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
鎂的熔點低 ,熱導率高 ,焊接時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 ,易同氧結(jié)合 , 在 焊 接 過 程 中 易 形 成 MgO , MgO 熔 點 高(2 500 ℃),密度大 (3. 2 g/cm-3) ,易在焊縫中形成細小片狀固態(tài)夾渣 ,不僅嚴重阻礙焊縫成形 ,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 ,氮化鎂夾渣也會導致焊縫金屬的塑性 下 降 , 使 接 頭 性 能 變 壞。鎂 的 沸 點 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 ,由于鎂合金熔點較低 ,而氧化鎂的熔點很高 ,兩者不易熔合 ,焊接操作時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力與變形。鎂易與一些合金元素(如 Cu、Al 、Ni 等) 形成低熔點共晶體 (如 Mg - Cu 共晶點溫度為 480 ℃,Mg- Al 共晶點溫度為 430 ℃,Mg-Ni 共晶點溫度為 508 ℃),脆性溫度區(qū)間較寬 ,易形成熱裂紋。研究發(fā)現(xiàn) ,當 w (Zn) > 1 %時會提高熱脆性 ,并可能導致焊接裂紋。在鎂中加入 w (Al) ≤10 % ,可細化焊縫晶粒 ,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)境下焊接時易氧化燃燒,熔焊時需用惰性氣體或焊劑保護。
一般來說,鎢極惰性氣體保護電弧焊和熔化極惰性氣體保護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) 等工藝進行焊接。由于鎂的比熱容和熔化潛熱小,因此焊接時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下 ,利用電弧熱熔化母材和填充金屬。直流電源焊接時要采用反極性接法 ,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行鎂合金的焊接 ,由于電極與填充絲獨立 ,能克服MIG方法焊接規(guī)范范圍窄的缺點 ,可以在較寬的工藝條件下進行穩(wěn)定焊接 ,所以 TIG 焊在鎂合金的焊接方面比 MIG應用更廣 ,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、焊后錯邊、焊瘤、表面'麻點'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 ,接頭強度可以達到母材的80 %以上。
對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伴隨著熱流的重新分布。
鎂合金 TIG焊一般用交流焊機或電流強度連續(xù)可調(diào)的直流焊機,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,可采用交流或 DCEP 電源;焊接厚度大于 4 1 8 mm 的鎂合金時,交流焊機因熔深較大而占優(yōu)勢。此外,采用交流焊時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 :
①與TIG焊相比,焊接速度快,生產(chǎn)率高,全自動焊速度高達 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度可以近似等于母材的強度,去掉焊縫余高后,疲勞強度比母材的高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用，2010年由威歐丁(天津)焊接技術(shù)有限公司引進中國大陸，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，廣泛應用于光學儀器 ，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，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和固定的機械通風裝置，減少氬弧焊有害氣體和金屬粉塵的危害。
2)手工鎢極氬弧焊機應放置在干燥通風處，嚴格按照使用說明書操作。使用前應對焊機進行全面檢查。確定沒有隱患，再接通電源?？蛰d運行正常后方可施焊。保證焊機接線正確，必須良好、牢固接地以保障安全。焊機電源的通、斷由電源板上的開關(guān)控制，嚴禁負載扳動開關(guān)，以免形狀觸頭燒損。
3)應經(jīng)常檢查氬弧焊槍冷卻水系統(tǒng)的工作情況，發(fā)現(xiàn)堵塞或泄漏時應即刻解決，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不使用時，必須切斷電源。若焊機發(fā)生故障，應由專業(yè)人員進行維修，檢修時應作好防電擊等安全措施。焊機應至少每年除塵清潔一次。
5)鎢極氬弧焊機高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻電磁場會使人產(chǎn)生一定的頭暈、疲乏。因此焊接時應盡量減少高頻電磁場作用的時間，引燃電弧后立即切斷高頻電源。焊槍和焊接電纜外應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，應盡量采用晶體脈沖引弧取代高頻引弧。
6)氬弧焊時，紫外線強度很大，易引起電光性眼炎、電弧灼傷，同時產(chǎn)生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。因此，焊工操作時應穿白帆布工作服，戴好口罩、面罩及防護手套、腳蓋等。為了防止觸電，應在工作臺附近地面覆蓋絕緣橡皮，工作人員應穿絕緣膠鞋。
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 ,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 ,可以在背面無墊板的情況下實現(xiàn)厚板對接的一次全焊透 ,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。改變正負極性的時寬比 ,工件的陰極清理作用會發(fā)生變化 ,從而對接頭的抗拉強度產(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 ,接頭強度達到母材的 90 %以上。
氣焊的熱源是火焰 (氧2燃氣混合燃燒形成) ,熱量不集中 ,焊件被加熱區(qū)較寬 ,容易在接頭區(qū)導致較大的收縮應力 ,形成裂紋等缺陷。同時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備的現(xiàn)場或不太重要的薄板構(gòu)件以及鑄件的焊補。鎂及鎂合金氣焊可選用 QJ401 助焊劑 ,試驗表明 ,該熔劑工藝性尚好 ,但對鎂的腐蝕性強 ,焊后應徹底清理干凈。厚度小于 3 mm 的鎂合金件焊接時 ,氣焊焊炬和焊絲應作縱向運動 ,不宜采用橫向擺動。焊件厚度較大時 ,允許氣焊焊炬和焊絲略作橫向擺動。對于厚度大于 5 mm 的焊件 ,應整體或局部預熱至 300 ℃~400 ℃后再進行焊接 ;厚度大于 12 mm時可采用多層焊 ,一般在焊下一層之前應先用細黃銅絲刷清除焊渣。焊接過程中可用焊絲不斷地攪動熔池,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 ,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。焊接鎂合金時在電子束下方會立刻產(chǎn)生鎂蒸氣 ,熔融金屬隨即進入所產(chǎn)生的小孔中。由于鎂合金的熔點低、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和聚焦點位置的調(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 ,接頭的靜載強度可以與母材相當 ,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)進行 ,但焊接鎂合金時金屬的揮發(fā)對真空室污染很大 ,使其應用受到限制 ,實際應用的例子很少 ,有在 AZ3l 鎂材上研究的實例 ,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 ,對于 AZ31 變形鎂合金、AM50A 以及 AZ91D 鑄造鎂合金 ,在適當?shù)暮附庸に囅戮傻玫搅己玫慕宇^。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達到 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度。高速、高效、可高度實現(xiàn)自動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 AZ91D 合金采用不同的焊接方法 ,對比發(fā)現(xiàn)電子束焊接頭的力學性能最高 ,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)殘余應力和變形小 ,熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄 ,熔深大、焊縫組織細小、接頭性能好等優(yōu)點。此外激光焊不需要真空條件 ,保護氣體種類及壓力范圍可方便選擇 ,可借助偏轉(zhuǎn)棱鏡或光導纖維將激光束引導到難以接近的部位進行焊接、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 ,易于實現(xiàn)工件的三維自動化焊接。研究表明變形鎂合金的激光焊焊縫強度可與母材的相近 ,通過選用適當?shù)墓に噮?shù)可避免氣孔與咬邊的產(chǎn)生。
激光-TIG 復合熱源焊是在 1970 年提出的 , 然而 ,真正的應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。激光電弧復合對焊接效率提高十分顯著。這主要基于兩種效應:一是較高的能量密度導致了較高的焊接速度,工件對流損失減小 ;二是兩熱源相互作用的疊加效應。焊接時 ,激光引發(fā)的等離子體使電弧更穩(wěn)定,同時,電弧能進入熔池小孔,減小了能量的損失。
激光-TIG復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相近。國內(nèi)大連理工大學焊接技術(shù)研究所研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光-TIG 復合焊接設備,能有效地將激光焊與氬弧焊有機結(jié)合起來,充分發(fā)揮各自優(yōu)點 ,且進一步提高其綜合性能 ,實現(xiàn)高速焊接。采用激光氬弧復合熱源焊接工藝,可獲得高質(zhì)量焊接接頭,接頭的拉伸強度、疲勞強度、沖擊韌性均與母材的相當,較目前采用的氬弧焊方法,接頭性能 (尤其是疲勞強度、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、點焊和閃光對焊進行焊接 ,其中點焊最常用。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焊。只要焊機功率能保證瞬時快速加熱,直流脈沖點焊機及一般的交流點焊機均可適用于鎂合金的點焊。
鎂合金電阻點焊的工藝特點如下 :
(1) 鎂合金具有良好的導電性和導熱性,點焊時 ,須在較短的時間內(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,當通過大的焊接電流時 ,往往產(chǎn)生飛濺;
(3) 由于導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,嚴重地影響了合金的力學性能。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)注熱點之一。
摩擦攪拌焊接是使用機械式的旋轉(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的方法可以應用于板狀構(gòu)件對接和搭接 ,尤其適用于鋁、鎂等低熔點金屬的焊接。
目前已有研究者采用攪拌摩擦焊成功地實現(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。可采用火焰釬焊、爐中釬焊及浸漬釬焊等方法,其中以浸漬釬焊應用最為廣泛。釬焊時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 ,因為還沒有找到合適的去膜及界面活化軟釬劑。因此 ,對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)。