镁合金焊接的十大工艺与常见缺陷

 镁合金焊接常见缺陷

       由于镁合金具有密度和熔点低 ,热导率、电导率及热膨胀系数大 ,化学活性强 ,易氧化且氧化物的熔点高等特点,使镁合金的焊接必须解决以下一系列问题 :

(1) 粗晶

       镁的熔点低 ,热导率高 ,焊接时需采用大功率的焊接热源 ,焊缝及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象 ,降低了接头性能。

(2) 氧化与蒸发

       镁的氧化性极强 ,易同氧结合 , 在 焊 接 过 程 中 易 形 成 MgO , MgO 熔 点 高(2 500 ℃),密度大 (3. 2 g/cm-3) ,易在焊缝中形成细小片状固态夹渣 ,不仅严重阻碍焊缝成形 ,也降低焊缝性能。镁在焊接高温下 ,还易与空气中的氮化合生成镁的氮化物 ,氮化镁夹渣也会导致焊缝金属的塑性 下 降 , 使 接 头 性 能 变 坏。镁 的 沸 点 不 高 ( 1100 ℃),在电弧高温下很易蒸发。

(3) 薄件的烧穿与塌陷

       在焊接薄件时 ,由于镁合金熔点较低 ,而氧化镁的熔点很高 ,两者不易熔合 ,焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高 ,熔池的颜色也没有显著变化 ,极易产生烧穿和塌陷现象。

(4) 热应力和裂纹

       镁及镁合金热膨胀系数较大 ,约为钢的 2 倍 ,铝的 1. 2 倍 ,在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。镁易与一些合金元素(如 Cu、Al 、Ni 等) 形成低熔点共晶体 (如 Mg - Cu 共晶点温度为 480 ℃,Mg- Al 共晶点温度为 430 ℃,Mg-Ni 共晶点温度为 508 ℃),脆性温度区间较宽 ,易形成热裂纹。研究发现 ,当 w (Zn) > 1 %时会提高热脆性 ,并可能导致焊接裂纹。在镁中加入 w (Al) ≤10 % ,可细化焊缝晶粒 ,改善焊接性。含少量 Th 的镁合金具有良好的焊接性 ,无裂纹倾向。

(5) 气孔

       焊镁时易产生氢气孔 ,氢在镁中的溶解度也是随温度的降低而急剧减小。

(6)镁及其合金在空气环境下焊接时易氧化燃烧,熔焊时需用惰性气体或焊剂保护。

镁合金焊接常用工艺

       一般来说,钨极惰性气体保护电弧焊和熔化极惰性气体保护电弧焊是镁合金常用的焊接方法。此外镁合金还可以采用电阻点焊(RSW) 、摩擦焊 ( FW) 、搅拌摩擦焊 ( FSW) 、激光焊(LBW) 、电子束焊 (EBW) 等工艺进行焊接。由于镁的比热容和熔化潜热小,因此焊接时要求的输入热量少而焊接速度高。大多数情况下,镁合金件可采用熔化焊,如电弧焊、激光焊、电子束焊和气焊等方法进行焊接。

1钨极氩弧焊

       钨极氩弧焊是目前焊接镁合金最常用的焊接方法 ,它是在惰性气体的保护下 ,利用电弧热熔化母材和填充金属。直流电源焊接时要采用反极性接法 ,以便利用阴极雾化作用破坏、除去母材表面上的氧化膜 ,减少或避免焊缝中的氧化物夹杂。氩弧焊的热影响区尺寸及变形比较小 ,焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高。

       TIG焊方法在有无填充金属的情况下都可以进行镁合金的焊接 ,由于电极与填充丝独立 ,能克服MIG方法焊接规范范围窄的缺点 ,可以在较宽的工艺条件下进行稳定焊接 ,所以 TIG 焊在镁合金的焊接方面比 MIG应用更广 ,特别适合于镁合金薄板的焊接。但是由于镁合金热膨胀系数大 ,易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷 ,因此需要采用夹具固定、坡口处理、焊前焊后热处理等措施 ,以保证获得完整的焊接 接 头。研 究 发 现 , 采 用 交 流 TIG 方 法 焊 接AZ31B 镁合金薄板后主要存在波浪变形、焊后错边、焊瘤、表面"麻点"现象和弧坑裂纹等缺陷 ,通过调整焊接顺序 ,采用大电流、快速焊和刚性固定等措施可以获得较好的焊接接头 ,接头强度可以达到母材的80 %以上。

       对于镁合金厚板的焊接,为了获得较大的熔深 ,很多研究都集中于活性钨极氩弧焊 (A 2 TIG) 。这种方法是焊前在待焊材料表面涂敷单一活性剂 TiO 2 或氯化物 (LiCl ,CaCl 2,CdCl 2 , PbCl 2 ,CeCl 3 ),然后施焊,可以使焊缝熔深比常规 TIG 焊增加 2 倍,接头的微观组织与未涂敷时没有明显区别,焊缝熔合良好 ,没有裂缝、气孔、夹渣等缺陷。其原理是添加活性剂可提高电弧电压和电弧温度 ,而且在焊接方向上增加了电弧宽度,使得焊接过程中在增大热输入的同时伴随着热流的重新分布。

       镁合金 TIG焊一般用交流焊机或电流强度连续可调的直流焊机,其选择主要取决于母材合金成分、板料厚度及反面有无垫板等。焊接薄板时,可采用交流或 DCEP 电源;焊接厚度大于 4 1 8 mm 的镁合金时,交流焊机因熔深较大而占优势。此外,采用交流焊时一般需叠加高频脉冲电流以便稳弧 ,但若采用方波交流电,则无需叠加高频电流,且可产生较强的阴极雾化作用。

       电极的选择主要取决于所用电源类型和焊接电流大小,一般来说,Φ0.25 mm~6.35 mm的纯钨极、锆钨极和钍钨极常被用于 TIG焊接。

2熔化极氩弧焊

焊镁合金的MIG焊接方法具有以下特点 : 

①与TIG焊相比,焊接速度快,生产率高,全自动焊速度高达 1 m/min 左右;

②由于以焊丝作电极,适宜的焊接规范较窄; 

③由于熔融镁的表面张力小,电极丝前端的熔滴难以脱离且焊接电流过高时熔滴爆炸蒸发造成飞溅; 

④由于电极丝软,送丝稳定性差,在焊接过程中要采用推拉方式的特殊送丝装置; 

⑤市场上直径小于 1.6mm 的焊丝很少有货,对于焊接厚度小于2mm 的工件 ,难以找到适配焊丝。

镁合金 MIG焊时可以有三种熔滴过渡形式:短路过渡、脉冲喷射过渡和喷射过渡。

       焊接时出现哪种过渡形式取决于多方面因素,包括焊丝的熔化速度、焊接电流、送丝速度以及焊丝直径等。其中,脉冲喷射过渡介于短路过渡和喷射过渡之间,需加脉冲电流才能实现。否则在特定的电流范围、送丝速度以及焊丝球形端面条件下得到的是粗滴过渡形式,电弧不稳定,易产生飞溅。

       脉冲喷射过渡所需线能量小于连续喷射过渡的,适用于中等厚度板材;短路过渡适用于薄板焊接;喷射厚度适用于厚板焊接。镁合金的 MIG 电弧焊通常采用 DCEP 电源,恒压源可用于短路过渡和大部分的喷射过渡;恒流源用于喷射过渡,有利于减少飞溅。而脉冲 MIG 电弧焊必须采用特殊的脉冲电流恒压源。有研究表明,选用合适的焊接电源和热输入,镁合金接头的静载强度可以近似等于母材的强度,去掉焊缝余高后,疲劳强度比母材的高75 %。

镁合金氩弧焊安全规程

1)焊接工作场地必须备有防火设备，如砂箱、灭火器、消防栓、水桶等。易燃物品距离焊接场所不得小于5m。若无法满足规定距离时，可用石棉板、石棉布等妥善覆盖，防止火星落入易燃物品。易爆物品距离焊接所不得小于10m。氩弧焊工作场地要有良好的自然通风和固定的机械通风装置，减少氩弧焊有害气体和金属粉尘的危害。

2)手工钨极氩弧焊机应放置在干燥通风处，严格按照使用说明书操作。使用前应对焊机进行全面检查。确定没有隐患，再接通电源。空载运行正常后方可施焊。保证焊机接线正确，必须良好、牢固接地以保障安全。焊机电源的通、断由电源板上的开关控制，严禁负载扳动开关，以免形状触头烧损。

3)应经常检查氩弧焊枪冷却水系统的工作情况，发现堵塞或泄漏时应即刻解决，防止烧坏焊枪和影响焊接质量。

4)焊人员离开工作场所或焊机不使用时，必须切断电源。若焊机发生故障，应由专业人员进行维修，检修时应作好防电击等安全措施。焊机应至少每年除尘清洁一次。

5)钨极氩弧焊机高频振荡器产生的高频电磁场会使人产生一定的头晕、疲乏。因此焊接时应尽量减少高频电磁场作用的时间，引燃电弧后立即切断高频电源。焊枪和焊接电缆外应用软金属编织线屏蔽(软管一端接在焊枪上，另一端接地，外面不包绝缘)。如有条件，应尽量采用晶体脉冲引弧取代高频引弧。

6)氩弧焊时，紫外线强度很大，易引起电光性眼炎、电弧灼伤，同时产生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。因此，焊工操作时应穿白帆布工作服，戴好口罩、面罩及防护手套、脚盖等。为了防止触电，应在工作台附近地面覆盖绝缘橡皮，工作人员应穿绝缘胶鞋。

3等离子弧焊

       等离子弧是一种受到约束的非自由电弧 ,也称压缩电弧 ,其温度和能量密度都显著高于普通电弧的 ,穿透力较强 ,适合于厚板与弧长要求较大的场合。采用等离子弧焊焊接镁合金时 ,可以在背面无垫板的情况下实现厚板对接的一次全焊透 ,且焊缝表面光滑 ,表现出良好的疲劳力学性能。有研究表明镁合金变极性等离子弧焊的可调焊接参数区间比较窄 ,且参数变化的影响较大。改变正负极性的时宽比 ,工件的阴极清理作用会发生变化 ,从而对接头的抗拉强度产生一定的影响。通过合理选择焊接参数 ,可以获得理想的焊接效果 ,接头强度达到母材的 90 %以上。

4气焊

       气焊的热源是火焰 (氧2燃气混合燃烧形成) ,热量不集中 ,焊件被加热区较宽 ,容易在接头区导致较大的收缩应力 ,形成裂纹等缺陷。同时残留在焊缝中的助焊剂容易产生夹渣和发生腐蚀 ,因而气焊主要用于没有合适熔焊设备的现场或不太重要的薄板构件以及铸件的焊补。镁及镁合金气焊可选用 QJ401 助焊剂 ,试验表明 ,该熔剂工艺性尚好 ,但对镁的腐蚀性强 ,焊后应彻底清理干净。厚度小于 3 mm 的镁合金件焊接时 ,气焊焊炬和焊丝应作纵向运动 ,不宜采用横向摆动。焊件厚度较大时 ,允许气焊焊炬和焊丝略作横向摆动。对于厚度大于 5 mm 的焊件 ,应整体或局部预热至 300 ℃~400 ℃后再进行焊接 ;厚度大于 12 mm时可采用多层焊 ,一般在焊下一层之前应先用细黄铜丝刷清除焊渣。焊接过程中可用焊丝不断地搅动熔池,以破坏熔池表面上的氧化膜 ,并将焊渣引出熔池外。

5电子束焊

       电子束的能量密度高 ,穿透力很强 ,具有焊接速度快 ,热输入少 ,焊道宽度及热影响区窄 ,焊道熔深大 ,变形小 ,焊缝纯洁度高等优点。焊接镁合金时在电子束下方会立刻产生镁蒸气 ,熔融金属随即进入所产生的小孔中。由于镁合金的熔点低、蒸气压高 ,因而所生成的小孔也比其他的金属要大 ,容易在焊缝根部形成气孔 ,因此要求有一套精确的操作工艺以防止气孔与过热。焊接过程中电子束的周向摆动和聚焦点位置的调节有利于消除气孔 ,获得优质焊缝。此外 ,在焊缝周围预置同质填充金属、在背面采用紧密贴合的衬垫都能减少气孔。采用添丝方式焊接可以容易得到无缩松、缩孔和气孔等缺陷的焊缝 ,接头的静载强度可以与母材相当 ,接头的抗腐蚀性能甚至好于母材的。

       电子束焊通常在真空腔内进行 ,但焊接镁合金时金属的挥发对真空室污染很大 ,使其应用受到限制 ,实际应用的例子很少 ,有在 AZ3l 镁材上研究的实例 ,表明焊接效果良好。有研究表明非真空电子束可以用于镁合金的焊接 ,对于 AZ31 变形镁合金、AM50A 以及 AZ91D 铸造镁合金 ,在适当的焊接工艺下均可得到良好的接头。相对较高的能量密度可以允许焊接速度达到 15 m / min ,热输入少而焊接效率高。非真空电子束焊接可以得到良好的焊缝成形 ,有利于提高接头的疲劳强度。高速、高效、可高度实现自动化的非真空电子束焊接方法 ,有希望为镁合金结构件的广泛应用提供保证。

       电子束焊焊缝的形状受焊接参数的影响较大 ,尤其是电流的大小。随着电流的增大 ,焊缝和热影响区的宽度也增大。有研究表明 ,对 AZ91D 合金采用不同的焊接方法 ,对比发现电子束焊接头的力学性能最高 ,并且高于母材的 ,这主要是与其焊缝区晶粒非常细小、热影响区很窄有关。

6激光焊

       激光焊是利用高能量密度激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工方法。与其他熔焊方法相比 ,激光焊具有能量密度高 ,热输入少 ,接头区残余应力和变形小 ,熔化区和热影响区窄 ,熔深大、焊缝组织细小、接头性能好等优点。此外激光焊不需要真空条件 ,保护气体种类及压力范围可方便选择 ,可借助偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到难以接近的部位进行焊接、操作灵活 ,可穿过透明材料聚焦焊接等 ,这些都是电子束焊难以具备的。激光束可灵活控制 ,易于实现工件的三维自动化焊接。研究表明变形镁合金的激光焊焊缝强度可与母材的相近 ,通过选用适当的工艺参数可避免气孔与咬边的产生。

7激光-TIG复合焊

       激光-TIG 复合热源焊是在 1970 年提出的 , 然而 ,真正的应用直到近几年才出现,这主要得益于激光技术以及弧焊设备的发展 ,尤其是激光功率和电流控制技术的提高。激光电弧复合对焊接效率提高十分显著。这主要基于两种效应:一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度,工件对流损失减小 ;二是两热源相互作用的叠加效应。焊接时 ,激光引发的等离子体使电弧更稳定,同时,电弧能进入熔池小孔,减小了能量的损失。

       激光-TIG复合焊可显著增加焊速,约为 TIG焊接的 2 倍,而且钨极烧损大大减小,寿命增加;坡口夹角亦减小,焊缝宽度与激光焊时相近。国内大连理工大学焊接技术研究所研制出了具有自主知识产权的激光-TIG 复合焊接设备,能有效地将激光焊与氩弧焊有机结合起来,充分发挥各自优点 ,且进一步提高其综合性能 ,实现高速焊接。采用激光氩弧复合热源焊接工艺,可获得高质量焊接接头,接头的拉伸强度、疲劳强度、冲击韧性均与母材的相当,较目前采用的氩弧焊方法,接头性能 (尤其是疲劳强度、冲击韧性) 有显著提高。

8电阻点焊

       镁合金薄板和挤压件都可以采用常规的电阻焊 ,如缝焊、点焊和闪光对焊进行焊接 ,其中点焊最常用。Mg 2 Al 系和 Mg 2 Zn 系合金的电阻焊性能较好。电阻点焊一般用于承受低载荷的工件焊接 ,如某些镁合金框架、仪表舱、隔板等常采用电阻点焊。只要焊机功率能保证瞬时快速加热,直流脉冲点焊机及一般的交流点焊机均可适用于镁合金的点焊。

镁合金电阻点焊的工艺特点如下 :

(1) 镁合金具有良好的导电性和导热性,点焊时 ,须在较短的时间内通过大电流;

(2) 镁的表面易氧化,被焊面间的接触电阻较大,当通过大的焊接电流时 ,往往产生飞溅;

(3) 由于导热性好及线膨胀系数大,断电后熔核冷却收缩快,易引起缩孔及裂纹等缺陷;

9摩擦焊

      目前,铸造镁合金特别是压铸镁合金应用比较广泛。然而 ,残留很多微气孔是压铸合金产品存在的致命问题,这些气孔因受热而出现聚焦长大,严重地影响了合金的力学性能。因此这类镁合金的熔化焊通常难以获得理想的焊缝。于是,镁合金的摩擦焊成为了关注热点之一。

       摩擦搅拌焊接是使用机械式的旋转搅拌棒,通过旋转摩擦和搅拌作用 ,将金属从固态转变成塑性状态 ,再辅以挤压作用使材料接合在一起。这种利用搅拌棒造成金属塑性流动的方法可以应用于板状构件对接和搭接 ,尤其适用于铝、镁等低熔点金属的焊接。

        目前已有研究者采用搅拌摩擦焊成功地实现了镁合金薄板的连接 ,接头形成后几乎没有任何变形 ,接头上下表面光滑、无堆高 ,没有裂纹、气孔和背面未焊透等缺陷。此外,已成功地采用搅拌摩擦焊进行 AZ61A、AM60 镁合金的同种材质焊和异种材质焊。初步研究表明,搅拌摩擦焊还可以用于镁和铝异种材质间的连接 。

10钎焊

        镁合金的钎焊工艺与铝合金相似。可采用火焰钎焊、炉中钎焊及浸渍钎焊等方法,其中以浸渍钎焊应用最为广泛。钎焊时所用钎料一般都是镁基合金组分,如 Mg 2 Al 2 Zn 钎料 ,适配钎剂为氯化物和氟化物的混合粉末。目前 ,无镀层镁合金的钎焊工艺一般仅限于硬钎焊 ,因为还没有找到合适的去膜及界面活化软钎剂。因此 ,对于无镀层镁合金的无钎剂软钎焊仅限于焊接角接头和填补变形件及铸件喷涂前的非关键面上的表面缺陷。而带有镀层的镁合金可以采用常用的软钎焊技术。

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