专利名称：镁合金表面SiC+Al堆焊方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金表面重熔堆焊方法，具体是一种镁合金表面SiC+Al堆焊方法，用于焊接技术领域。
背景技术：
镁及镁合金的比重较轻，且镁合金比强度和比刚度高、导热导电性好、兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，同时易于加工成型，废料易回收，环境污染少，可代替航空、交通运输等行业的钢铁和铝合金结构件，从而减轻重量，提高能源利用效益。但镁合金的硬度较低，耐磨性较差，化学性质活泼，不耐腐蚀，这也极大地限制了它的应用范围。陶瓷材料可用来作为工件的表面涂层，以提高工件表面的硬度和耐磨性。目前，用于镁合金表面涂层的方法有阳极氧化、气相沉积、微弧氧化、离子注入、电子束熔覆和激光熔覆等。以上技术不同程度地改善镁合金的硬度、耐磨性和耐蚀性，但由于改性层与镁合金表面结合强度差或厚度薄，在随后的使用过程造成剥落或磨损掉，使用中容易失去其保护作用。而且，上述方法的应用也受到一定条件的限制，如较低的沉积速率、需要真空密闭室以及对工件表面粗糙度的要求等。
经对现有技术的文献检索发现，韩夏云等人在《材料保护》2002年11月第35卷第11期31-33上发表的“镁及镁合金表面镀锌工艺”，该文中介绍了一种在镁及镁合金基体上电镀锌进行表面改性处理的方法，工艺流程为试样→打磨→去氢→化学除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→浸锌→水洗→电镀锌→水洗→钝化→水洗→干燥。但是，锌含量对镀液性能和镀层质量有重要影响，锌偏高，电流效率提高，但分散能力和深镀能力降低，复杂件的尖棱部位镀层粗糙，容易出现阴阳面；锌含量偏低，分散能力较好，但沉积速度慢。当镀液中不含添加剂时，镀出来的是黑色、疏松的海绵状镀层。因此，只有采用添加剂才可改善镀层外观和特性。而且，电流密度对镀层的结合力影响较大，在较高的电流密度下，沉积速度很快，但结合力较差。在较低的电流密度下，沉积速度较慢，但结合力较好。此外，温度对镀层的影响也较大。当温度低时，镀液导电性能差，添加剂吸附强，脱附困难。此时若用高电流密度会造成边棱部位烧焦，添加剂夹杂，镀层脆性增大鼓泡；当温度高时，添加剂吸附弱，极化降低，容易产生阴阳面。镀锌层的硬度约为80HV，与镁合金基体相比，硬度提高不明显，对于一般的结构材料来说硬度仍达不到要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种镁合金表面SiC+Al堆焊方法，通过在镁合金表面涂敷一定厚度的SiC+Al混合粉料，然后进行惰性气体保护钨极电弧堆焊重熔，使SiC颗粒嵌入镁合金基体表面，而Al作为合金元素，能够有效地增强镁合金的耐腐蚀性能，从而增加镁合金表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。使用本发明能有效地将上述三重功效(提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性)结合，而且所需设备简单，易于全方位操作，大大降低了生产成本，简化了加工工艺，降低了劳动强度，提高了生产效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下(1)将镁合金工件表面用砂纸打磨，去除氧化物，再用酒精冲洗，在空气中干燥。
(2)根据实际需要，将SiC和Al粉料按不同颗粒度和不同体积比SiC/Al混合后加入粘结剂，搅拌均匀，制成涂敷材料。
(3)将配制好的涂敷材料均匀地涂在镁合金工件表面，然后将具有涂层的镁合金工件放置在空气中自然干燥或放在100-150℃的热处理炉中烘干。
(4)对具有涂层的镁合金工件表面进行惰性气体保护钨极电弧堆焊重熔处理，根据工件的不同厚度和实际中对堆焊熔深不同的要求以及不同的涂层厚度，调节焊接电流，焊接速度和焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面的夹角)，选择保护气体和保护气流量，选用钨极直径。
所述的涂敷材料，是由SiC和Al组成的混合粉料，其中，SiC和Al的混合体积比例为SiC∶Al在1∶5-1∶2之间。本发明配制的涂敷材料中，所用SiC和Al的颗粒度一般控制在7μm-100μm。所用的粘结剂是指低温粘结剂，如聚乙烯醇缩丁醛等等，涂敷材料的涂层厚度在0.1-1.0mm之间。
对涂有涂敷材料的镁合金工件表面进行堆焊重熔处理，根据工件的不同厚度和实际中对堆焊熔深不同的要求，焊接电流范围控制在60-200A，焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面的夹角)范围控制在50-90°之间，焊接速度控制在5-15mm/s，钨极直径在F1.6-2.2mm之间，保护气流量为5-15L/min，熔深层厚度为0.5-2mm。采用脉冲氩弧焊机作为焊接电源，所使用的焊接电流为交流，而且焊接方法为自动和手工两用。
所述的保护气体采用惰性气体，是氩气、氦气或者氩气和氦气的混合气体。
本发明充分考虑铝和碳化硅与基体金属之间相互作用的特性，如可溶解性、形成化合物的可能性、润湿性等；考虑在堆焊重熔区形成的物相对硬度、耐磨性、耐蚀性等的影响；考虑表面合金层与基体间冶金结合的牢固性，以及合金层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。遵循上述原则制定堆焊重熔工艺包括涂敷材料成分的选配、涂敷材料添加方式的制定、堆焊重熔焊接工艺参数确定等，最终达到控制镁合金表面合金化质量，改善了镁合金零件表层力学和化学性能，实现了本发明的技术目的。
本发明具有以下优点1)制备的堆焊重熔表面改性合金层具有良好的硬度、耐磨性、耐蚀性，改性合金层与镁合金基体之间为紧密的冶金结合，不易产生表层开裂或剥落的现象。2)采用脉冲氩弧焊机作为焊接电源，使用焊接电流为交流，即可以采用手工操作，又可以实现自动化操作。3)工艺设计合理，焊接工艺参数易于控制，操作简单，不受空间范围限制，可实现全方位堆焊重熔，可广泛应用于工业生产中。4)可根据实际需要来配制不同比例的涂敷材料和不同厚度的涂层、调节焊接电流、焊接速度和焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面的夹角)来控制堆焊重熔合金层的厚度，以满足不同的工艺要求。
图1是本发明方法原理图。
具体实施例方式
以下结合附图以及本发明方法内容提供以下实施例，实施例采用的装置主要包括钨极氩弧焊枪1，熔池2，涂敷材料3，熔深层厚度4，焊接热影响区5，镁合金工件6，铜垫板7。
将镁合金工件6表面用砂纸打磨，去除氧化物，再用酒精冲洗，在空气中干燥。根据实际工作对堆焊重熔合金层中SiC和Al的含量和颗粒度的需要，将SiC和Al颗粒按不同颗粒度(7μm-100μm)和不同体积比SiC/Al(1/5-1/2)混合后加入粘接剂，搅拌均匀，制成涂敷材料。将配制好的涂敷材料3均匀地涂在镁合金工件表面，涂层厚度在0.1-1.0mm之间。然后将具有涂敷材料3的镁合金工件6放置在空气中自然干燥或放在100-150℃的热处理炉中烘干。将具有涂敷材料3的镁合金工件6固定在铜垫板7上，铜垫板7对镁合金工件6起到散热作用。根据镁合金工件6的不同厚度和实际中对堆焊熔深层厚度4的不同要求以及不同的涂敷材料3涂层厚度，调整合适的钨极氩弧焊枪角度(钨极氩弧焊枪6与焊缝所在平面之间的夹角)和焊枪钨极与镁合金工件6之间的距离，确定焊接速度、焊接电流和保护气流量等焊接工艺参数。焊接电流范围控制在60-200A，焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面的夹角)范围在50-90°之间，保护气流量控制在5-15L/min，焊枪钨极与镁合金工件6之间的距离在0.5-3mm之间。全部参数调整确定后，进行焊接操作。首先钨极氩弧焊枪1在镁合金工件6端部引弧施焊，当钨极氩弧焊枪1到达镁合金工件6的末端时，钨极氩弧焊枪1息弧，焊枪抬起，完成焊接过程。
实施例1选用厚度为3.6mm变形镁合金AZ31B板材(试样尺寸为200×100×3.6mm，)，选用铝粉和碳化硅粉的颗粒度均为7μm，碳化硅粉和铝粉的混合体积比例为碳化硅粉∶铝粉＝1∶5，所用的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。将碳化硅粉和铝粉充分混合，加入粘结剂搅拌均匀，将涂敷材料均匀地涂于已经清除氧化膜等杂质的洁净的镁合金工件表面，涂层厚度为0.1mm。钨极氩弧焊焊接电流为60A(交流)，焊枪钨极直径均为F1.6mm，焊接速度为5mm/s，焊枪氩气流量为5L/min，焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为50°，采用氩气作为保护气体。对堆焊-重熔处理后的镁合金表面分析表明，熔深层厚度为0.5mm，SiC颗粒均匀地嵌入镁合金基体表面，显微硬度为120VHN。在耐磨性能试验机上进行表面耐磨性试验。采用淬火钢盘片，3kg压力，转速为300转/分钟，用时6000s，合金层磨损10μm。将堆焊-重熔处理后的镁合金表面浸入5％(质量百分比)的NaCl溶液中，25℃恒温条件下，保持30min后取出称重，质量损失率为10mg/cm2。
实施例2选用厚度为8mm铸造镁合金AZ91B板材(试样尺寸为200×100×8mm)，选用铝粉和碳化硅粉的颗粒度均为50μm，碳化硅粉和铝粉的混合体积比例为碳化硅粉∶铝粉＝1∶3.5，所用的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。将碳化硅粉和铝粉充分混合，加入粘结剂搅拌均匀，将涂敷材料均匀地涂于已经清除氧化膜等杂质的洁净的镁合金工件表面，涂层厚度为0.5mm。钨极氩弧焊焊接电流为130A(交流)，焊枪钨极直径均为F2.0mm，焊接速度为10mm/s，焊枪氩气流量为10L/min，焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为70°，采用氩气作为保护气体。对堆焊-重熔处理后的镁合金表面分析表明，熔深层厚度为1.3mm，SiC颗粒均匀地嵌入镁合金基体表面，显微硬度为160VHN。在耐磨性能试验机上进行表面耐磨性试验。采用淬火钢盘片，3kg压力，转速为300转/分钟，用时6000s，合金层磨损8μm。将堆焊-重熔处理后的镁合金表面浸入5％(质量百分比)的NaCl溶液中，25℃恒温条件下，保持30min后取出称重，质量损失率为12mg/cm2。
实施例3选用厚度为10mm铸造镁合金AM60板材(试样尺寸为200×100×10mm)，选用铝粉和碳化硅粉的颗粒度均为100μm，碳化硅粉和铝粉的混合体积比例为碳化硅粉∶铝粉＝1∶2，所用的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。将碳化硅粉和铝粉充分混合，加入粘结剂搅拌均匀，将涂敷材料均匀地涂于已经清除氧化膜等杂质的洁净的镁合金工件表面，涂层厚度为1.0mm。钨极氩弧焊焊接电流为200A(交流)，焊枪钨极直径均为F2.2mm，焊接速度为15mm/s，焊枪氩气流量为15L/min，焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为90°，采用氩气作为保护气体。对堆焊-重熔处理后的镁合金表面分析表明，熔深层厚度为2.0mm，SiC颗粒均匀地嵌入镁合金基体表面，显微硬度为200VHN。在耐磨性能试验机上进行表面耐磨性试验。采用淬火钢盘片，3kg压力，转速为300转/分钟，用时6000s，合金层磨损6μm。将堆焊重熔处理后的镁合金表面浸入5％(质量百分比)的NaCl溶液中，25℃恒温条件下，保持30min后取出称重，质量损失率为14mg/cm2。
权利要求
1.一种镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征在于，方法步骤如下(1)将镁合金工件表面用砂纸打磨，去除氧化物，再用酒精冲洗，在空气中干燥；(2)将SiC和Al粉料按颗粒度和体积比SiC/Al混合后加入粘结剂，搅拌均匀，制成涂敷材料；(3)将配制好的涂敷材料均匀地涂在镁合金工件表面，然后将具有涂层的镁合金工件烘干；(4)对具有涂层的镁合金工件表面进行惰性气体保护钨极电弧堆焊重熔处理，根据工件厚度和对堆焊熔深的要求以及涂层厚度，调节焊接电流，焊接速度和焊枪角度，选择保护气体和保护气流量，选用钨极直径。
2.根据要求1所述的镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的涂敷材料，是由SiC和Al组成的混合粉料，其中，SiC和Al的混合体积比例为SiC∶Al在1∶5-1∶2之间，所用SiC和Al的颗粒度控制在7μm-100μm，涂敷材料的涂层厚度在0.1-1.0mm之间。
3.根据要求1所述的镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所用的粘结剂是指低温粘结剂。
4.根据要求1所述的镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的焊接电流范围控制在60-200A，焊枪角度范围控制在50-90°之间，焊接速度控制在5-15mm/s，钨极直径在F1.6-2.2mm之间，保护气流量为5-15L/min，熔深层厚度为0.5-2mm。
5.根据要求1或4所述的镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，采用脉冲氩弧焊机作为焊接电源，焊接电流为交流，焊接方法为自动和手工两用。
6.根据要求1所述的镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的保护气体采用惰性气体，是氩气、氦气或者氩气和氦气的混合气体。
7.根据要求1所述的镁合金表面SiC+Al堆焊方法，其特征是，所述的将具有涂层的镁合金工件烘干，是通过放置在空气中自然干燥或放在100-150℃的热处理炉中烘干。
全文摘要
一种镁合金表面SiC+Al堆焊方法，用于焊接技术领域。方法步骤如下将镁合金工件表面用砂纸打磨，去除氧化物，再用酒精冲洗，在空气中干燥；将SiC和Al粉料按颗粒度和体积比SiC/Al混合后加入粘结剂，搅拌均匀，制成涂敷材料；将配制好的涂敷材料均匀地涂在镁合金工件表面，然后将具有涂层的镁合金工件烘干；对具有涂层的镁合金工件表面进行惰性气体保护钨极电弧堆焊重熔处理，调节焊接电流，焊接速度和焊枪角度，选择保护气体和保护气流量，选用钨极直径。本发明能有效地将提高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性结合，而且所需设备简单，易于全方位操作，大大降低了生产成本，简化了加工工艺，降低了劳动强度，提高了生产效率。
文档编号B23K9/16GK1618561SQ20041008927
公开日2005年5月25日 申请日期2004年12月9日 优先权日2004年12月9日
发明者丁文斌, 蒋海燕, 姚寿山, 曾小勤, 丁文江, 吴国松 申请人:上海交通大学