一种镁稀土合金补焊焊丝及其制备和补焊方法

本发明属于焊接技术领域，涉及的是一种镁稀土合金补焊焊丝及其制备和补焊方法。具体的说，在保证焊后热处理条件不变的前提下，通过该焊丝的使用能够抑制接头焊缝处晶粒异常粗化的现象。

背景技术：

由于镁稀土合金密度低、比强度比刚度高、耐热性能好、电磁屏蔽能力强，由镁稀土合金制造的发动机机匣、导弹舱体、卫星支架等结构件已经广泛应用于航空航天、国防军工等领域，为关键装备轻量化做出了重要贡献。在工业生产中，镁稀土合金的大型复杂件主要是通过砂型铸造工艺生产，但由于稀土元素化学活性强及砂型铸造工艺的本征不足，镁稀土合金砂铸件中极易出现氧化夹杂、夹砂、气孔、裂纹等铸造缺陷。这些含有缺陷的铸件必须通过补焊修复以提高成品率、降低生产成本。

钨极氩弧焊(tig焊)运行成本和设备成本低，关键是tig焊可以手工操作因而对弧面、内腔等狭窄、复杂的部位进行修复时具有不可替代的技术优势。而镁稀土合金的tig补焊也存在一些问题。由于tig焊接热输入大，接头熔合线附近的晶粒在焊接热循环作用下发生粗化，在晶界处形成的连续粗大的共晶组织通常会降低修复区域的塑韧性，因此热影响区是tig补焊接头中最为薄弱的区域，必须通过焊后热处理消除该共晶组织并强化补焊接头。在焊后热处理中，一方面需要通过焊后高温固溶处理使热影响区中粗大的共晶组织回溶；另一方面通过固溶后的时效处理使补焊接头中析出弥散而细小的强化相而进一步提高接头力学性能。

经文献检索发现，热处理对we43合金组织及力学性能的影响(《中国铸造装备与技术》2013；04：pp36-39)中记载了对商用化程度最高的we43镁合金的热处理工艺研究，由于该合金中共晶组织的熔点及含量很高，在进行固溶处理时共晶组织需要在520℃下长时保温才能完全溶解。然而，相对于常规的对焊、t型等焊接接头形式而言，补焊区域面积小、熔池体积小而导致冷却速度极快，因此在凝固过程中因熔池体积强烈收缩而导致补焊区残余应力非常大。若在焊后直接采用传统的高温固溶处理，补焊区将在高温下释放大量的残余应力并发生严重的晶粒异常长大，粗化后的晶粒尺寸达到毫米级别，如图1所示，这反而会造成补焊接头力学性能迅速下降。因此，对镁稀土合金补焊接头进行常规热处理操作是不可行的，其主要原因是镁稀土合金tig补焊接头补焊区域存在大量的焊后残余应力，其组织热稳定性较差。

为了能够改善解决上述镁稀土合金补焊接头在热处理过程中异常粗化的难题，经专利检索发现，cn107486649a公开了一种稀土镁合金焊丝材料及其制备方法，该发明的焊丝选用钇和锌作为合金化元素，当这两种元素作为合金化元素的时候，镁稀土合金具备形成一种长周期有序相(lpso相)的条件，而这种相的存在能够大幅强化补焊接头的热稳定性。但该发明的焊丝中存在几个问题：一是lpso相的形成对稀土和非稀土元素的成分比例具有严格的要求，然而该发明的焊丝中钇和锌元素的含量较低，且在补焊过程中由于母材对焊丝的稀释作用以及在高温电弧作用下稀土元素会发生损耗，导致高温熔池中钇及锌元素的成分比例不足以形成均匀弥散分布的lpso相；二是lpso相的本质是一种堆垛层错，其一般需要在较缓慢的冷却速度下才能形成，而补焊过程的冷却速度极快，lpso相根本无法在这种快冷条件下生成。因此，采用上述焊丝补焊镁稀土合金砂铸件以避免热处理过程发生晶粒异常粗化的工程适用性不高。

综上所述，如何对镁稀土合金的tig焊接头进行热处理强化，并避免补焊区域晶粒发生异常粗化是一个急需解决的难题，其主要原因是镁稀土合金接头补焊区域的热稳定性较差。因此，通过调整补焊焊丝的成分使其具备形成高热稳定性lpso相的条件，并在焊后高温固溶处理过程之前设置一道低温退火工艺以预先形成lpso相来抑制晶粒的异常粗化问题具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对现有镁稀土合金tig补焊接头焊后高温固溶处理过程中焊缝晶粒异常粗化的问题，提出了一种镁稀土合金补焊焊丝及其制备和补焊方法，利用本专利的焊丝对镁稀土合金砂型铸件进行补焊并采用相应的热处理方法后，能够在补焊的焊缝中形成热稳定性极强的长周期堆垛有序结构相(lpso相)，这种lpso相能够抑制晶界发生迁移和晶粒异常长大，有利于提高补焊接头组织的热稳定性，并进一步强化补焊接头的力学性能，提高补焊成品率。

为了解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案解决其技术问题：

本发明提供一种新型的镁稀土合金补焊焊丝及其制备和使用方法，镁稀土合金焊丝各组分比例配置原料进行熔炼，将制得的铸锭进行挤压得到线材，随后进行拉拔及表面处理后制得焊丝。使用本焊丝对镁稀土合金进行补焊后，对补焊接头进行低温退火处理以获得能够抑制晶界发生迁移的lpso相，大幅提高补焊区域的热稳定性，在进行后一步的热处理强化，为解决常规镁稀土合金补焊焊缝晶粒异常粗化的问题提供了全新的思路。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种镁稀土合金补焊焊丝，该焊丝包括以下质量百分含量的各化学元素组成：15.0-25.0％稀土元素、3.0-5.0％锌或铜或镍、0.5-1.0％锆和余量的镁。

针对镁稀土合金常规补焊接头中焊缝区域热稳定性较差的问题，本发明提供一种新的镁稀土合金补焊焊丝。当镁合金中稀土元素与x元素(x为锌或铜或镍)原子比为1-3时(该比例为补焊后由于烧损及稀释作用，稀土元素含量会大幅降低，最终达到的原子比)，可在一定的条件下形成lpso相，它具有较高的热稳定性，即便是在长时高温固溶的条件下也能稳定存在，克服了补焊接头焊缝区晶粒异常粗化的问题；此外，由于在补焊过程中稀土元素的烧损现象较严重，并且在补焊过程中部分母材的熔化会稀释焊丝的成分。综合考虑电弧高温烧损和补焊工艺的焊丝稀释问题，通过本发明制备的焊丝进行补焊后制备的接头中lpso相的体积分数更高。在保证焊后热处理条件不变的前提下，通过该焊丝的使用能够抑制接头焊缝处晶粒异常粗化的现象。

优选地，所述稀土元素为钇、钆、镝、铒、铽、钬中两种及以上。

优选地，所述稀土元素的含量为锌或铜或镍含量的4-6倍。

本发明提供了一种镁稀土合金补焊焊丝的制备方法，包括以下步骤：

a、按镁稀土合金焊丝各化学元素组成比例配置原料进行熔炼和浇铸；

b、将步骤a制得的铸锭进行挤压得到线材；

c、在步骤b后对线材进行拉拔及表面处理后制得焊丝。

优选地，所述原料包括纯镁、镁稀土中间合金、镁锆中间合金、纯锌或纯镍或镁铜中间合金，所述熔炼在井式电阻炉中进行。

本发明还提供了一种基于镁稀土合金补焊焊丝的补焊方法，包括以下步骤：

a、将镁稀土合金补焊焊丝采用钨极氩弧焊进行补焊；

b、将步骤a制得的补焊接头在低温下进行退火处理；

c、将步骤b后对补焊接头进行固溶及人工时效处理。

优选地，步骤b中，所述低温下进行的退火处理的退火温度为260-300℃，退火时间为4-8h。由于补焊过程中接头冷却速度极快，lpso相很难在该条件下直接形成，因此有必要在补焊后进行低温退火处理。在低温退火处理中，通过镁基体的密排六方结构产生堆垛层错，稀土元素与x元素(锌或铜或镍)填充层错、沉淀析出，形成纤维状弥散分布的lpso相，进而克服了镁稀土合金补焊焊缝热稳定性不足的问题。

优选地，步骤c中，所述固溶采用的固溶温度为510-525℃，时间为2-6h。

优选地，步骤c中，所述人工时效采用的时效温度为200-240℃，时效时间为8-16h。

在前述低温退火处理后，补焊接头中形成了纤维状弥散分布的lpso相，因此在不发生焊缝晶粒异常粗化的前提下，对补焊接头进行常规的高温固溶处理，有效提高补焊接头的力学性能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明焊丝通过熔炼、挤压、拉拔制得，制备的镁稀土合金焊丝成分均匀，且在焊丝中稀土元素与x元素(锌或铜或镍)的组分比例控制在一定范围，具有形成lpso相的先决条件。

2)由于补焊过程中熔池的凝固速度极快，接头中各元素填充、堆垛的时间较短，很难在补焊接头焊缝中直接形成lpso相。本发明通过低温退火处理的方式，在镁稀土合金补焊焊缝处形成弥散分布的lpso相，具有较高的热稳定性，能够在后续的高温固溶过程中抑制焊缝晶粒的异常粗化，提高接头的力学性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1表示对比例4中得到的mg-4y-2nd-1gd合金补焊接头的金相显微图像；

图2表示实施例2中得到的mg-4y-2nd-1gd合金补焊接头的金相显微图像。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

焊丝的各化学组成及其质量百分比范围为：10.0％钇、5.0％钆、3.0％锌、0.5％锆和余量的镁组成。

按所述的镁稀土合金焊丝各组分比例配置纯镁、纯锌、镁钇中间合金、镁钆中间合金、镁锆中间合金，在井式电阻炉中进行熔炼；将制得的铸锭进行挤压得到线材；随后对线材进行拉拔及表面处理后制得焊丝。

以mg-10gd-3y-0.5zr(wt％)镁稀土合金低压砂型铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)通过钨极氩弧焊将前述的焊丝进行补焊。

补焊完成后首先对补焊接头进行低温退火处理，其中退火温度为260℃，时间为8h；随后进行常规的固溶及人工时效处理，其中固溶温度为510℃，时间为6h，人工时效温度为200℃，时效时间为16h。

在这种条件下，对补焊区域进行取样测试，发现补焊区域未出现晶粒异常粗化的问题，晶粒尺寸约为100μm，属于热处理过程晶粒正常长大的范畴之内。且补焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的142％，延伸率达铸件的112％，满足服役的性能需求。

实施例2

焊丝的各化学组成及其质量百分比范围为：10.0％钇、5.0％镝、5.0％钆、4.0％铜、0.7％锆和余量的镁组成。

按所述的镁稀土合金焊丝各组分比例配置纯镁、镁钇中间合金、镁镝中间合金、镁钆中间合金、镁铜中间合金、镁锆中间合金，在井式电阻炉中进行熔炼；将制得的铸锭进行挤压得到线材；随后对线材进行拉拔及表面处理后制得焊丝。

以mg-4y-2nd-1gd-0.5zr(wt％)镁合金低压砂型铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)通过钨极氩弧焊将前述的焊丝进行补焊。

补焊完成后首先对补焊接头进行低温退火处理，其中退火温度为280℃，时间为6h；随后进行常规的固溶及人工时效处理，其中固溶温度为520℃，时间为4h，人工时效温度为220℃，时效时间为12h。

在这种条件下，对补焊区域进行取样测试，发现补焊区域未出现晶粒异常粗化的问题，晶粒尺寸约为90μm，属于热处理过程晶粒正常长大的范畴之内。且补焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的137％，延伸率达铸件的109％，满足服役的性能需求。

图2表示本实施例中mg-4y-2nd-1gd合金补焊接头的金相显微图像。

实施例3

焊丝的各化学组成及其质量百分比范围为：15.0％钆、5.0％钇、5.0％钬、5.0％镍、1.0％锆和余量的镁组成。

按所述的镁稀土合金焊丝各组分比例配置纯镁、纯镍、镁钇中间合金、镁钬中间合金、镁钆中间合金、镁锆中间合金，在井式电阻炉中进行熔炼；将制得的铸锭进行挤压得到线材；随后对线材进行拉拔及表面处理后制得焊丝。

以mg-5y-2.5nd-1gd-0.5zr(wt％)镁合金低压砂型铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)通过钨极氩弧焊将前述的焊丝进行补焊。

补焊完成后首先对补焊接头进行低温退火处理，其中退火温度为300℃，时间为4h；随后进行常规的固溶及人工时效处理，其中固溶温度为525℃，时间为2h，人工时效温度为240℃，时效时间为8h。

在这种条件下，对补焊区域进行取样测试，发现补焊区域未出现晶粒异常粗化的问题，晶粒尺寸约为100μm，属于热处理过程晶粒正常长大的范畴之内。且焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的149％，延伸率达铸件的112％，满足服役的性能需求。

对比例1

本对比例所述焊丝生产方法和使用方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：焊丝成分中不含有锌。

全部工艺完成后，对焊接头区域进行取样测试，发现补焊区域出现晶粒异常粗化的问题，异常粗化晶粒尺寸约为400μm。且焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的83％，延伸率达铸件的106％，不满足服役的性能需求。

焊丝成分中缺少锌或其他必要元素，没有形成lpso相的先决条件，导致补焊接头补焊区域的热稳定性较差，在高温热处理的过程中，焊接时快速冷却条件下形成较大畸变能的细小等轴晶会出现异常粗化的问题，严重影响焊接头的力学性能。

对比例2

本对比例所述焊丝生产方法和使用方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：焊丝由7.0％钇、3.0％钆、3.0％锌、0.5％锆和余量的镁组成。

全部工艺完成后，对焊接头区域进行取样测试，发现补焊区域出现晶粒异常粗化的问题，异常粗化晶粒尺寸约为500μm且焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的79％，延伸率达铸件的81％，不满足服役的性能需求。

焊丝中形成lpso相的必要组分稀土元素和锌元素组分比例较低，在补焊过程中由于高温环境的损耗作用以及被母材稀释，补焊完成的接头中不具备一定的成分比例来支撑形成lpso相，不能对晶粒异常粗化的现象产生抑制作用。

对比例3

本对比例所述焊丝生产方法和使用方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：焊丝由15.0％钆、10.0％钇、3.0％锌、0.5％锆和余量的镁组成。

全部工艺完成后，对焊接头区域进行取样测试，发现补焊区域出现晶粒异常粗化的问题，异常粗化晶粒尺寸约为450μm且焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的91％，延伸率达铸件的73％，不满足服役的性能需求。焊丝中形成lpso相的必要组分稀土元素和锌元素组分比例过高，超出形成lpso相的成分比例，因而不能在后续热处理过程中形成这一强化相。

对比例4

本对比例所述焊丝生产方法和使用方法与实施例2基本相同，焊丝成分比例仍保持不变，不同之处仅在于：热处理工艺中，焊后不进行低温退火处理步骤。

全部工艺完成后，对焊接头区域进行取样测试，发现补焊区域出现晶粒异常粗化，异常粗化晶粒尺寸约为600μm。且焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的75％，延伸率达铸件的110％，不满足服役的性能需求。图1为本对比例mg-4y-2nd-1gd合金补焊接头的金相显微图像，能够观察到异常粗化的晶粒。

本对比例中未采用低温退火处理，而直接进行高温固溶处理，补焊区域在进行高温固溶处理前未形成均匀弥散分布的lpso相，晶粒异常粗化的倾向未能有效抑制，进而导致性能的下降。

对比例5

本对比例所述焊丝生产方法和使用方法与实施例3基本相同，不同之处仅在于：焊丝中稀土元素仅为一种，焊丝的各化学组成及其质量百分比范围为：15.0％钇、3.0％锌、0.5％锆和余量的镁组成。

全部工艺完成后，对焊接头区域进行取样测试，发现补焊区域出现晶粒异常粗化，晶粒尺寸约为500μm。且焊接头的抗拉强度达低压砂型铸件的82％，延伸率达铸件的93％，不满足服役的性能需求。

本对比例中选用单一的稀土元素，由于单一稀土元素在镁基体中固溶度较低，在补焊过程稀土元素发生沉积，进而影响到后续弥散lpso相的形成。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。