專利名稱：一種改善鎂合金焊接組織與性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料焊后加工，屬于有色金屬中鎂合金板材生產(chǎn)加工領(lǐng)域，特別涉及一種鎂合金焊接后熱軋強(qiáng)化加工工藝。
背景技術(shù)：
高的比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散熱、易切削加工、易回收等許多特性，使鎂合金在電子、電器、交通、航天、航空和國防軍事工業(yè)等領(lǐng)域受到高度重視。焊接是最常見的優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減小生產(chǎn)成本的加工工藝，因此，若要充分發(fā)揮鎂合金的各方面性能，必須輔以成熟·的焊接技術(shù)。二戰(zhàn)期間，航空業(yè)需要找到焊接鎂和焊接鋁的方法，加速了氣體保護(hù)焊的研究進(jìn)程。氬弧氣體保護(hù)焊(TIG)發(fā)明后，鎂合金的焊接問題取得重大突破。鎂合金的研究仍如火如荼地進(jìn)行，相應(yīng)的焊接技術(shù)也隨之發(fā)展，力求改善鎂合金焊接質(zhì)量。當(dāng)今的鎂合金生產(chǎn)主要以熱擠壓、熱軋、鑄造等方法得到棒材、板材以及復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件。鎂合金板材在實(shí)際應(yīng)用過程中不可避免地會(huì)涉及到板材間的焊接，然而，由于鎂合金熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，在焊接過程中與氧、氮的親和力強(qiáng)，易形成氧化夾雜和脆性相，產(chǎn)生焊接變形和熱裂紋等問題，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。氬弧氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊等先進(jìn)焊接方法能有效的防止鎂合金焊接過程中的氧化并減少氣孔等缺陷，但鎂合金焊縫為鑄態(tài)組織，熱影響區(qū)晶粒粗大，導(dǎo)致這兩部分區(qū)域較基體而言，強(qiáng)度較差，成為鎂合金焊件首先受破壞的區(qū)域，且由于焊縫與基材組織狀態(tài)不同，即使打磨光亮，焊縫仍然明顯，影響美觀，這些因素都從很大程度上抑制了鎂合金焊接板材的生產(chǎn)、加工及應(yīng)用。此前針對(duì)此問題的研究，部分研究致力于改善焊接工藝，焊接參數(shù)等的優(yōu)化的改善了焊縫-熱影響區(qū)的組織和性能，但是效果有限，還有部分研究采用了熱處理的方法，提供某些可熱處理強(qiáng)化的焊縫-熱影響區(qū)強(qiáng)化工藝，但是在強(qiáng)化這兩個(gè)區(qū)域的同時(shí)，由于基材和這兩個(gè)區(qū)域的組織存在差異，可能會(huì)因?yàn)槭軣岬仍?，組織變得粗大，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。因此，改善鎂合金板材焊縫及熱影響區(qū)組織，提高其強(qiáng)度，使之與基材組織、強(qiáng)度趨于一致，成為了一項(xiàng)重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明解決鎂合金焊縫存在強(qiáng)度較差，并且焊縫影響美觀的問題，提供一種改善鎂合金板材焊縫-熱影響區(qū)的組織性能，使之與基材間的組織性能趨于一致。解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種改善鎂合金焊接組織與性能的方法，其特征在于，包括如下步驟:
O首先，將鎂合金焊接板材置于熱處理爐中，溫度在250°c 350°C之間，進(jìn)行f3h的焊后去應(yīng)力退火；一方面消除了焊接應(yīng)力，另一方面焊縫處的第二相有所溶解，組織變得均勻，有利于下一步工藝的進(jìn)行。2)打磨。在熱軋前，使用金相砂紙將焊縫處打磨平整，使之與基材等高，以免在熱軋過程中由于各部分受力不均導(dǎo)致焊縫開裂。3)熱軋。熱軋前，將鎂合金加熱到350°C 400°C，保溫20mirTlh后在350±50°C下熱軋熱軋，避免板材出爐后冷卻過快導(dǎo)致熱軋溫度偏低的情況。鎂合金在熱軋過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，獲得再結(jié)晶組織，晶粒得到細(xì)化，結(jié)合加工硬化效應(yīng)，強(qiáng)度硬度大幅提高。板材收到軋輥壓力的作用，板材組織結(jié)構(gòu)變得致密，有效減少焊縫處的微小氣孔，減少了板材受力時(shí)的裂紋源及其擴(kuò)展路徑。本發(fā)明工藝，在不進(jìn)行軋后退火情況下，可使鎂合金焊接板材的焊縫及熱影響區(qū)處的抗拉強(qiáng)度提高到基材的90%以上，焊縫-熱影響區(qū)處的組織細(xì)化至基材晶粒大小。經(jīng)過軋制的鎂合金焊板，組織性能得到大幅改善，并產(chǎn)生了一定量的孿晶，整體的殘余應(yīng)力增加。對(duì)于3mm厚TIG焊得到 的AZ31鎂合金焊接板，去應(yīng)力退火溫度為300±5°C，時(shí)間2h。其他成分及厚度的鎂合金焊接板材，其去焊接應(yīng)力退火工藝可以此為依據(jù)做適當(dāng)調(diào)整。所述焊接板材為填絲TIG焊、攪拌摩擦焊，單/雙面對(duì)焊板材，TIG焊時(shí)坡口可根據(jù)板材厚度選擇不開坡口、V型坡口、X型坡口等。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:1.本發(fā)明通過TIG焊對(duì)焊得到無明顯焊接缺陷的鎂合金焊板，然后對(duì)其進(jìn)行熱處理及熱軋等工藝，獲得組織和性能跟基材相近，具有晶粒細(xì)小的焊縫、熱影響區(qū)組織的鎂合金焊接板。TIG焊在保護(hù)氣下進(jìn)行，可有效防止鎂合金板材在焊接過程中的氧化，交流TIG焊在得到一定熔深的同時(shí)，可起到陰極霧化作用，清除板材表面的氧化夾雜，且相對(duì)于攪拌摩擦焊來說，TIG焊對(duì)所焊板材的形狀、表面質(zhì)量要求較低。2.本發(fā)明所述加工工藝，工藝簡(jiǎn)單，使固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及加工硬化多種合金強(qiáng)化原理相結(jié)合。經(jīng)過此工藝，焊縫強(qiáng)度提高明顯，與基材的抗拉強(qiáng)度相近。采用氬弧氣體保護(hù)焊(TIG)雙面焊方法焊接的3mm厚AZ31焊板，經(jīng)過此工藝處理后，焊板的抗拉強(qiáng)度，從基材的70%，最高可提高到90%以上，斷裂位置以焊縫中心為主，部分在熱影響區(qū)斷裂。3.根據(jù)板材的最終性能要求，可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整工藝參數(shù)。焊后退火工藝、軋制壓下量均可根據(jù)原始板材厚度、成型工藝等做出適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)使用條件。4.本工藝的發(fā)明，在提高焊縫-熱影響區(qū)-基材的整體強(qiáng)度的同時(shí)，由于焊縫-熱影響區(qū)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶，并且最終與基材晶粒大小相當(dāng)，焊縫在不腐蝕的情況下很難觀察到，提高了焊板的美觀性。5.本工藝過程周期短，適合大批量加工生產(chǎn)。常見的商用AZ31板材厚度一般在f IOmm之間，所需的焊后的去應(yīng)力退火溫度較低，300°C下時(shí)間只需f3h即可。軋制過程的總保溫時(shí)間一般不超過2h，整個(gè)過程可在1.5^5h內(nèi)完成。通過研究總結(jié)，本發(fā)明的內(nèi)在機(jī)理為:1.鎂合金焊接板材中，由于焊縫在冷卻過程中收縮，熱影響區(qū)受熱膨脹，焊縫-熱影響區(qū)-基體三個(gè)區(qū)域之間存在焊接應(yīng)力。同時(shí)，焊縫處為鑄態(tài)組織，由于焊接過程中冷卻速度較快，大量第二相沒有溶解，通過去應(yīng)力退火，有效減小了焊接應(yīng)力，適當(dāng)軟化焊板、溶解第二相，為熱軋階段做準(zhǔn)備。2.熱軋過程中，鎂合金板材受軋輥壓應(yīng)力作用，位錯(cuò)、孿晶密度增加，當(dāng)壓下量達(dá)到一定程度時(shí)，焊縫、熱影響區(qū)和基材發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在變形組織中出現(xiàn)無畸變的新晶粒，晶粒得到細(xì)化，對(duì)焊縫-熱影響區(qū)起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，軋下量進(jìn)一步增加，又在無畸變的晶粒中產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)。在此過程中，原焊縫區(qū)域中存在的大量Mg17Al12相溶入基體，達(dá)到固溶強(qiáng)化的效果。同時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，焊縫變得緊實(shí)，使得焊縫焊接過程中產(chǎn)生的一些微小氣孔得以消除，有效減少了焊縫及熱影響區(qū)處的裂紋擴(kuò)展路徑，從而提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。熱軋后的焊板，焊縫-熱影響區(qū)受到固溶強(qiáng)化、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)晶強(qiáng)化及加工硬化共同作用，組織細(xì)化，強(qiáng)度顯著提升。


圖1、3、5、7分別為編號(hào)A、B、C和D樣品(樣品I)的焊縫-熱影響區(qū)的金相顯微照片;
圖2、4、6、8分別為編號(hào)A、B、C和D樣品的基材金相顯微照片。圖10、11分別為編號(hào)A、C樣品的小倍數(shù)金相顯微照片。圖9為編號(hào)A、B、C和D樣品的焊縫(FZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和基體(BM)的平均晶粒大小散點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖并結(jié)合具體實(shí)例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解的是，這些實(shí)例是用于說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，在本發(fā)明的構(gòu)思前提下對(duì)本發(fā)明制備方法的簡(jiǎn)單改進(jìn)，都屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。樣品I為原始板材3mm厚軋制AZ31鎂合金板，焊接方向垂直原始板材軋制方向。樣品2為原始板材3mm厚擠壓AZ31鎂合金板，焊接方向平行原始板材擠壓方向?！N改善鎂合金焊接組織與性能的方法(改善鎂合金板材焊縫-熱影響區(qū)組織性能)，采用如下步驟，對(duì)樣品1、樣品2的板材進(jìn)行加工處理，具體步驟包括:
I) TIG焊雙面焊成型:
采用手動(dòng)交流填絲TIG雙面焊方法焊接，焊絲直徑2mm，成分與基材一致。軋板焊接方向垂直板材軋制方向，擠壓板焊接方向平行板材擠壓方向，得到初始焊板。焊接前對(duì)板材進(jìn)行打磨清除表面氧化層。焊接工藝參數(shù)為:焊接電流9(Γ100Α，焊接速度6 8mm/s，電弧長(zhǎng)度I 2mm,保護(hù)氣為気氣,流量10L/min。2.焊后去應(yīng)力退火:
除編號(hào)為A、E試樣外(以作對(duì)比)，熱軋前，將兩種焊板在溫度300°C下，退火2h。3.熱軋:
熱軋溫度約為300°C 35(TC，考慮到板材從熱處理爐中取出后溫度降低速度較快，熱軋前將焊板置于350°C 40(TC熱處理爐中，保溫30min后軋制，每軋制道次間保溫15min。樣品1、2在相同軋制溫度，例如350±10°C下軋制的軋制總道次、軋制總壓下量見表I。表I焊接板材軋制工藝:
權(quán)利要求
1.一種改善鎂合金焊接組織與性能的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)首先，將鎂合金焊接板材置于熱處理爐中，溫度在250°c 350°C之間，進(jìn)行f 3h的焊后去應(yīng)力退火； 2)然后，采用金相砂紙將焊縫處打磨平整，使之與基材等高； 3)將鎂合金加熱到350°C 400°C，保溫預(yù)熱20mirTlh;再在350±50°C下熱軋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述改善鎂合金焊接組織與性能的方法，其特征在于，對(duì)于3mm厚TIG焊得到的AZ31鎂合金焊接板，去應(yīng)力退火溫度為300±5°C，時(shí)間2h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 所述改善鎂合金焊接組織與性能的方法，其特征在于，所述焊接板材為填絲TIG焊、攪拌摩擦焊或單/雙面對(duì)焊板材；TIG焊時(shí)坡口可根據(jù)板材厚度選擇不開坡口、V型坡口、X型坡口等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種改善鎂合金焊接組織與性能的方法，包括如下步驟首先，將鎂合金焊接板材置于熱處理爐中，溫度在250℃~350℃之間，進(jìn)行一定時(shí)間的去應(yīng)力退火；然后，采用金相砂紙將焊縫處打磨平整，使之與基材等高；再將鎂合金加熱到再結(jié)晶以上某一溫度，保溫一定時(shí)間后熱軋。本發(fā)明普遍適用于可焊透的鎂合金板材，如AZ31、AZ61、AZ80等鎂合金板材。經(jīng)過焊接的鎂合金板，其焊縫、熱影響區(qū)的強(qiáng)度明顯低于基材。本發(fā)明通過一定溫度保溫后熱軋的手段，可有效提高鎂合金焊接件的強(qiáng)度，使焊縫、熱影響區(qū)與母材的組織、性能趨于一致。
文檔編號(hào)C22F1/06GK103074557SQ20131002295
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者張丁非, 柴森森, 潘復(fù)生, 馬春華, 張紅菊, 胡光山, 董井忍, 諶夏 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)