专利名称：一种改善镁合金焊接组织与性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料焊后加工，属于有色金属中镁合金板材生产加工领域，特别涉及一种镁合金焊接后热轧强化加工工艺。
背景技术：
高的比强度、比刚度、优良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散热、易切削加工、易回收等许多特性，使镁合金在电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业等领域受到高度重视。焊接是最常见的优化产品设计、减小生产成本的加工工艺，因此，若要充分发挥镁合金的各方面性能，必须辅以成熟·的焊接技术。二战期间，航空业需要找到焊接镁和焊接铝的方法，加速了气体保护焊的研究进程。氩弧气体保护焊(TIG)发明后，镁合金的焊接问题取得重大突破。镁合金的研究仍如火如荼地进行，相应的焊接技术也随之发展，力求改善镁合金焊接质量。当今的镁合金生产主要以热挤压、热轧、铸造等方法得到棒材、板材以及复杂形状的结构件。镁合金板材在实际应用过程中不可避免地会涉及到板材间的焊接，然而，由于镁合金熔点低、线膨胀系数和热导率高等特点，在焊接过程中与氧、氮的亲和力强，易形成氧化夹杂和脆性相，产生焊接变形和热裂纹等问题，严重影响焊接质量。氩弧气体保护焊、搅拌摩擦焊等先进焊接方法能有效的防止镁合金焊接过程中的氧化并减少气孔等缺陷，但镁合金焊缝为铸态组织，热影响区晶粒粗大，导致这两部分区域较基体而言，强度较差，成为镁合金焊件首先受破坏的区域，且由于焊缝与基材组织状态不同，即使打磨光亮，焊缝仍然明显，影响美观，这些因素都从很大程度上抑制了镁合金焊接板材的生产、加工及应用。此前针对此问题的研究，部分研究致力于改善焊接工艺，焊接参数等的优化的改善了焊缝-热影响区的组织和性能，但是效果有限，还有部分研究采用了热处理的方法，提供某些可热处理强化的焊缝-热影响区强化工艺，但是在强化这两个区域的同时，由于基材和这两个区域的组织存在差异，可能会因为受热等原因，组织变得粗大，导致强度下降。因此，改善镁合金板材焊缝及热影响区组织，提高其强度，使之与基材组织、强度趋于一致，成为了一项重要的研究课题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明解决镁合金焊缝存在强度较差，并且焊缝影响美观的问题，提供一种改善镁合金板材焊缝-热影响区的组织性能，使之与基材间的组织性能趋于一致。解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，包括如下步骤:
O首先，将镁合金焊接板材置于热处理炉中，温度在250°c 350°C之间，进行f3h的焊后去应力退火；一方面消除了焊接应力，另一方面焊缝处的第二相有所溶解，组织变得均匀，有利于下一步工艺的进行。2)打磨。在热轧前，使用金相砂纸将焊缝处打磨平整，使之与基材等高，以免在热轧过程中由于各部分受力不均导致焊缝开裂。3)热轧。热轧前，将镁合金加热到350°C 400°C，保温20mirTlh后在350±50°C下热轧热轧，避免板材出炉后冷却过快导致热轧温度偏低的情况。镁合金在热轧过程中发生动态再结晶，获得再结晶组织，晶粒得到细化，结合加工硬化效应，强度硬度大幅提高。板材收到轧辊压力的作用，板材组织结构变得致密，有效减少焊缝处的微小气孔，减少了板材受力时的裂纹源及其扩展路径。本发明工艺，在不进行轧后退火情况下，可使镁合金焊接板材的焊缝及热影响区处的抗拉强度提高到基材的90%以上，焊缝-热影响区处的组织细化至基材晶粒大小。经过轧制的镁合金焊板，组织性能得到大幅改善，并产生了一定量的孪晶，整体的残余应力增加。对于3mm厚TIG焊得到 的AZ31镁合金焊接板，去应力退火温度为300±5°C，时间2h。其他成分及厚度的镁合金焊接板材，其去焊接应力退火工艺可以此为依据做适当调整。所述焊接板材为填丝TIG焊、搅拌摩擦焊，单/双面对焊板材，TIG焊时坡口可根据板材厚度选择不开坡口、V型坡口、X型坡口等。相比现有技术，本发明具有如下有益效果:1.本发明通过TIG焊对焊得到无明显焊接缺陷的镁合金焊板，然后对其进行热处理及热轧等工艺，获得组织和性能跟基材相近，具有晶粒细小的焊缝、热影响区组织的镁合金焊接板。TIG焊在保护气下进行，可有效防止镁合金板材在焊接过程中的氧化，交流TIG焊在得到一定熔深的同时，可起到阴极雾化作用，清除板材表面的氧化夹杂，且相对于搅拌摩擦焊来说，TIG焊对所焊板材的形状、表面质量要求较低。2.本发明所述加工工艺，工艺简单，使固溶强化、细晶强化及加工硬化多种合金强化原理相结合。经过此工艺，焊缝强度提高明显，与基材的抗拉强度相近。采用氩弧气体保护焊(TIG)双面焊方法焊接的3mm厚AZ31焊板，经过此工艺处理后，焊板的抗拉强度，从基材的70%，最高可提高到90%以上，断裂位置以焊缝中心为主，部分在热影响区断裂。3.根据板材的最终性能要求，可在一定范围内灵活调整工艺参数。焊后退火工艺、轧制压下量均可根据原始板材厚度、成型工艺等做出适当调整，以适应使用条件。4.本工艺的发明，在提高焊缝-热影响区-基材的整体强度的同时，由于焊缝-热影响区的晶粒发生再结晶，并且最终与基材晶粒大小相当，焊缝在不腐蚀的情况下很难观察到，提高了焊板的美观性。5.本工艺过程周期短，适合大批量加工生产。常见的商用AZ31板材厚度一般在f IOmm之间，所需的焊后的去应力退火温度较低，300°C下时间只需f3h即可。轧制过程的总保温时间一般不超过2h，整个过程可在1.5^5h内完成。通过研究总结，本发明的内在机理为:1.镁合金焊接板材中，由于焊缝在冷却过程中收缩，热影响区受热膨胀，焊缝-热影响区-基体三个区域之间存在焊接应力。同时，焊缝处为铸态组织，由于焊接过程中冷却速度较快，大量第二相没有溶解，通过去应力退火，有效减小了焊接应力，适当软化焊板、溶解第二相，为热轧阶段做准备。2.热轧过程中，镁合金板材受轧辊压应力作用，位错、孪晶密度增加，当压下量达到一定程度时，焊缝、热影响区和基材发生动态再结晶，在变形组织中出现无畸变的新晶粒，晶粒得到细化，对焊缝-热影响区起到细晶强化作用，轧下量进一步增加，又在无畸变的晶粒中产生加工硬化效应。在此过程中，原焊缝区域中存在的大量Mg17Al12相溶入基体，达到固溶强化的效果。同时，在压应力作用下，焊缝变得紧实，使得焊缝焊接过程中产生的一些微小气孔得以消除，有效减少了焊缝及热影响区处的裂纹扩展路径，从而提高焊接接头的抗拉强度。热轧后的焊板，焊缝-热影响区受到固溶强化、动态再结晶细晶强化及加工硬化共同作用，组织细化，强度显著提升。
图1、3、5、7分别为编号A、B、C和D样品(样品I)的焊缝-热影响区的金相显微照片;
图2、4、6、8分别为编号A、B、C和D样品的基材金相显微照片。图10、11分别为编号A、C样品的小倍数金相显微照片。图9为编号A、B、C和D样品的焊缝(FZ)、热影响区(HAZ)和基体(BM)的平均晶粒大小散点统计图。
具体实施例方式下面参照附图并结合具体实例，进一步阐述本发明，应理解的是，这些实例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进，都属于本发明所要求保护的范围。样品I为原始板材3mm厚轧制AZ31镁合金板，焊接方向垂直原始板材轧制方向。样品2为原始板材3mm厚挤压AZ31镁合金板，焊接方向平行原始板材挤压方向。—种改善镁合金焊接组织与性能的方法(改善镁合金板材焊缝-热影响区组织性能)，采用如下步骤，对样品1、样品2的板材进行加工处理，具体步骤包括:
I) TIG焊双面焊成型:
采用手动交流填丝TIG双面焊方法焊接，焊丝直径2mm，成分与基材一致。轧板焊接方向垂直板材轧制方向，挤压板焊接方向平行板材挤压方向，得到初始焊板。焊接前对板材进行打磨清除表面氧化层。焊接工艺参数为:焊接电流9(Γ100Α，焊接速度6 8mm/s，电弧长度I 2mm,保护气为気气,流量10L/min。2.焊后去应力退火:
除编号为A、E试样外(以作对比)，热轧前，将两种焊板在温度300°C下，退火2h。3.热轧:
热轧温度约为300°C 35(TC，考虑到板材从热处理炉中取出后温度降低速度较快，热轧前将焊板置于350°C 40(TC热处理炉中，保温30min后轧制，每轧制道次间保温15min。样品1、2在相同轧制温度，例如350±10°C下轧制的轧制总道次、轧制总压下量见表I。表I焊接板材轧制工艺:
权利要求
1.一种改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)首先，将镁合金焊接板材置于热处理炉中，温度在250°c 350°C之间，进行f 3h的焊后去应力退火； 2)然后，采用金相砂纸将焊缝处打磨平整，使之与基材等高； 3)将镁合金加热到350°C 400°C，保温预热20mirTlh;再在350±50°C下热轧。
2.根据权利要求1所述改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，对于3mm厚TIG焊得到的AZ31镁合金焊接板，去应力退火温度为300±5°C，时间2h。
3.根据权利要求1 所述改善镁合金焊接组织与性能的方法，其特征在于，所述焊接板材为填丝TIG焊、搅拌摩擦焊或单/双面对焊板材；TIG焊时坡口可根据板材厚度选择不开坡口、V型坡口、X型坡口等。
全文摘要
本发明提供一种改善镁合金焊接组织与性能的方法，包括如下步骤首先，将镁合金焊接板材置于热处理炉中，温度在250℃~350℃之间，进行一定时间的去应力退火；然后，采用金相砂纸将焊缝处打磨平整，使之与基材等高；再将镁合金加热到再结晶以上某一温度，保温一定时间后热轧。本发明普遍适用于可焊透的镁合金板材，如AZ31、AZ61、AZ80等镁合金板材。经过焊接的镁合金板，其焊缝、热影响区的强度明显低于基材。本发明通过一定温度保温后热轧的手段，可有效提高镁合金焊接件的强度，使焊缝、热影响区与母材的组织、性能趋于一致。
文档编号C22F1/06GK103074557SQ20131002295
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者张丁非, 柴森森, 潘复生, 马春华, 张红菊, 胡光山, 董井忍, 谌夏 申请人:重庆大学