一種鎂合金焊縫表面納米化裝置及方法與流程
2023-12-02 19:54:06 2
本發明屬於焊接工藝領域，具體地，涉及一種鎂合金焊縫表面納米化裝置及方法。
背景技術：
：焊接技術是鎂合金產品製造的關鍵加工技術，但鎂合金焊接性能不好，很難實現可靠連接。為此鎂合金結構件以及鎂合金與其它材料結構件之間的連接，成為制約鎂合金應用的技術瓶頸和亟待解決的關鍵技術之一。鎂合金焊接接頭的可靠性已成為其應用的迫切問題，目前鎂合金正在應用於眾多承力結構件的製造，如汽車製造業中鎂合金方向盤骨架、動力系統自動變速箱、油底、鎂合金管材汽車底盤等。這些承力結構件的焊接接頭強度、塑性及疲勞性能等問題是產品安全可靠性的最基本而又最重要的評價指標。資料表明，在鎂合金焊接結構的失效中，許多事故是由於焊接接頭的斷裂造成的。在實際工程應用中，許多焊接結構都是在交變的動載荷下服役的，此時如果僅僅考慮焊接接頭的靜載抗拉強度或屈服強度，那麼焊接結構很容易在正常服役期間就發生失效斷裂，引起較大的工程事故，所以在結構設計時必須充分考慮焊接接頭在交變載荷下的疲勞強度性能，而對於鎂合金焊接結構而言，疲勞斷裂也是其失效的一種主要形式，由疲勞裂紋引起的焊接結構失效斷裂事故佔總斷裂事故的80%以上。鎂合金焊接結構在工程應用中會受到各種振動、脈動載荷或交變載荷的作用，這些載荷對其使用的安全性和工作壽命的威脅極大，會引起結構的疲勞裂紋形核和微裂紋擴展，特別是鎂合金熔焊接頭。在鎂合金焊接技術中，解決其焊接接頭強韌性，是確保鎂合金焊接結構應用的一個必要條件。目前已有研究採用了不同的焊接方法和手段來消除或減弱鎂合金焊接接頭的上述缺點，但是這些方法對上述問題的解決能力非常有限。由於鎂合金具有高導熱率、大膨脹係數、更低的熔點和沸點等特性，使得在鎂合金焊縫及近縫區易產生過熱組織且晶粒粗大，這種粗大晶粒會直接影響接頭的力學性能，鎂還能與空氣中的氮氣強烈化合形成脆性氮化物，降低接頭的力學性能。技術實現要素：為了解決上述問題，本發明提供了一種鎂合金焊縫表面納米化方法及裝置，可以使焊接接頭的焊縫獲得一定的延展，既能降低殘餘應力，同時可以細化晶粒，大大提高了焊接接頭的強度及塑性，特別是鎂合金焊接接頭的疲勞性能。本發明的技術方案為：一種鎂合金焊縫表面納米化裝置，包括送板滾輪組、焊槍、水激冷裝置、焊接平臺、整形滾輪組，送板滾輪組與整形滾輪組之間設置有焊接平臺，焊接平臺上設置有待焊接的鎂合金板材，焊槍設置在鎂合金板材的上方，焊槍內設置有鎢極和鎂合金焊絲，水激冷裝置設置在鎂合金板材的下方。進一步地，所述鎂合金焊絲成分為：Mn:2.0-3.1%，Ce:1.6-2.6%，Al:6.8-8.2%，Ti:1.6-2.2%，其餘為Mg。進一步地，所述鎢極端部用砂輪打磨成半球形，其直徑為2.5mm。進一步地，所述焊槍的噴嘴直徑設為7mm，電弧高度設為4mm。進一步地，所述水激冷裝置設置在焊槍的右側60-80mm位置處，水激冷裝置中的水管直徑設置為5-8mm，水壓設置為0.2-0.3Mpa。一種鎂合金焊縫表面納米化方法，其特徵在於：包括如下步驟（1）待焊接的母材選擇鎂合金板材或鋁合金板材；（2）焊接前清除待焊區域的汙染物；（3）使用自主研發的鎂合金焊絲通過鎢極氬弧焊接方法對板材進行焊接；（4）對已經焊接完成的焊縫進行水激冷與噴丸處理。進一步地，所述步驟（1）中的待焊接的母材的厚度為2-4mm。進一步地，所述步驟（3）中焊接時在母材正面施焊1層。進一步地，所述步驟（4）中噴丸、水激冷與焊接同步。本發明的有益效果為：（1）剛剛焊接完成的焊縫，經過水激冷後，焊縫組織得到細化，消除了柱狀晶，焊接接頭主要呈現細晶粒組織；（2）可以在一定程度上消除外形的不連續性和應力集中現象，實現焊縫向母材平緩過渡；（3）在鎂合金焊接接頭產生較大塑性變形，細化接頭表面晶粒，在接頭橫截面方向形成上表面細晶粒密度大，中間密度小的梯度組織，提高了表面硬度；（4）使收縮的鎂合金焊縫金屬獲得延展，可以校正變形並調節內應力的分布，可以減弱或消除焊接殘餘應力；（5）減弱或消除氣孔和微裂紋等缺陷；鎂合金焊接接頭處產生較大壓應力。本發明的創新點在於運用了自主研發的鎂合金焊絲，高溫動態塑性變形促進非平衡凝固焊接接頭組織內部強化相的彌散析出，同時通過水激冷裝置進一步細化組織，使焊接接頭處產生梯度晶粒，從而使焊接接頭的上表面晶粒細小達到納米級，表面硬度大幅度提高，這樣既保證了強度，同時又保證了塑性。附圖說明圖1一種鎂合金焊縫表面納米化裝置得出結構示意圖。圖2焊縫經表面納米化處理後和未經表面納米化處理的鎂合金焊接接頭的金相組織對比圖片。圖3母材、焊態接頭、經納米化處理的焊接接頭的力學性能曲線圖譜。具體實施方式為了能更好的了解本發明的技術特徵、技術內容及其達到的技術效果，下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本實施例不構成對本發明的限制。如圖1所示，一種鎂合金焊縫表面納米化裝置，包括送板滾輪組1、焊槍2、水激冷裝置3、噴丸裝置4、焊接平臺5、整形滾輪組6。送板滾輪組1的上下兩個送板滾輪正對設置，鎂合金板材通過送板滾輪組將鎂合金板材送入焊接通道；整形滾輪組6的上下兩個整形滾輪亦正對設置，整形滾輪組1將焊接後的鎂合金板材移出焊接通道。送板滾輪組1與整形滾輪組6之間為焊接區域，焊接區域內設置有焊接平臺5，焊接平臺5上設置有待焊接的鎂合金板材。試驗採用TPS4000數位化氬弧焊/釺焊多功能焊接設備進行手工焊接，TPS4000數位化氬弧焊/釺焊多功能焊接設備連接有焊槍2，焊槍2內設置有鎢極和焊絲，鎢極端部用砂輪打磨成半球形，其直徑為2.5mm，焊槍2的噴嘴直徑設為7mm，電弧高度設為4mm。焊槍2設置在鎂合金板材的上方。本發明提供一種自發研製的鎂合金焊絲，其成分與普通的鎂合金焊絲的成分不同，自發研製的鎂合金焊絲成分為：Mn:2.0-3.1%，Ce:1.6-2.6%，Al:6.8-8.2%，Ti:1.6-2.2%，其餘為Mg。鎂合金板材的下方設置有水激冷裝置3，水激冷裝置3設置在焊槍2的右側60-80mm位置處。水激冷裝置3中的水壓設置為0.2-0.3Mpa，水管直徑設置為5-8mm。在距離焊槍2的右側150-200mm位置處設置有噴丸裝置4。本發明提供了一種鎂合金焊縫表面納米化方法，具體包括如下步驟：（1）母材的選擇母材選用Mg-Al系AZ31鎂合金板材，母材尺寸設置為2000mm×600mm×2mm，本發明適合處理母材的厚度在2-4mm。母材的主要化學成分及力學性能見表1和表2：表1AZ31鎂合金的化學成分（wt.%）AlZnMnSiFeCuNiMg3.380.880.480.010.00270.00150.0005Bal.表2AZ31鎂合金的力學性能屈服強度σ0.2/MPa抗拉強度σb/MPa伸長率δ/%硬度HV125.8212.51838（2）焊接前的準備用上述尺寸相同的2塊母材組成1副對接焊試板，焊接試板開60°的V型坡口，根部間隙控制在3～4mm。用丙酮清除試板表面的油汙，將焊接區域20-30mm以內用砂紙打磨至露出金屬光澤，坡口面經刮削清除氧化膜，保證在焊接開始前的待焊區域沒有汙染物。（3）焊接、水激冷、噴丸同步進行由送板滾輪組1將對接焊試板送入焊接通道，然後採用鎢極氬弧焊接方法對接焊，實施焊接時在鎂合金板材正面施焊1層，啟動水激冷裝置3和噴丸裝置4，對已經焊接完成的焊縫進行水激冷和噴丸處理，在焊接過程中，保持焊接、水激冷、噴丸同步進行。其中，焊接速度與噴丸運動速度設置為3-6mm/s。水激冷對剛剛形成的熔池有快速冷卻的作用，細化晶粒，噴丸對已凝固成型的焊縫進行大尺度塑性變形，對鎂合金焊縫表面起到硬化作用，進一步細化了焊接接頭表面組織，提高了鎂合金焊縫的力學性能。（4）壓制整形整形滾輪組6對已經噴丸後的焊縫進行壓制整形，整形滾輪組6施加壓力180Mpa，進一步提高焊縫外觀質量和力學性能。如圖2所示，其中(a)為焊縫經納米化處理後的金相組織圖片，(b)為未經納米化處理後的金相組織圖片。由圖2可以看出，納米化處理後的鎂合金焊接接頭焊縫區晶粒非常細小。在近表面處，發生了一定的孿晶現象，且有許多小晶粒出現，生成的小晶粒主要出現在晶界和孿晶界處，小晶粒呈類似於長條狀排列。由表面到中間層表現出梯度組織。圖3為母材、焊態接頭、納米處理後的焊接接頭的力學性能曲線圖譜，由圖3可知，焊態接頭的抗拉強度通常在150～180MPa之間，僅有母材金屬抗拉強度的70%～84%。納米處理後的焊接接頭的抗拉強度可達225.8MPa，而AZ31鎂合金母材（無焊縫）的抗拉強度實測結果為212.5MPa，說明焊接接頭經納米處理後，抗拉強度已超過母材金屬，鎂合金接頭表面硬度也提高至54HV，主要是由於表面納米化工藝產生的硬化作用。AZ31鎂合金鎢極氬弧焊經納米處理後的焊接接頭的各種力學性能指標均優於焊態接頭，主要原因是通過自主研發的鎂合金焊絲、水激冷作用，高溫動態塑性變形促進非平衡凝固焊接接頭組織內部強化相的彌散析出，使鎂合金焊接接頭的強度和塑性均優於焊態接頭，超過母材性能。本發明同樣適合鋁合金板材的焊接。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，不用於限制本發明，本領域技術人員可以在本發明的實質和保護範圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明技術方案的保護範圍內。當前第1頁1 2 3