有利于提高鋼-鎂接頭力學(xué)性能及焊接質(zhì)量。
[0010]采用本發(fā)明的方法進(jìn)行鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，接頭達(dá)到的性能指標(biāo)為:
[0011](I)鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度110_130MPa，接頭拉伸斷裂發(fā)生在鎂合金焊縫區(qū)和鋼/鎂界面區(qū)，與采用鋁(鎂)合金MIG焊工藝相比，接頭強(qiáng)度提高5倍以上；
[0012](2)接頭鋼/鎂界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，界面Fe-Al金屬間化合物層厚度< 8 μ m ;
[0013](3) MIG焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形良好，接頭無(wú)裂紋、氣孔等焊接缺陷。
[0014]本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)針對(duì)鋼-鎂異種金屬的焊接性問(wèn)題，基于鎂合金焊絲含鋁量和MIG焊接工藝參數(shù)對(duì)鋼/鎂界面冶金反應(yīng)、金屬間化合物層厚度及接頭力學(xué)性能影響規(guī)律的試驗(yàn)結(jié)果，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法優(yōu)化焊絲成分和焊接參數(shù)促進(jìn)界面冶金反應(yīng)、限制金屬間化合物層厚度，提高鋼-鎂接頭的力學(xué)性能及焊接質(zhì)量。優(yōu)化的焊絲成分、焊接參數(shù)范圍適當(dāng)，易于接頭性能及焊接質(zhì)量控制。
[0016](2)鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接采用常用的MIG焊設(shè)備，無(wú)需加釬劑或中間層輔助焊接，焊接工藝簡(jiǎn)便、易行，有利于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本及實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊的坡口及焊絲位置。[0018]圖2是鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊接頭。
[0019]圖3是鋼-鎂異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊接頭的拉伸斷裂位置。
[0020]圖1中:A-鋼母材，B-鎂及鎂合金母材，C-鎂合金焊絲，Θ 1-鋼的坡口面角度，θ 2-鎂及鎂合金的坡口面角度。
[0021]圖2中:S-鋼母材，M-鎂及鎂合金母材，W-鎂合金焊縫，F(xiàn)-鋼/鎂界面。
[0022]圖3中:S-鋼母材，M-鎂及鎂合金母材，W-鎂合金焊縫，F(xiàn)-鋼/鎂界面。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面舉例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0024]所述的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，鋼-鎂接頭連接包括:S355J2WN耐候鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，16Mn鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，H220YD高強(qiáng)鋼與AZ31B鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，Q235碳鋼與AZ31B鎂合金合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接。
[0025]實(shí)施例1、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行S355J2WN耐候鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，耐候鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm。接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，耐候鋼坡口面角度45°、鎂合金坡口面角度30° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-5.1%Α1-0.8%Zn ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流140kA、電弧電壓21V、焊接速度0.6m/min、氬氣流量17L/min。MIG焊縫成形良好，無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷，鋼-鎂焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度130MPa，鋼/鎂界面金屬間化合物層厚度約6 μ m，接頭拉伸斷裂發(fā)生在鎂合金焊縫區(qū)和鋼/鎂界面區(qū)。
[0026]實(shí)施例2、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行16Mn鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，16Mn鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm。接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，16Mn鋼坡口面角度50°、鎂合金坡口面角度25° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-5.1%Α1-0.8%Zn ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流135kA、電弧電壓20V、焊接速度0.55m/min、氬氣流量16L/min。MIG焊縫成形良好，氣孔、裂紋等焊接缺陷，鋼-鎂焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度125MPa，鋼/鎂界面金屬間化合物層厚度約6 μ m，接頭拉伸斷裂發(fā)生在鎂合金焊縫區(qū)和鋼/鎂界面區(qū)。
[0027]實(shí)施例3、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行H220YD高強(qiáng)鋼與AZ31B鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，高強(qiáng)鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm。接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，高強(qiáng)鋼坡口面角度40°、鎂合金坡口面角度35° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-6.6%Α1-1.1%Ζη ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流150kA、電弧電壓22V、焊接速度0.7m/min、氬氣流量18L/min。MIG焊縫成形良好，無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷，鋼-鎂焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度115MPa，鋼/鎂界面金屬間化合物層厚度約5 μ m，接頭拉伸斷裂發(fā)生在鋼/鎂界面區(qū)。
[0028]實(shí)施例4、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行Q235碳鋼與AZ31B鎂合金合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，碳鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm。接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，碳鋼坡口面角度45°、鎂合金坡口面角度30° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-6.6%Α1-1.1%Ζη ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流130kA、電弧電壓20V、焊接速度0.5m/min、氬氣流量15L/min。MIG焊縫成形良好，氣孔、裂紋等焊接缺陷，鋼-鎂焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度llOMPa，鋼/鎂界面金屬間化合物層厚度約5 μ m，接頭拉伸斷裂發(fā)生在鋼/鎂界面區(qū)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋼-鎂異種金屬連接方法，其特征在于，按以下工藝步驟進(jìn)行: a)坡口加工:鋼-鎂接頭形式為非對(duì)稱(chēng)的V形坡口對(duì)接，鋼的坡口面角度0,40-50°，鎂及鎂合金的坡口面角度θ 2=25-35°，通過(guò)增大鋼的坡口面角度，增加鋼/鎂界面的面積，改善接頭的力學(xué)性能； b)焊接材料:鋼-鎂異種金屬連接使用直徑為1.2mm?1.6mm的鎂合金焊絲，主要化學(xué)成分為Mg- (5-7) %A1- (0.6-1.2) %Zn，通過(guò)優(yōu)化鎂合金焊絲及焊接熔池即焊縫化學(xué)成分，促進(jìn)鋼/鎂界面的冶金反應(yīng)、限制金屬間化合物層的厚度，提高接頭的力學(xué)性能； c)焊接工藝:鋼-鎂異種金屬連接采用MIG熔-釬焊方法；焊接過(guò)程中，焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流130-150kA、電弧電壓20-22V、焊接速度0.5-0.7m/min、氬氣流量15_18L/min，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)及焊接熱輸入量，促進(jìn)鋼/鎂界面的冶金反應(yīng)、限制金屬間化合物層的厚度，提高接頭的力學(xué)性能和焊接質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，其特征在于，所述鋼-鎂接頭連接包括:S355J2WN耐候鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，16Mn鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，H220YD高強(qiáng)鋼與AZ31B鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，Q235碳鋼與AZ31B鎂合金合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，其特征在于，所述S355J2WN耐候鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，耐候鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm ;接頭形式為非對(duì)稱(chēng)的V形坡口對(duì)接，耐候鋼坡口面角度45°、鎂合金坡口面角度30° ；MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg_5.1%A1_0.8%Zn ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流140kA、電弧電壓21V、焊接速度0.6m/min、lS氣流量17L/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，其特征在于，所述16Mn鋼與AZ61鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，16Mn鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm ;接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，16Mn鋼坡口面角度50°、鎂合金坡口面角度25° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-5.1%A1_0.8%Zn ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流135kA、電弧電壓20V、焊接速度0.55m/min、氬氣流量16L/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，其特征在于，所述H220YD高強(qiáng)鋼與AZ31B鎂合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，高強(qiáng)鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm ;接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，高強(qiáng)鋼坡口面角度40°、鎂合金坡口面角度35° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-6.6%Α1_1.1%Ζη ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流150kA、電弧電壓22V、焊接速度0.7m/min、！S 氣流量 18L/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼-鎂異種金屬連接方法，其特征在于，所述Q235碳鋼與AZ31B鎂合金合金異種金屬M(fèi)IG熔-釬焊連接，碳鋼和鎂合金的板厚均為3.0mm ;接頭形式為非對(duì)稱(chēng)V形坡口對(duì)接，碳鋼坡口面角度45°、鎂合金坡口面角度30° ;MIG焊使用鎂合金焊絲，焊絲直徑1.6mm，主要化學(xué)成分為Mg-6.6%Α1_1.1%Ζη ;焊接過(guò)程中焊絲指向鋼坡口面的下部約2/3板厚處，焊接參數(shù)為:焊接電流130kA、電弧電壓20V、焊接速度0.5m/min、IS 氣流量 15L/min。
【文檔編號(hào)】B23K35/28GK103495796SQ201310485856
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】孫大千, 汪曉勇, 李洪梅, 谷曉燕 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)