一种镁合金焊缝热碾压强化工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其步骤如下：1）采用惰性气体保护焊，双面焊接镁合金件；2）将镁合金焊接件置于热处理炉中，温度在200℃～350℃之间，进行0.5～2h的焊后去应力退火；3）对退火后镁合金焊接件焊缝余高进行不少于2次热碾压，直至焊缝与基体平齐，每次热碾压前将镁合金焊接件加热到350℃～400℃，保温预热10min～0.5h，在250℃～350℃下进行热碾压；工艺操作过程简单，加工周期短，使焊缝强度高于基材抗拉强度，且细化了组织，美化了焊件的外观，还可对焊后变形的镁合金板材有一定的矫直作用，适用于可焊透的镁合金材料，如AZ31、AZ61、AZ80等镁合金材料。
【专利说明】一种镁合金焊缝热碾压强化工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于用热处理法或用热加工或冷加工法改变有色金属或合金的物理结构【技术领域】，特别是涉及一种镁合金焊缝热碾压强化工艺。
【背景技术】
[0002]镁合金作为最轻质的金属结构材料具有低密度、高比强度、高比刚度以及优良的阻尼性能和电磁屏蔽性能，在电子领域、航空工业、汽车及轨道交通制造中具有广阔的应用前景，然而镁合金具有化学活泼性高、熔沸点低、导热系数及热膨胀系数大等特点，焊接过程容易产生夹渣、气孔、变形、裂纹及过热等问题，严重阻碍了其焊接结构件的应用，焊缝强度显著低于镁合金母材，这是由于熔化焊的镁合金焊缝处为快冷铸态组织，晶粒粗大，且存在大量第二相，受力时在第二相附近产生应力集中，导致焊接件强度较低，由于焊缝为薄弱区，拉伸时，变形更多地集中在焊缝，并最终断裂在焊缝处，焊件所表现出来的强度、延伸率都较低。
[0003]中国东南大学论文《热压形变参数对AZ31镁合金接头微观组织和力学性能的影响》中通过对焊接接头余高处进行垂直热压，压力为lOOMPa，热压至与母材平整，并经20分钟保压以继续发生蠕变变形进行试验观察，该试验结构揭示了热压温度对焊接接头的力学性能影响较大，试验条件下，随着热压温度的升高，抗拉强度先升高后降低。热压温度为250°C时，由于焊接接头组织与焊态接头组织大体相同，未出现再结晶组织，导致接头抗拉强度较低，仅为母材的60%，伸长率低至6%，断裂位置在热影响区；热压温度为350°C时，接头抗拉强度达到了 228MPa，几乎与母材抗拉强度一致，伸长率为10.2%，断裂同样发生在热影响区；热压温度为400°C时，抗拉强度有所降低，为母材抗拉强度的70%，伸长率为7%，断裂也发生在热影响区，这表明热影响区是焊接接头的薄弱环节，随着热压温度的增加，热影响区晶粒长大、粗化，导致力学性能降低。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，该工艺通过对焊缝余高进行多次热碾压，激发动态再结晶，使第二相溶入基体、弥散分布，提高固溶强化、第二相强化效果，增加焊缝区的孪晶量，增加焊缝加工硬化，使焊后的薄弱区变成增强区，使焊缝处抗拉强度高于母材强度，将断裂位置转移至母材。
[0005]为了达到上述目的，本发明提一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其如下步骤:
[0006]I)采用惰性气体保护焊，双面焊接镁合金件；
[0007]2)将镁合金焊接件置于热处理炉中，温度在200°C~350°C之间，进行0.5~2h的焊后去应力退火；
[0008]3)对退火后镁合金焊接件焊缝余高进行不少于2次热碾压，直至焊缝与基体平齐，每次热碾压前将镁合金焊接件加热到350°C~400°C，保温预热IOmin~0.5h，在250°C~350°C下进行热碾压。[0009]进一步,在步骤I)中，所述焊缝余高设置为0.5mm~3.0mm。
[0010]进一步，在步骤I)中，所述镁合金件设置为3mm厚的AZ31镁合金板，焊缝两侧应各留Imm余高。
[0011]进一步，在步骤2)中，所述AZ31镁合金焊接板去应力退火温度为295~305 °C，退火时间为2h。
[0012]进一步，在步骤3)中，对退火后AZ31镁合金焊接板焊缝余高进行4次热碾压，每次热碾压压下量设置为焊缝余高1/4。
[0013]进一步，在步骤I)中，所述惰性气体保护焊采用钨极惰性气体保护焊，焊丝直径2mm,，焊接方向平行板材挤压方向，焊接工艺参数为:焊接电流75~100A，焊接速度4~8mm/s,填丝速度2~4mm/s,电弧长度I~2mm,保护气为気气,流量10L/min。
[0014]本发明具有如下有益效果: [0015]1、本发明一种镁合金焊缝热碾压强化工艺通过TIG或MIG双面焊，得到无明显焊接缺陷且具有足够焊缝余高的镁合金焊件，TIG/MIG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/MIG焊可以有效得到足够的焊缝余高，为热碾压提供足够的条件，然后对其进行热处理及热碾压，使得焊缝处由极为细小的再结晶晶粒和一定的孪晶组成，这种组织具有较高的强度、硬度，高于母材，受力时能有效抵抗变形。
[0016]2、本发明一种镁合金焊缝热碾压强化工艺简单，其工艺过程是使固溶强化、细晶强化及加工硬化多种合金强化原理相结合而形成，在提高镁合金焊接件焊缝强度的同时，由于焊缝处的压入，提高了焊接件的美观性，适用于可焊透的镁合金材料，如AZ31、AZ61、AZ80等镁合金材料。
[0017]3、本发明一种镁合金焊缝热碾压热碾压强化工艺操作过程简单，加工周期短，适合镁合金焊接件焊缝处组织与性能的优化，很大程度上提高了焊缝强度，可使母材强度基本保持不变的情况下，使焊缝强度高于基材抗拉强度，且细化了组织，美化了焊件的外观，还可对焊后变形的镁合金板材有一定的矫直作用，为镁合金焊接件的进一步加工提高了更好的途径，甚至可以应用至其他合金，如钢、铝合金等。
[0018]镁合金焊缝热碾压强化原理
[0019]1.镁合金活性较强，在焊接过程中极易氧化，由于镁的蒸发、熔化收缩等原因，还易形成气孔、缩孔等缺陷，因此适于焊接镁合金的方法有限，焊接需在惰性保护气体下进行，或非熔化状态下的搅拌摩擦焊才能实现，为了后续热碾压有足够余高，所以适宜采用TIG或MIG焊，镁合金焊接件中，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-基体三个区域之间容易产生焊接应力，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，可有效减小了焊接应力，适当软化焊板、溶解第二相，为热碾压阶段做准备。
[0020]2.热碾压程中，镁合金焊缝受压应力作用，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，对焊缝起到细晶强化作用，压下量进一步增加，新生的再结晶晶粒中，孪晶再次增加，继续增加压下量，可发生二次动态再结晶，细晶强化效果进一步增强；在此过程中，原焊缝区域中存在的大量第二相破碎，部分溶入基体，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显微气孔得以消除，有效减少了焊缝处的裂纹扩展路径，从而提高焊接接头的抗拉强度，热碾压后的焊件焊缝受到固溶强化、动态再结晶细晶强化及加工硬化等共同作用，组织细化，强度显著提升，当其强度高于母材时，断裂则发生在母材，而不是焊缝，这样焊件的抗拉强度、延伸率都表现为母材本身的。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为AZ31镁合金焊接板试样编号A、B、C、D对应I~4次热碾压的效果图；
[0022]图2、3、4、5分别对应为试样A、B、C和D的焊缝金相组织显微图；
[0023]图6为试样A、B、C和D的工程应力-应变曲线图；
[0024]图7为试样A、B、C、D和母材拉伸试样断裂位置及变形效果图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0026]本发明提一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其如下步骤:
[0027]I)采用惰性气体保护焊，双面焊接镁合金件；
[0028]2)将镁合金焊接件置于热处理炉中，温度在200°C~350°C之间，进行0.5~2h的焊后去应力退火；
[0029]3)对退火后镁合金焊接件焊缝余高进行不少于2次热碾压，直至焊缝与基体平齐，每次热碾压前将镁合金焊接件加热到350°C~400°C，保温预热IOmin~0.5h，在250°C~350°C下进行热碾压。
[0030]进一步,在步骤I)中，所述焊缝余高设置为0.5mm~3.0mm。
[0031]进一步，在步骤I)中，所述镁合金件设置为3mm厚的AZ31镁合金板，焊缝两侧应各留Imm余高。
[0032]进一步，在步骤2)中，所述AZ31镁合金焊接板去应力退火温度为295~305 °C，退火时间为2h。
[0033]进一步，在步骤3)中，对退火后AZ31镁合金焊接板焊缝余高进行4次热碾压，每次热碾压压下量设置为焊缝余高1/4。
[0034]进一步，在步骤I)中，所述惰性气体保护焊采用钨极惰性气体保护焊，焊丝直径2mm,，焊接方向平行板材挤压方向，焊接工艺参数为:焊接电流75~100A，焊接速度4~8mm/s,填丝速度2~4mm/s,电弧长度I~2mm,保护气为気气,流量10L/min。
[0035]以下以AZ31镁合金板焊缝热碾压强化工艺实验数据进一步说明:
[0036]I) TIG焊双面焊成型留余高:
[0037]焊接前对AZ31镁合金板材进行打磨清除表面氧化层。采用交流填丝TIG双面焊方法焊接，焊丝直径2mm，成分与基材一致，焊接方向平行板材挤压方向，小电流，慢速焊接，填丝速度略大，以得到有足够焊缝余高的初始焊板，最终焊缝处厚度为5mm，上下各Imm的余高，焊接工艺参数为:焊接电流75~100A,焊接速度4~8mm/s,填丝速度2~4mm/s,电弧长度I~2mm，保护气为氩气，流量10L/min。
[0038]2.焊后去应力退火:[0039]将焊后AZ31镁合金板材在温度300 V时，进行退火2h。
[0040]3.热碾压:
[0041]热轧温度约为300°C~350°C，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350°C~400°C热处理炉中，保温15min后轧制，每轧制道次间保温IOmin。由于镁合金冷却速度较快，出炉时的实时轧制温度在250~350°C之间，在相同轧制温度，轧制总道次、轧制总压下量见表1:
【权利要求】
1.一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其特征在:其如下步骤: 1)采用惰性气体保护焊，双面焊接镁合金件； 2)将镁合金焊接件置于热处理炉中，温度在200°C~350°C之间，进行0.5~2h的焊后去应力退火； 3)对退火后镁合金焊接件焊缝余高进行不少于2次热碾压，直至焊缝与基体平齐，每次热碾压前将镁合金焊接件加热到350°C~400°C，保温预热IOmin~0.5h，在250°C~350°C下进行热碾压。
2.如权利要求1所述的一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其特征在:在步骤I)中，所述焊缝余高设置为0.5mm~3.0mm。
3.如权利要求2所述的一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其特征在于:在步骤I)中，所述镁合金件设置为3mm厚的AZ31镁合金板，焊缝两侧应各留Imm余高。
4.如权利要求3所述的一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其特征在于:在步骤2)中，所述AZ31镁合金焊接板去应力退火温度为295~305°C，退火时间为2h。
5.如权利要求4所述的一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其特征在于:在步骤3)中，对退火后AZ31镁合金焊接板焊缝余高进行4次热碾压，每次热碾压压下量设置为焊缝余高1/4。
6.如权利要求5所述的一种镁合金焊缝热碾压强化工艺，其特征在于:在步骤I)中，所述惰性气体保护焊采用钨极惰性气体保护焊，焊丝直径2mm，，焊接方向平行板材挤压方向，焊接工艺参数为:焊接电流75~100A,焊接速度4~8mm/s,填丝速度2~4mm/s,电弧长度I~2mm，保护气为氩气，流量10L/min。
【文档编号】C21D9/50GK103526142SQ201310450337
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】杨莉, 刘华, 王尧 申请人:重庆钢铁(集团)有限责任公司