由於鎂合金具有密度和熔點低 ,熱導率、電導率及熱膨脹係數大 ,化學活性強 ,易氧化且氧化物的熔點高等特點,使鎂合金的焊接必須解決以下一系列問題 :
(1) 粗晶
鎂的熔點低 ,熱導率高 ,焊接時需採用大功率的焊接熱源 ,焊縫及近縫區易產生過熱、晶粒長大、結晶偏析等現象 ,降低了接頭性能。
(2) 氧化與蒸發
鎂的氧化性極強 ,易同氧結合 , 在 焊 接 過 程 中 易 形 成 MgO , MgO 熔 點 高(2 500 ℃),密度大 (3. 2 g/cm-3) ,易在焊縫中形成細小片狀固態夾渣 ,不僅嚴重阻礙焊縫成形 ,也降低焊縫性能。鎂在焊接高溫下 ,還易與空氣中的氮化合生成鎂的氮化物 ,氮化鎂夾渣也會導致焊縫金屬的塑性 下 降 , 使 接 頭 性 能 變 壞。鎂 的 沸 點 不 高 ( 1100 ℃),在電弧高溫下很易蒸發。
(3) 薄件的燒穿與塌陷
在焊接薄件時 ,由於鎂合金熔點較低 ,而氧化鎂的熔點很高 ,兩者不易熔合 ,焊接操作時難以觀察焊縫的熔化過程。溫度升高 ,熔池的顏色也沒有顯著變化 ,極易產生燒穿和塌陷現象。
(4) 熱應力和裂紋
鎂及鎂合金熱膨脹係數較大 ,約為鋼的 2 倍 ,鋁的 1. 2 倍 ,在焊接過程中易引起較大的焊接應力與變形。鎂易與一些合金元素(如 Cu、Al 、Ni 等) 形成低熔點共晶體 (如 Mg - Cu 共晶點溫度為 480 ℃,Mg- Al 共晶點溫度為 430 ℃,Mg-Ni 共晶點溫度為 508 ℃),脆性溫度區間較寬 ,易形成熱裂紋。研究發現 ,當 w (Zn) > 1 %時會提高熱脆性 ,並可能導致焊接裂紋。在鎂中加入 w (Al) ≤10 % ,可細化焊縫晶粒 ,改善焊接性。含少量 Th 的鎂合金具有良好的焊接性 ,無裂紋傾向。
(5) 氣孔
焊鎂時易產生氫氣孔 ,氫在鎂中的溶解度也是隨溫度的降低而急劇減小。
(6)鎂及其合金在空氣環境下焊接時易氧化燃燒,熔焊時需用惰性氣體或焊劑保護。
鎂合金焊接常用工藝
一般來說,鎢極惰性氣體保護電弧焊和熔化極惰性氣體保護電弧焊是鎂合金常用的焊接方法。此外鎂合金還可以採用電阻點焊(RSW) 、摩擦焊 ( FW) 、攪拌摩擦焊 ( FSW) 、激光焊(LBW) 、電子束焊 (EBW) 等工藝進行焊接。由於鎂的比熱容和熔化潛熱小,因此焊接時要求的輸入熱量少而焊接速度高。大多數情況下,鎂合金件可採用熔化焊,如電弧焊、激光焊、電子束焊和氣焊等方法進行焊接。
1.鎢極氬弧焊
鎢極氬弧焊是目前焊接鎂合金最常用的焊接方法 ,它是在惰性氣體的保護下 ,利用電弧熱熔化母材和填充金屬。直流電源焊接時要採用反極性接法 ,以便利用陰極霧化作用破壞、除去母材表面上的氧化膜 ,減少或避免焊縫中的氧化物夾雜。氬弧焊的熱影響區尺寸及變形比較小 ,焊縫的力學性能和耐腐蝕性能也比較高。
TIG焊方法在有無填充金屬的情況下都可以進行鎂合金的焊接 ,由於電極與填充絲獨立 ,能克服MIG方法焊接規範範圍窄的缺點 ,可以在較寬的工藝條件下進行穩定焊接 ,所以 TIG 焊在鎂合金的焊接方面比 MIG應用更廣 ,特別適合於鎂合金薄板的焊接。但是由於鎂合金熱膨脹係數大 ,易產生焊接裂紋、焊後變形等缺陷 ,因此需要採用夾具固定、坡口處理、焊前焊後熱處理等措施 ,以保證獲得完整的焊接 接 頭。研 究 發 現 , 採 用 交 流 TIG 方 法 焊 接AZ31B 鎂合金薄板後主要存在波浪變形、焊後錯邊、焊瘤、表面"麻點"現象和弧坑裂紋等缺陷 ,通過調整焊接順序 ,採用大電流、快速焊和剛性固定等措施可以獲得較好的焊接接頭 ,接頭強度可以達到母材的80 %以上。
對於鎂合金厚板的焊接,為了獲得較大的熔深 ,很多研究都集中於活性鎢極氬弧焊 (A 2 TIG) 。這種方法是焊前在待焊材料表面塗敷單一活性劑 TiO 2 或氯化物 (LiCl ,CaCl 2,CdCl 2 , PbCl 2 ,CeCl 3 ),然後施焊,可以使焊縫熔深比常規 TIG 焊增加 2 倍,接頭的微觀組織與未塗敷時沒有明顯區別,焊縫熔合良好 ,沒有裂縫、氣孔、夾渣等缺陷。其原理是添加活性劑可提高電弧電壓和電弧溫度 ,而且在焊接方向上增加了電弧寬度,使得焊接過程中在增大熱輸入的同時伴隨著熱流的重新分佈。
鎂合金 TIG焊一般用交流焊機或電流強度連續可調的直流焊機,其選擇主要取決於母材合金成分、板料厚度及反面有無墊板等。焊接薄板時,可採用交流或 DCEP 電源;焊接厚度大於 4 1 8 mm 的鎂合金時,交流焊機因熔深較大而佔優勢。此外,採用交流焊時一般需疊加高頻脈衝電流以便穩弧 ,但若採用方波交流電,則無需疊加高頻電流,且可產生較強的陰極霧化作用。
電極的選擇主要取決於所用電源類型和焊接電流大小,一般來說,Φ0.25 mm~6.35 mm的純鎢極、鋯鎢極和釷鎢極常被用於 TIG焊接。
2.熔化極氬弧焊
焊鎂合金的MIG焊接方法具有以下特點 :
①與TIG焊相比,焊接速度快,生產率高,全自動焊速度高達 1 m/min 左右;
②由於以焊絲作電極,適宜的焊接規範較窄;
③由於熔融鎂的表面張力小,電極絲前端的熔滴難以脫離且焊接電流過高時熔滴爆炸蒸發造成飛濺;
④由於電極絲軟,送絲穩定性差,在焊接過程中要採用推拉方式的特殊送絲裝置;
⑤市場上直徑小於 1.6mm 的焊絲很少有貨,對於焊接厚度小於2mm 的工件 ,難以找到適配焊絲。
鎂合金 MIG焊時可以有三種熔滴過渡形式:短路過渡、脈衝噴射過渡和噴射過渡。
焊接時出現哪種過渡形式取決於多方面因素,包括焊絲的熔化速度、焊接電流、送絲速度以及焊絲直徑等。其中,脈衝噴射過渡介於短路過渡和噴射過渡之間,需加脈衝電流才能實現。否則在特定的電流範圍、送絲速度以及焊絲球形端面條件下得到的是粗滴過渡形式,電弧不穩定,易產生飛濺。
脈衝噴射過渡所需線能量小於連續噴射過渡的,適用於中等厚度板材;短路過渡適用於薄板焊接;噴射厚度適用於厚板焊接。鎂合金的 MIG 電弧焊通常採用 DCEP 電源,恆壓源可用於短路過渡和大部分的噴射過渡;恆流源用於噴射過渡,有利於減少飛濺。而脈衝 MIG 電弧焊必須採用特殊的脈衝電流恆壓源。有研究表明,選用合適的焊接電源和熱輸入,鎂合金接頭的靜載強度可以近似等於母材的強度,去掉焊縫餘高後,疲勞強度比母材的高75 %。
熔化極和非熔化極氬弧焊焊絲選擇
WE-33M鎂合金焊絲是由美國R&D工業公司1987年研發，用於解決各種變形鎂合金及鑄造鎂合金在維修中的運用，2010年由威歐丁(天津)焊接技術有限公司引進中國大陸，主要用於解決常見的AZ31,AZ61,ZA91,AZ93等鎂合金的焊接，多用於廚具，汽車配件，自行車，航空航天等領域。
WE-33M鎂合金焊絲適用於氣焊和TIG氬弧焊各種鍛造鎂合金，鑄造鎂合金的焊接，對於常見鎂合金具有很好的抗裂性能，焊層可以適宜於熱處理。
WE-33M用於各種鍛壓鎂合金及鑄造鎂合金，廣泛應用於光學儀器 ，航空航天，汽車配件及民用鎂製品和工藝品的焊接，是用於焊修鎂合金斷裂，裂紋，沙眼氣孔的專用鎂合金焊絲。
鎂合金氬弧焊安全規程
1)焊接工作場地必須備有防火設備，如砂箱、滅火器、消防栓、水桶等。易燃物品距離焊接場所不得小於5m。若無法滿足規定距離時，可用石棉板、石棉布等妥善覆蓋，防止火星落入易燃物品。易爆物品距離焊接所不得小於10m。氬弧焊工作場地要有良好的自然通風和固定的機械通風裝置，減少氬弧焊有害氣體和金屬粉塵的危害。
2)手工鎢極氬弧焊機應放置在乾燥通風處，嚴格按照使用說明書操作。使用前應對焊機進行全面檢查。確定沒有隱患，再接通電源。空載運行正常後方可施焊。保證焊機接線正確，必須良好、牢固接地以保障安全。焊機電源的通、斷由電源板上的開關控制，嚴禁負載扳動開關，以免形狀觸頭燒損。
3)應經常檢查氬弧焊槍冷卻水系統的工作情況，發現堵塞或洩漏時應即刻解決，防止燒壞焊槍和影響焊接質量。
4)焊人員離開工作場所或焊機不使用時，必須切斷電源。若焊機發生故障，應由專業人員進行維修，檢修時應作好防電擊等安全措施。焊機應至少每年除塵清潔一次。
5)鎢極氬弧焊機高頻振盪器產生的高頻電磁場會使人產生一定的頭暈、疲乏。因此焊接時應儘量減少高頻電磁場作用的時間，引燃電弧後立即切斷高頻電源。焊槍和焊接電纜外應用軟金屬編織線屏蔽(軟管一端接在焊槍上，另一端接地，外面不包絕緣)。如有條件，應儘量採用晶體脈衝引弧取代高頻引弧。
6)氬弧焊時，紫外線強度很大，易引起電光性眼炎、電弧灼傷，同時產生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。因此，焊工操作時應穿白帆布工作服，戴好口罩、面罩及防護手套、腳蓋等。為了防止觸電，應在工作臺附近地面覆蓋絕緣橡皮，工作人員應穿絕緣膠鞋。
3.等離子弧焊
等離子弧是一種受到約束的非自由電弧 ,也稱壓縮電弧 ,其溫度和能量密度都顯著高於普通電弧的 ,穿透力較強 ,適合於厚板與弧長要求較大的場合。採用等離子弧焊焊接鎂合金時 ,可以在背面無墊板的情況下實現厚板對接的一次全焊透 ,且焊縫表面光滑 ,表現出良好的疲勞力學性能。有研究表明鎂合金變極性等離子弧焊的可調焊接參數區間比較窄 ,且參數變化的影響較大。改變正負極性的時寬比 ,工件的陰極清理作用會發生變化 ,從而對接頭的抗拉強度產生一定的影響。通過合理選擇焊接參數 ,可以獲得理想的焊接效果 ,接頭強度達到母材的 90 %以上。
4.氣焊
氣焊的熱源是火焰 (氧2燃氣混合燃燒形成) ,熱量不集中 ,焊件被加熱區較寬 ,容易在接頭區導致較大的收縮應力 ,形成裂紋等缺陷。同時殘留在焊縫中的助焊劑容易產生夾渣和發生腐蝕 ,因而氣焊主要用於沒有合適熔焊設備的現場或不太重要的薄板構件以及鑄件的焊補。鎂及鎂合金氣焊可選用 QJ401 助焊劑 ,試驗表明 ,該熔劑工藝性尚好 ,但對鎂的腐蝕性強 ,焊後應徹底清理乾淨。厚度小於 3 mm 的鎂合金件焊接時 ,氣焊焊炬和焊絲應作縱向運動 ,不宜採用橫向擺動。焊件厚度較大時 ,允許氣焊焊炬和焊絲略作橫向擺動。對於厚度大於 5 mm 的焊件 ,應整體或局部預熱至 300 ℃~400 ℃後再進行焊接 ;厚度大於 12 mm時可採用多層焊 ,一般在焊下一層之前應先用細黃銅絲刷清除焊渣。焊接過程中可用焊絲不斷地攪動熔池,以破壞熔池表面上的氧化膜 ,並將焊渣引出熔池外。
5.電子束焊
電子束的能量密度高 ,穿透力很強 ,具有焊接速度快 ,熱輸入少 ,焊道寬度及熱影響區窄 ,焊道熔深大 ,變形小 ,焊縫純潔度高等優點。焊接鎂合金時在電子束下方會立刻產生鎂蒸氣 ,熔融金屬隨即進入所產生的小孔中。由於鎂合金的熔點低、蒸氣壓高 ,因而所生成的小孔也比其他的金屬要大 ,容易在焊縫根部形成氣孔 ,因此要求有一套精確的操作工藝以防止氣孔與過熱。焊接過程中電子束的周向擺動和聚焦點位置的調節有利於消除氣孔 ,獲得優質焊縫。此外 ,在焊縫周圍預置同質填充金屬、在背面採用緊密貼合的襯墊都能減少氣孔。採用添絲方式焊接可以容易得到無縮松、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫 ,接頭的靜載強度可以與母材相當 ,接頭的抗腐蝕性能甚至好於母材的。
電子束焊通常在真空腔內進行 ,但焊接鎂合金時金屬的揮發對真空室汙染很大 ,使其應用受到限制 ,實際應用的例子很少 ,有在 AZ3l 鎂材上研究的實例 ,表明焊接效果良好。有研究表明非真空電子束可以用於鎂合金的焊接 ,對於 AZ31 變形鎂合金、AM50A 以及 AZ91D 鑄造鎂合金 ,在適當的焊接工藝下均可得到良好的接頭。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達到 15 m / min ,熱輸入少而焊接效率高。非真空電子束焊接可以得到良好的焊縫成形 ,有利於提高接頭的疲勞強度。高速、高效、可高度實現自動化的非真空電子束焊接方法 ,有希望為鎂合金結構件的廣泛應用提供保證。
電子束焊焊縫的形狀受焊接參數的影響較大 ,尤其是電流的大小。隨著電流的增大 ,焊縫和熱影響區的寬度也增大。有研究表明 ,對 AZ91D 合金採用不同的焊接方法 ,對比發現電子束焊接頭的力學性能最高 ,並且高於母材的 ,這主要是與其焊縫區晶粒非常細小、熱影響區很窄有關。
6.激光焊
激光焊是利用高能量密度激光束作為熱源進行焊接的一種高效精密加工方法。與其他熔焊方法相比 ,激光焊具有能量密度高 ,熱輸入少 ,接頭區殘餘應力和變形小 ,熔化區和熱影響區窄 ,熔深大、焊縫組織細小、接頭性能好等優點。此外激光焊不需要真空條件 ,保護氣體種類及壓力範圍可方便選擇 ,可藉助偏轉稜鏡或光導纖維將激光束引導到難以接近的部位進行焊接、操作靈活 ,可穿過透明材料聚焦焊接等 ,這些都是電子束焊難以具備的。激光束可靈活控制 ,易於實現工件的三維自動化焊接。研究表明變形鎂合金的激光焊焊縫強度可與母材的相近 ,通過選用適當的工藝參數可避免氣孔與咬邊的產生。
7.激光-TIG複合焊
激光-TIG 複合熱源焊是在 1970 年提出的 , 然而 ,真正的應用直到近幾年才出現,這主要得益於激光技術以及弧焊設備的發展 ,尤其是激光功率和電流控制技術的提高。激光電弧複合對焊接效率提高十分顯著。這主要基於兩種效應:一是較高的能量密度導致了較高的焊接速度,工件對流損失減小 ;二是兩熱源相互作用的疊加效應。焊接時 ,激光引發的等離子體使電弧更穩定,同時,電弧能進入熔池小孔,減小了能量的損失。
激光-TIG複合焊可顯著增加焊速,約為 TIG焊接的 2 倍,而且鎢極燒損大大減小,壽命增加;坡口夾角亦減小,焊縫寬度與激光焊時相近。國內大連理工大學焊接技術研究所研製出了具有自主知識產權的激光-TIG 複合焊接設備,能有效地將激光焊與氬弧焊有機結合起來,充分發揮各自優點 ,且進一步提高其綜合性能 ,實現高速焊接。採用激光氬弧複合熱源焊接工藝,可獲得高質量焊接接頭,接頭的拉伸強度、疲勞強度、衝擊韌性均與母材的相當,較目前採用的氬弧焊方法,接頭性能 (尤其是疲勞強度、衝擊韌性) 有顯著提高。
8.電阻點焊
鎂合金薄板和擠壓件都可以採用常規的電阻焊 ,如縫焊、點焊和閃光對焊進行焊接 ,其中點焊最常用。Mg 2 Al 系和 Mg 2 Zn 系合金的電阻焊性能較好。電阻點焊一般用於承受低載荷的工件焊接 ,如某些鎂合金框架、儀表艙、隔板等常採用電阻點焊。只要焊機功率能保證瞬時快速加熱,直流脈衝點焊機及一般的交流點焊機均可適用於鎂合金的點焊。
鎂合金電阻點焊的工藝特點如下 :
(1) 鎂合金具有良好的導電性和導熱性,點焊時 ,須在較短的時間內通過大電流;
(2) 鎂的表面易氧化,被焊面間的接觸電阻較大,當通過大的焊接電流時 ,往往產生飛濺;
(3) 由於導熱性好及線膨脹係數大,斷電後熔核冷卻收縮快,易引起縮孔及裂紋等缺陷;
9.摩擦焊
目前,鑄造鎂合金特別是壓鑄鎂合金應用比較廣泛。然而 ,殘留很多微氣孔是壓鑄合金產品存在的致命問題,這些氣孔因受熱而出現聚焦長大,嚴重地影響了合金的力學性能。因此這類鎂合金的熔化焊通常難以獲得理想的焊縫。於是,鎂合金的摩擦焊成為了關注熱點之一。
摩擦攪拌焊接是使用機械式的旋轉攪拌棒,通過旋轉摩擦和攪拌作用 ,將金屬從固態轉變成塑性狀態 ,再輔以擠壓作用使材料接合在一起。這種利用攪拌棒造成金屬塑性流動的方法可以應用於板狀構件對接和搭接 ,尤其適用於鋁、鎂等低熔點金屬的焊接。
目前已有研究者採用攪拌摩擦焊成功地實現了鎂合金薄板的連接 ,接頭形成後幾乎沒有任何變形 ,接頭上下表面光滑、無堆高 ,沒有裂紋、氣孔和背面未焊透等缺陷。此外,已成功地採用攪拌摩擦焊進行 AZ61A、AM60 鎂合金的同種材質焊和異種材質焊。初步研究表明,攪拌摩擦焊還可以用於鎂和鋁異種材質間的連接 。
10.釺焊
鎂合金的釺焊工藝與鋁合金相似。可採用火焰釺焊、爐中釺焊及浸漬釺焊等方法,其中以浸漬釺焊應用最為廣泛。釺焊時所用釺料一般都是鎂基合金組分,如 Mg 2 Al 2 Zn 釺料 ,適配釺劑為氯化物和氟化物的混合粉末。目前 ,無鍍層鎂合金的釺焊工藝一般僅限於硬釺焊 ,因為還沒有找到合適的去膜及界面活化軟釺劑。因此 ,對於無鍍層鎂合金的無釺劑軟釺焊僅限於焊接角接頭和填補變形件及鑄件噴塗前的非關鍵面上的表面缺陷。而帶有鍍層的鎂合金可以採用常用的軟釺焊技術。
閱讀更多 焊接磚家 的文章
