一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其步驟如下：1）采用惰性氣體保護焊，雙面焊接鎂合金件；2）將鎂合金焊接件置于熱處理爐中，溫度在200℃～350℃之間，進行0.5～2h的焊后去應力退火；3）對退火后鎂合金焊接件焊縫余高進行不少于2次熱碾壓，直至焊縫與基體平齊，每次熱碾壓前將鎂合金焊接件加熱到350℃～400℃，保溫預熱10min～0.5h，在250℃～350℃下進行熱碾壓；工藝操作過程簡單，加工周期短，使焊縫強度高于基材抗拉強度，且細化了組織，美化了焊件的外觀，還可對焊后變形的鎂合金板材有一定的矯直作用，適用于可焊透的鎂合金材料，如AZ31、AZ61、AZ80等鎂合金材料。
【專利說明】一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬于用熱處理法或用熱加工或冷加工法改變有色金屬或合金的物理結構【技術領域】，特別是涉及一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝。
【背景技術】
[0002]鎂合金作為最輕質的金屬結構材料具有低密度、高比強度、高比剛度以及優良的阻尼性能和電磁屏蔽性能，在電子領域、航空工業、汽車及軌道交通制造中具有廣闊的應用前景，然而鎂合金具有化學活潑性高、熔沸點低、導熱系數及熱膨脹系數大等特點，焊接過程容易產生夾渣、氣孔、變形、裂紋及過熱等問題，嚴重阻礙了其焊接結構件的應用，焊縫強度顯著低于鎂合金母材，這是由于熔化焊的鎂合金焊縫處為快冷鑄態組織，晶粒粗大，且存在大量第二相，受力時在第二相附近產生應力集中，導致焊接件強度較低，由于焊縫為薄弱區，拉伸時，變形更多地集中在焊縫，并最終斷裂在焊縫處，焊件所表現出來的強度、延伸率都較低。
[0003]中國東南大學論文《熱壓形變參數對AZ31鎂合金接頭微觀組織和力學性能的影響》中通過對焊接接頭余高處進行垂直熱壓，壓力為lOOMPa，熱壓至與母材平整，并經20分鐘保壓以繼續發生蠕變變形進行試驗觀察，該試驗結構揭示了熱壓溫度對焊接接頭的力學性能影響較大，試驗條件下，隨著熱壓溫度的升高，抗拉強度先升高后降低。熱壓溫度為250°C時，由于焊接接頭組織與焊態接頭組織大體相同，未出現再結晶組織，導致接頭抗拉強度較低，僅為母材的60%，伸長率低至6%，斷裂位置在熱影響區；熱壓溫度為350°C時，接頭抗拉強度達到了 228MPa，幾乎與母材抗拉強度一致，伸長率為10.2%，斷裂同樣發生在熱影響區；熱壓溫度為400°C時，抗拉強度有所降低，為母材抗拉強度的70%，伸長率為7%，斷裂也發生在熱影響區，這表明熱影響區是焊接接頭的薄弱環節，隨著熱壓溫度的增加，熱影響區晶粒長大、粗化，導致力學性能降低。

【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，該工藝通過對焊縫余高進行多次熱碾壓，激發動態再結晶，使第二相溶入基體、彌散分布，提高固溶強化、第二相強化效果，增加焊縫區的孿晶量，增加焊縫加工硬化，使焊后的薄弱區變成增強區，使焊縫處抗拉強度高于母材強度，將斷裂位置轉移至母材。
[0005]為了達到上述目的，本發明提一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其如下步驟:
[0006]I)采用惰性氣體保護焊，雙面焊接鎂合金件；
[0007]2)將鎂合金焊接件置于熱處理爐中，溫度在200°C~350°C之間，進行0.5~2h的焊后去應力退火；
[0008]3)對退火后鎂合金焊接件焊縫余高進行不少于2次熱碾壓，直至焊縫與基體平齊，每次熱碾壓前將鎂合金焊接件加熱到350°C~400°C，保溫預熱IOmin~0.5h，在250°C~350°C下進行熱碾壓。[0009]進一步,在步驟I)中，所述焊縫余高設置為0.5mm~3.0mm。
[0010]進一步，在步驟I)中，所述鎂合金件設置為3mm厚的AZ31鎂合金板，焊縫兩側應各留Imm余高。
[0011]進一步，在步驟2)中，所述AZ31鎂合金焊接板去應力退火溫度為295~305 °C，退火時間為2h。
[0012]進一步，在步驟3)中，對退火后AZ31鎂合金焊接板焊縫余高進行4次熱碾壓，每次熱碾壓壓下量設置為焊縫余高1/4。
[0013]進一步，在步驟I)中，所述惰性氣體保護焊采用鎢極惰性氣體保護焊，焊絲直徑2mm,，焊接方向平行板材擠壓方向，焊接工藝參數為:焊接電流75~100A，焊接速度4~8mm/s,填絲速度2~4mm/s,電弧長度I~2mm,保護氣為気氣,流量10L/min。
[0014]本發明具有如下有益效果: [0015]1、本發明一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝通過TIG或MIG雙面焊，得到無明顯焊接缺陷且具有足夠焊縫余高的鎂合金焊件，TIG/MIG焊在保護氣下進行，可有效防止鎂合金板材在焊接過程中的氧化，交流TIG焊在得到一定熔深的同時，可起到陰極霧化作用，清除板材表面的氧化夾雜，且相對于攪拌摩擦焊來說，TIG焊/MIG焊可以有效得到足夠的焊縫余高，為熱碾壓提供足夠的條件，然后對其進行熱處理及熱碾壓，使得焊縫處由極為細小的再結晶晶粒和一定的孿晶組成，這種組織具有較高的強度、硬度，高于母材，受力時能有效抵抗變形。
[0016]2、本發明一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝簡單，其工藝過程是使固溶強化、細晶強化及加工硬化多種合金強化原理相結合而形成，在提高鎂合金焊接件焊縫強度的同時，由于焊縫處的壓入，提高了焊接件的美觀性，適用于可焊透的鎂合金材料，如AZ31、AZ61、AZ80等鎂合金材料。
[0017]3、本發明一種鎂合金焊縫熱碾壓熱碾壓強化工藝操作過程簡單，加工周期短，適合鎂合金焊接件焊縫處組織與性能的優化，很大程度上提高了焊縫強度，可使母材強度基本保持不變的情況下，使焊縫強度高于基材抗拉強度，且細化了組織，美化了焊件的外觀，還可對焊后變形的鎂合金板材有一定的矯直作用，為鎂合金焊接件的進一步加工提高了更好的途徑，甚至可以應用至其他合金，如鋼、鋁合金等。
[0018]鎂合金焊縫熱碾壓強化原理
[0019]1.鎂合金活性較強，在焊接過程中極易氧化，由于鎂的蒸發、熔化收縮等原因，還易形成氣孔、縮孔等缺陷，因此適于焊接鎂合金的方法有限，焊接需在惰性保護氣體下進行，或非熔化狀態下的攪拌摩擦焊才能實現，為了后續熱碾壓有足夠余高，所以適宜采用TIG或MIG焊，鎂合金焊接件中，由于焊縫在冷卻過程中收縮，熱影響區受熱膨脹，焊縫-熱影響區-基體三個區域之間容易產生焊接應力，同時焊縫處為鑄態組織，由于焊接過程中冷卻速度較快，大量第二相沒有溶解，通過去應力退火，可有效減小了焊接應力，適當軟化焊板、溶解第二相，為熱碾壓階段做準備。
[0020]2.熱碾壓程中，鎂合金焊縫受壓應力作用，位錯、孿晶密度增加，當壓下量達到一定程度時，焊縫發生動態再結晶，在變形組織中出現無畸變的新晶粒，晶粒得到細化，對焊縫起到細晶強化作用，壓下量進一步增加，新生的再結晶晶粒中，孿晶再次增加，繼續增加壓下量，可發生二次動態再結晶，細晶強化效果進一步增強；在此過程中，原焊縫區域中存在的大量第二相破碎，部分溶入基體，達到固溶強化的效果，同時在壓應力作用下，焊縫變得緊實，使得焊縫焊接過程中產生的一些顯微氣孔得以消除，有效減少了焊縫處的裂紋擴展路徑，從而提高焊接接頭的抗拉強度，熱碾壓后的焊件焊縫受到固溶強化、動態再結晶細晶強化及加工硬化等共同作用，組織細化，強度顯著提升，當其強度高于母材時，斷裂則發生在母材，而不是焊縫，這樣焊件的抗拉強度、延伸率都表現為母材本身的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為AZ31鎂合金焊接板試樣編號A、B、C、D對應I~4次熱碾壓的效果圖；
[0022]圖2、3、4、5分別對應為試樣A、B、C和D的焊縫金相組織顯微圖；
[0023]圖6為試樣A、B、C和D的工程應力-應變曲線圖；
[0024]圖7為試樣A、B、C、D和母材拉伸試樣斷裂位置及變形效果圖。
【具體實施方式】
[0025]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0026]本發明提一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其如下步驟:
[0027]I)采用惰性氣體保護焊，雙面焊接鎂合金件；
[0028]2)將鎂合金焊接件置于熱處理爐中，溫度在200°C~350°C之間，進行0.5~2h的焊后去應力退火；
[0029]3)對退火后鎂合金焊接件焊縫余高進行不少于2次熱碾壓，直至焊縫與基體平齊，每次熱碾壓前將鎂合金焊接件加熱到350°C~400°C，保溫預熱IOmin~0.5h，在250°C~350°C下進行熱碾壓。
[0030]進一步,在步驟I)中，所述焊縫余高設置為0.5mm~3.0mm。
[0031]進一步，在步驟I)中，所述鎂合金件設置為3mm厚的AZ31鎂合金板，焊縫兩側應各留Imm余高。
[0032]進一步，在步驟2)中，所述AZ31鎂合金焊接板去應力退火溫度為295~305 °C，退火時間為2h。
[0033]進一步，在步驟3)中，對退火后AZ31鎂合金焊接板焊縫余高進行4次熱碾壓，每次熱碾壓壓下量設置為焊縫余高1/4。
[0034]進一步，在步驟I)中，所述惰性氣體保護焊采用鎢極惰性氣體保護焊，焊絲直徑2mm,，焊接方向平行板材擠壓方向，焊接工藝參數為:焊接電流75~100A，焊接速度4~8mm/s,填絲速度2~4mm/s,電弧長度I~2mm,保護氣為気氣,流量10L/min。
[0035]以下以AZ31鎂合金板焊縫熱碾壓強化工藝實驗數據進一步說明:
[0036]I) TIG焊雙面焊成型留余高:
[0037]焊接前對AZ31鎂合金板材進行打磨清除表面氧化層。采用交流填絲TIG雙面焊方法焊接，焊絲直徑2mm，成分與基材一致，焊接方向平行板材擠壓方向，小電流，慢速焊接，填絲速度略大，以得到有足夠焊縫余高的初始焊板，最終焊縫處厚度為5mm，上下各Imm的余高，焊接工藝參數為:焊接電流75~100A,焊接速度4~8mm/s,填絲速度2~4mm/s,電弧長度I~2mm，保護氣為氬氣，流量10L/min。
[0038]2.焊后去應力退火:[0039]將焊后AZ31鎂合金板材在溫度300 V時，進行退火2h。
[0040]3.熱碾壓:
[0041]熱軋溫度約為300°C~350°C，考慮到板材從熱處理爐中取出后溫度降低速度較快，熱軋前將焊板置350°C~400°C熱處理爐中，保溫15min后軋制，每軋制道次間保溫IOmin。由于鎂合金冷卻速度較快，出爐時的實時軋制溫度在250~350°C之間，在相同軋制溫度，軋制總道次、軋制總壓下量見表1:
【權利要求】
1.一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其特征在:其如下步驟: 1)采用惰性氣體保護焊，雙面焊接鎂合金件； 2)將鎂合金焊接件置于熱處理爐中，溫度在200°C~350°C之間，進行0.5~2h的焊后去應力退火； 3)對退火后鎂合金焊接件焊縫余高進行不少于2次熱碾壓，直至焊縫與基體平齊，每次熱碾壓前將鎂合金焊接件加熱到350°C~400°C，保溫預熱IOmin~0.5h，在250°C~350°C下進行熱碾壓。
2.如權利要求1所述的一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其特征在:在步驟I)中，所述焊縫余高設置為0.5mm~3.0mm。
3.如權利要求2所述的一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其特征在于:在步驟I)中，所述鎂合金件設置為3mm厚的AZ31鎂合金板，焊縫兩側應各留Imm余高。
4.如權利要求3所述的一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其特征在于:在步驟2)中，所述AZ31鎂合金焊接板去應力退火溫度為295~305°C，退火時間為2h。
5.如權利要求4所述的一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其特征在于:在步驟3)中，對退火后AZ31鎂合金焊接板焊縫余高進行4次熱碾壓，每次熱碾壓壓下量設置為焊縫余高1/4。
6.如權利要求5所述的一種鎂合金焊縫熱碾壓強化工藝，其特征在于:在步驟I)中，所述惰性氣體保護焊采用鎢極惰性氣體保護焊，焊絲直徑2mm，，焊接方向平行板材擠壓方向，焊接工藝參數為:焊接電流75~100A,焊接速度4~8mm/s,填絲速度2~4mm/s,電弧長度I~2mm，保護氣為氬氣，流量10L/min。
【文檔編號】C21D9/50GK103526142SQ201310450337
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】楊莉, 劉華, 王堯 申請人:重慶鋼鐵(集團)有限責任公司