专利名称：镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝及焊接方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种焊接材料，本发明也涉及ー种焊接方法。
背景技术：
镁及镁合金作为金属中最轻的工程结构材料，具有高比強度、高尺寸稳定性、高阻尼减震性以及易回收利用等特点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。镁和钢形成的复合结构具有轻质高强、能量吸收、屏蔽性好等一系列优异性能，在汽车、航空航天、电子通讯等领域中得到广泛应用。例如，在航天飞行器设计中，采用镁-钢复合结构可兼顾整体减重与局部承载增强的要求，这种复合结构对于航空航天关键构件是ー种发展趋势；在汽车エ业中，同样对镁和钢的复合结构提出了应用需求。此外，镁-钢复合构件在深空探測、探月工程、高速列车以及大型船舶等领域也具有重大潜在的使用价值。而镁/钢异种材料连接技术问题 的解决，则是该复合结构获得エ业应用的前提。基于镁-钢复合结构的性能优势，目前国内外学者在镁-钢异种材料连接方面开展了大量的研究工作，但尚存在以下不足I)镁-钢异种金属的连接多局限于固相连接方面如扩散焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊等，这些方法易受エ件形状和尺寸的限制，且效率低，难以满足大批量生产需求。2)现有的镁-钢熔(钎)焊连接方法未能有效解决两者的焊接问题针对两者熔点差异大、互溶度小、无中间反应相生成的问题，目前多通过中间箔层或镀层方式来解决，但焊接过程中间层材料的流失和镁合金的氧化问题是ー个难以克服的本质缺陷。目前尚未开发出具有实用价值的熔焊或熔钎焊方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够改善润湿性的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝。本发明的目的还在于提供ー种适用于熔点差异大、互溶度小、无中间反应相生成的异种金属之间焊接的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接方法。本发明的目的是这样实现的本发明的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝的重量百分比组成为Al: 2-10%、Zn: O. 5-5%, Sr: O.ト1%、B: O. 05-0. 2%、RE: O. 5-2%,余量为 Mg。本发明的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法为步骤I :在镁合金和钢エ件的待焊部位加工出坡ロ，并除去エ件表面的油污和氧化膜；步骤2 :将镁合金和钢エ件固定在焊接夹具上，调节送丝装置的位置和角度，焊丝从激光束前方以一定角度自动送入，并利用氩气对焊缝进行保护；步骤3 :将激光束稍偏置于镁合金工件ー侧，利用超音频脉冲激光加热焊丝及镁合金工件形成熔池，而钢エ件在焊接过程中基本維持固态，与液态镁合金相互作用形成钎焊接头。
本发明的方法还可以包括I、所述超音频脉冲激光脉冲的频率在20kW_50kW，功率P在lkW_10kW。2、焊接速度为 O. lm/min-10m/min。3、焊丝直径在O. 8-2. Omm之间,送丝速度为O. 5m/min-10m/min。4、所述调节送丝装置的位置和角度是使焊丝与エ件的夹角Θ为15° -45°。5、所述焊丝从激光束前方以一定角度自动送入是使激光头与エ件的夹角Φ为80。 -100。。6、镁合金和钢エ件的待焊部位对接，在镁合金和钢エ件的待焊部位加工出的坡ロ为V形坡ロ。7、镁合金和钢エ件的待焊部位搭对接，在镁合金和钢エ件的待焊部位加工出的坡 ロ为Y形坡ロ。针对已有技术中存在的问题，本发明提出一种基于添加合金元素的超音频脉冲激光熔钎焊焊丝及焊接方法。焊接时，通过在镁钎料中添加合金元素(如Al、B、Sr、RE等)来调控界面反应，改善钎料润湿性；同时利用脉冲激光加热钎料及镁合金母材形成熔池，一方面，具有高度聚焦能量的激光能够在瞬间气化熔池金属；另一方面，镁元素较低的沸点(1090°C)強化了激光的瞬间气化能力。因此，在激光辐照熔池期间将会产生瞬间的材料蒸发，蒸发反冲力作用于熔池金属形成机械振荡，当脉冲激光频率与振荡能量达到超声频率时,这种机械振荡将在熔池内部形成空化作用(产生无数高压空化泡并随时爆破)。这种空化作用将在镁/钢界面上产生细微局部高压轰击，这一方面将有效去除钢表面的氧化膜、降低熔融金属表面能从而改善钎料润湿铺展效果；另ー方面这种空化作用将极大影响接头冶金过程，起到细化晶粒和均匀组织两种效果，因为空化作用将改变熔池金属结晶状态并对界面金属间化合物层有均匀化处理效果。本发明对解决制约Mg/Fe、Mg/Ti非互溶异质金属焊接质量提高的关键和共性问题，扩展激光熔钎焊接的应用范围，具有重要的理论意义和工程应用价值。本发明的焊丝中各种合金元素的作用分别是1) Al与Mg形成有限固溶体，Fe和Al之间易形成化合物，Al可提高液态Mg的流动性并改善其在钢表面的润湿性；2) Zn可以提高熔融镁合金的流动性，还有细化晶粒和沉淀强化作用；3) Sr和B共同作用可降低了镁合金液相线，提高镁合金的流动性，细化微观组织，改善镁合金在钢表面的润湿铺展能力；4)RE稀土元素不但能有效地改善镁合金的流动性，而且能够同时提高镁合金的力学或其他性能。按照合金元素的种类及百分比进行熔炼制备镁合金铸锭，进而制成合金元素镁焊丝。本发明的效果可以归纳为I、合金元素(Al、Zn、B、Sr、RE等)会对液态钎料的表面能状态产生明显的影响，进而改善液态钎料在钢表面的润湿铺展性，这些中间元素还可能会抑制或促进某些金属间化合物在界面的生长过程。2、激光超声空化作用会在镁/钢界面上产生细微局部高压轰击，这一方面将有效去除钢表面的氧化膜、降低熔融金属表面能从而改善钎料润湿铺展效果；另一方面这种空化作用将极大影响接头冶金过程，起到细化晶粒和均匀组织两种效果，将改变熔池金属结晶状态并对界面金属间化合物层有均匀化处理效果。3、对熔池施加超声振动能够使液态金属内的气体聚集，有利于焊接熔池中气体的充分溢出，从而減少或避免了焊接气孔的产生。4、超声源是通过超声频率的脉冲激光引起液态熔池的超声振动而产生的，并不需要额外的超声电源和变幅杆，是ー种可靠、高效、低成本的熔钎焊接新方法。5、该方法利用高能密度激光瞬时气化能力及镁元素气化温度低的特点，对熔池产生的间歇式气化反冲カ形成机械震荡从而产生空化作用，显著影响熔融金属的润湿铺展性能与接头冶金过程。6、采用此方法，有望解决在非互溶异种金属中需要添加中间箔层或镀层带来的エ序复杂、成本高、接头性能差等问题，这为实现Mg/Fe、Mg/Ti等非互溶金属的低成本和高效率的焊接生产提供了一种新的手段。
图I是超音频脉冲激光熔钎焊接镁-钢对接接头焊接装置的示意图；图2是超音频脉冲激光熔钎焊界镁-钢搭接接头焊接装置的示意图；图3是镁-钢异种金属对接接头的金相照片；图4是镁-钢异种金属搭接接头的金相照片。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述按照重量百分比组成为Al: 2-10%、Zn: O. 5-5%, Sr: O. 1-1%, B: O. 05-0. 2%、RE:O. 5-2%、余量为Mg的比例，将合金元素进行熔炼制备镁合金铸锭，进而制成合金元素镁焊丝。合金元素的重量百分比组成优选为A1:4_8%、Zn: 1-4%、Sr: O. 4-0. 8%、B:O. 1-0. 15%、RE: 1-1. 5%、余量为 Mg。合金元素的重量百分比组成优选为Al:6%、Zn:3%、Sr:0. 5%,B:0. 13%,RE:1. 2%、余量为Mg。合金元素的重量百分比组成优选为Al:4%、Zn:l%、Sr:0. 4%、B:0. 1%、RE:1%、余量为Mg。合金元素的重量百分比组成优选为Al:8%、Zn:4%、Sr:0. 8%,B:0. 15%,RE:1. 5%、余量为Mg。结合图I和图2，本发明的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接方法借助于由光纤激光器系统4、激光头7、送丝机构10、镁合金焊丝8、送丝嘴9和氩气喷嘴5等构成焊接装置来实现。下面列举两种本发明的方法的具体实现方式。
具体实施方式
一结合图1，它是超音频脉冲激光熔钎焊接镁-钢对接接头的实施方式，的焊接方法步骤如下步骤I :为有效地促进液态镁合金在钢板I上的润湿铺展性，将エ件的待焊部位加エ成V形或Y形坡ロ，对坡ロ表面及两侧进行打磨和清洗，除去エ件表面的油污和氧化膜。步骤2 :焊接前，将钢板I和镁板3固定在焊接夹具上，调节送丝嘴9的位置和角度，保证焊丝8从激光束6前方以一定角度Θ自动送入，并利用氩气喷嘴5对焊缝2进行保护。步骤3 :焊接过程中，将激光束6稍偏置于镁合金3侧0. 2mm-0. 8mm,通过调节光纤激光器4的功率密度和送丝机构10的送丝速度实现对焊接热输入量的精确控制，利用超音频脉冲激光束6加热镁合金焊丝8及母材3形成熔池，而钢I在焊接过程中基本维持固态，与液态镁合金相互作用形成钎焊焊缝2，从而获得具有熔焊与钎焊双重特性的复合型接头。步骤4 :根据实际情况设定焊接工艺参数，激光脉冲频率在20kW_50kW，激光功率P在0. Ikff-IOkff,焊接速度为0. lm/min-10m/min,焊丝直径在0. 8-2. Omm之间，送丝速度为0. 5m/min-10m/min，焊丝与工件的夹角0为15° -45°，激光头与工件的夹角①为80。 -100。。步骤5 :焊接后，对焊缝成形和接头性能进行检测。试验结果表明，通过添加中间元素结合超音频脉冲激光熔钎焊方法可以获得成形良好的焊缝(见图3)，接头强度系数达 0. 85以上。
具体实施方式
二 结合图2，它是超音频脉冲激光熔钎焊接镁-钢搭接接头的实施方式焊接方法步骤如下步骤I :待焊工件不开坡口或在镁合金3侧开单边Y型坡口，使用砂纸和丙酮对工件表面及两侧进行打磨和清洗，除去工件表面的油污和氧化膜。步骤2 :将表面处理干净的工件组合成搭接接头(镁合金板3在上，钢板I在下)，调节送丝嘴9的位置和角度，使焊丝8从激光束6前方以一定角度0自动送入，并利用氩气喷嘴5对焊缝2进行保护。步骤3 :焊接过程中，通过调节光纤激光器4的功率密度和送丝机构10的送丝速度实现对焊接热输入量的精确控制，利用超音频脉冲激光束6加热镁合金焊丝8及母材3形成熔池，而钢I在焊接过程中基本维持固态，与液态镁合金相互作用形成钎焊焊缝2，从而获得具有熔焊与钎焊双重特性的复合型接头。步骤4 :根据实际情况设定焊接工艺参数，激光脉冲频率在20kW_50kW，激光功率P在0. Ikff-IOkff,焊接速度为0. lm/min-10m/min,焊丝直径在0. 8-2. Omm之间，送丝速度为0. 5m/min-10m/min，焊丝与工件的夹角0为15° -45°，激光头与工件的夹角①为80。 -100。。步骤5 :焊接后，对焊缝成形和接头性能进行检测。试验结果表明，通过添加中间元素结合超音频脉冲激光熔钎焊方法可以获得成形良好的焊缝(见图4)，接头的剪切强度比无超声情况下的高25%。
权利要求
1.一种镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝，其特征是重量百分比组成为Al:2-10%、Zn:O. 5-5%, Sr:O. 1-1%, B:O. 05-0. 2%, RE:O. 5_2%，余量为 Mg。
2.—种镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是 步骤I :在镁合金和钢エ件的待焊部位加工出坡ロ，并除去エ件表面的油污和氧化膜； 步骤2 :将镁合金和钢エ件固定在焊接夹具上，调节送丝装置的位置和角度，焊丝从激光束前方以一定角度自动送入，并利用氩气对焊缝进行保护；所述焊丝的重量百分比组成为A1:2-10%、Zn: O. 5-5%, Sr: O.ト1%、B: O. 05-0. 2%、RE: O. 5-2%,余量为 Mg ； 步骤3 :将激光束稍偏置于镁合金工件ー侧，利用超音频脉冲激光加热焊丝及镁合金エ件形成熔池，而钢エ件在焊接过程中基本維持固态，与液态镁合金相互作用形成钎焊接头。
3.根据权利要求2所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是镁合金和钢エ件的待焊部位对接，在镁合金和钢エ件的待焊部位加工出的坡ロ为V形坡ロ。
4.根据权利要求2所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是镁合金和钢エ件的待焊部位搭对接，在镁合金和钢エ件的待焊部位加工出的坡ロ为Y形坡ロ。
5.根据权利要求3或4所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是所述超音频脉冲激光脉冲的频率在20kW-50kW，功率P在lkW-10kW。
6.根据权利要求3或4所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是焊接速度为O. lm/min-10m/min。
7.根据权利要求3或4所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是焊丝直径在O. 8-2. Omm之间,送丝速度为O. 5m/min-10m/min。
8.根据权利要求3或4所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是所述调节送丝装置的位置和角度是使焊丝与エ件的夹角Θ为15° -45°。
9.根据权利要求3或4所述的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法，其特征是所述焊丝从激光束前方以一定角度自动送入是使激光头与エ件的夹角Φ为.80。 -100。。
全文摘要
本发明提供的是一种镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝及焊接方法。在镁合金和钢工件的待焊部位加工出坡口，并除去工件表面的油污和氧化膜；将镁合金和钢工件固定在焊接夹具上，调节送丝装置的位置和角度，焊丝从激光束前方以一定角度自动送入，并利用氩气对焊缝进行保护；所述焊丝的组成为Al2-10%、Zn0.5-5%、Sr0.1-1%、B0.05-0.2%、RE0.5-2%，余量为Mg；将激光束稍偏置于镁合金工件一侧，利用超音频脉冲激光加热焊丝及镁合金工件形成熔池，而钢工件在焊接过程中基本维持固态，与液态镁合金相互作用形成钎焊接头。本发明对解决制约Mg/Fe、Mg/Ti非互溶异质金属焊接质量提高的关键和共性问题，扩展激光熔钎焊接的应用范围。
文档编号B23K103/18GK102699535SQ20121017968
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者姚竞争, 封小松, 苗玉刚, 韩端锋 申请人:哈尔滨工程大学