權(quán)利要求

1.鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于，包括以下步驟： S1、首先，去除鎂合金板和鋼板的待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；然后，對鎂合金板進行退火韌化，退火溫度為250℃~300℃，保溫時間為90min~120min；最后，對鎂合金板的待焊接面進行激光清洗，在鎂合金板的待焊接面制備微織構(gòu)； S2、將步驟S1制得的鎂合金板作為基板，鋼板作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板和鋼板，鎂合金板和鋼板待焊接面的微織構(gòu)相互平行，鎂合金板和鋼板之間形成搭接區(qū)域，搭接長度為25mm~40mm，搭接區(qū)域的兩側(cè)邊緣之間放置墊板，鎂合金板和鋼板搭接區(qū)域的中部形成搭接間隙，搭接間隙作為待焊接區(qū)域，搭接間隙為1mm~2.5mm；在鋼板下方并位于待焊接區(qū)域的下方設(shè)置線圈，在鎂合金板上方并位于搭接區(qū)域的上方設(shè)置壓塊； S3、電磁脈沖設(shè)備接通電容器對線圈充放電，線圈中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鋼板在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板，完成鋼板和鎂合金板電磁脈沖焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S1中，激光清洗過程中激光束關(guān)軸與鎂合金板的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板的待焊接面。 3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S1中，鎂合金板的待焊接面激光清洗的激光功率為50W-100W，掃描速率為2000mm/s-3000mm/s。 4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S1中，沿鎂合金板待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗，制得的微織構(gòu)的寬度為100μm~200μm，深度為300μm~500μm。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S2中，通過改變墊板的厚度從而改變飛板與基板之間距離，使飛板獲得不同的碰撞速度和碰撞角度。 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：在所述步驟S3中，所述線圈的材質(zhì)為銅，線圈截面厚度為10mm，寬度為8mm；所述電磁脈沖設(shè)備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz。 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：所述墊板的材質(zhì)為膠木，鋼板為鍍鋅鋼板或者非鍍鋅鋼板，鎂合金板的材質(zhì)為AZ31B鎂合金板。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：所述鎂合金板的厚度與鋼板的厚度比為1：1。 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，其特征在于：所述鎂合金板的厚度與鋼板的厚度均為1.5mm。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于異種金屬焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法。

背景技術(shù)

為了降低能耗，實現(xiàn)“綠色制造”，輕量化設(shè)計是最直接、最有效的手段，因此，鎂合金等輕質(zhì)材料成為傳統(tǒng)鋼材的替代品，鎂/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在航空航天、軌道交通、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用的越來越多。隨著鎂合金應(yīng)用途徑及范圍的不斷拓展，與鋼存在不可避免的連接問題。

然而，Mg、Fe之間物理性能相差巨大，兩者的熔點相差約900℃，并且鎂的沸點為1090℃，而鋼的熔點為1540℃，二者直接焊接，可能出現(xiàn)Mg大量燒損蒸發(fā)，而Fe尚未達到反應(yīng)所需溫度的情況。鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化，在焊縫中可能會產(chǎn)生大量氧化物夾雜，造成焊縫性能的惡化。另外，二者的熱導(dǎo)率相差4.2倍，熱膨脹系數(shù)相差約2.2倍，這些將導(dǎo)致界面處產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。根據(jù)Mg-Fe平衡二元相圖，兩者幾乎沒有固溶度，1000℃以下Fe在Mg中的固溶度僅為0.00041%，Mg在Fe中幾乎為0，而且兩種金屬之間基本不發(fā)生冶金反應(yīng)生成金屬間化合物，采用傳統(tǒng)的熔焊和擴散焊等方法難以實現(xiàn)它們之間有效的冶金結(jié)合。

為了獲得Mg-Fe不互溶異種金屬有效連接，通常需要在它們結(jié)合界面添加過渡層來增強界面冶金反應(yīng)，如加入鋁、銅、鎳等與二者都可以發(fā)生冶金反應(yīng)的金屬材料，但是過渡層的添加，將增加制造工藝的復(fù)雜性，提高生產(chǎn)成本。如何用工藝簡單、低成本的技術(shù)實現(xiàn)鎂/鋼無過渡層直接連接是亟待解決的技術(shù)問題，對鎂/鋼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用有著重要的意義。

眾所周知，電磁脈沖焊接是利用電磁感應(yīng)圈從脈沖發(fā)生器產(chǎn)生短暫而強大的電流，使一個工件高速沖擊另一工件后瞬間完成的焊接，屬于固態(tài)焊接，無需冷卻、無需助焊劑及無需輔材消耗的過程，可根據(jù)工件形狀、尺寸改變線圈結(jié)構(gòu)而完成焊接的一種高效、環(huán)保新工藝。

近些年，有學(xué)者報道鎂/鋼攪拌摩擦焊，爆炸焊接等，發(fā)現(xiàn)在攪拌摩擦針高速旋轉(zhuǎn)下，鎂-鋼界面達到塑性變形，使鎂、鐵不互溶組元相互擴散形成冶金結(jié)合；爆炸焊接時界面將產(chǎn)生大變形及高應(yīng)變速率，促進鎂、鐵不互溶組元相互擴散。與攪拌摩擦焊接、爆炸焊接類似，磁脈沖焊接也屬于高能率焊接成型，有望解決鎂/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)無過渡層連接問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)的不足，解決鎂/鋼無過渡層直接連接的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法。

本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思為：通過焊前對鎂合金板表面進行激光清洗，去除鎂合金板表面高熔點氧化膜，同時制備特定方向的微織構(gòu)，利用可控性好、精度高的磁脈沖焊驅(qū)動鎂合金板-鋼板界面產(chǎn)生超擴散連接；除此之外，利用激光制備微織構(gòu)，焊接完成后界面產(chǎn)生波狀結(jié)合，波狀結(jié)合增加冶金結(jié)合區(qū)域，同時產(chǎn)生機械互鎖，有利于增加鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接接頭的強度。

為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，使用變形能力好的鋼板（鍍鋅板或者非鍍鋅板）作為飛板，鎂合金板作為基板，利用脈沖激光對鎂合金板的待焊接面進行激光清洗，使用電磁脈沖焊接進行鎂合金板與鋼板的焊接，包括以下步驟：

S1、首先，去除鎂合金板和鋼板的待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；然后，對鎂合金板進行退火韌化，退火溫度為250℃~300℃，保溫時間為90min~120min；最后，對鎂合金板的待焊接面進行激光清洗，在鎂合金板的待焊接面制備微織構(gòu)；

S2、將步驟S1制得的鎂合金板作為基板，鋼板作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板和鋼板，鎂合金板和鋼板待焊接面的微織構(gòu)相互平行，鎂合金板和鋼板之間形成搭接區(qū)域，搭接長度為25mm~40mm，搭接區(qū)域的兩側(cè)邊緣之間放置墊板，鎂合金板和鋼板搭接區(qū)域的中部形成搭接間隙，搭接間隙作為待焊接區(qū)域，搭接間隙為1mm~2.5mm；在鋼板下方并位于待焊接區(qū)域的下方設(shè)置線圈，在鎂合金板上方并位于搭接區(qū)域的上方設(shè)置壓塊；

S3、電磁脈沖設(shè)備接通電容器對線圈充放電，線圈中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鋼板在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板，完成鋼板和鎂合金板電磁脈沖焊接。

進一步地，在所述步驟S1中，激光清洗過程中激光束關(guān)軸與鎂合金板的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板的待焊接面。

進一步地，在所述步驟S1中，鎂合金板的待焊接面激光清洗的激光功率為50W-100W，掃描速率為2000mm/s-3000mm/s。激光清洗系統(tǒng)包括激光器、控制系統(tǒng)和掃描振鏡，激光束通過掃描振鏡中的F–Theta鏡頭聚焦，形成光斑直徑為6.5mm的激光束，激光的最大功率100W，激光功率可在10%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最大波長1064nm，脈寬20ns-30ns，脈沖頻率20kHz-30kHz。

進一步地，在所述步驟S1中，沿鎂合金板待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗，即所形成的每一道微織構(gòu)沿鎂合金板的寬度方向平行設(shè)置，連續(xù)的微織構(gòu)整體上沿鎂合金板的長度方向設(shè)置；制得的微織構(gòu)的寬度為100μm~200μm，深度為300μm~500μm。

進一步地，在所述步驟S2中，通過改變墊板的厚度從而改變飛板與基板之間距離，使飛板獲得不同的碰撞速度和碰撞角度。

進一步地，在所述步驟S3中，所述線圈的材質(zhì)為銅，線圈截面厚度為10mm，寬度為8mm；所述電磁脈沖設(shè)備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz。

進一步地，所述墊板的材質(zhì)為膠木，鋼板為鍍鋅鋼板或者非鍍鋅鋼板，鎂合金板的材質(zhì)為AZ31B鎂合金板。

進一步地，所述鎂合金板的厚度與鋼板的厚度比為1：1。

進一步地，所述鎂合金板的厚度與鋼板的厚度均為1.5mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明利用可控性好、精度高的磁脈沖焊，在電容器突然放電下，飛板（鋼板）在高應(yīng)變速率、大變形情況下與基板（鎂合金板）發(fā)生碰撞（類似于爆炸沖擊），在鎂/鋼界面產(chǎn)生超擴散冶金連接。磁脈沖焊接在幾微秒范圍內(nèi)完成，效率高。磁脈沖焊接屬于固相焊接，不會產(chǎn)生熔化焊易出現(xiàn)的焊接缺陷；

2、現(xiàn)有技術(shù)采用磁脈沖焊接后的焊接界面多為平直結(jié)合，即焊前未進行激光清洗制備微織構(gòu)。本發(fā)明焊前對鎂合金板的待焊接面進行激光清洗，預(yù)制微織構(gòu)，使連接界面產(chǎn)生波狀結(jié)合面，增加冶金結(jié)合區(qū)域，波形界面有機械互鎖效果，有利于增加鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接接頭的結(jié)合強度，所以激光清洗后接頭的波紋界面拉剪強度明顯高于未激光清洗的接頭拉剪強度；

此外，激光清洗方法相對于傳統(tǒng)的化學(xué)清洗和機械清洗效率更好，且環(huán)保、無污染；

3、焊前對鎂合金板材進行退火韌化處理，并作為磁脈沖焊接的基板，可有效防止磁脈沖焊接過程鎂合金因韌性差，產(chǎn)生微裂紋。

附圖說明

圖1為鎂/鋼板材磁脈沖焊接裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1為鎂合金板，2為鋼板，3為線圈，4為墊板，5、壓塊。

圖2為激光清洗鎂板路徑及表面微織構(gòu)示意圖，圖中實心箭頭表示鎂合金板的長度方向，虛心箭頭表示激光清洗方向；

圖3為圖2中A-A面方向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施例1磁脈沖焊鎂/鋼接頭微觀形貌圖；

圖5為實施例1鎂/鋼焊接界面元素擴散圖；

圖6為實施例2磁脈沖焊鎂/鋼接頭微觀形貌圖；

圖7為實施例2鎂/鋼焊接界面元素擴散圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

實施例1

一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，使用變形能力好的非鍍鋅薄鋼板2（非鍍鋅HC340LA板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為飛板，鎂合金板1（AZ31B鎂合金板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為基板，利用脈沖激光對鎂合金板1的待焊接面進行激光清洗，使用電磁脈沖焊接進行鎂合金板1與鋼板2焊接，包括以下步驟：

S1、首先，用砂紙去除鎂合金板1和鋼板2的待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；采用機械打磨的方法去除HC340LA板待結(jié)合界面的氧化層及雜質(zhì)：即采用安裝砂輪片、鋼絲刷的角磨機將鋼板2和鎂合金板1待結(jié)合界面初打磨，然后用600目的砂紙打磨，使待結(jié)合面粗糙度Ra不超過2μm，然后用干抹布擦干凈待結(jié)合面；

然后，對鎂合金板1進行退火韌化，退火溫度為300℃，保溫時間為90min；

最后，對鎂合金板1的待焊接面進行激光清洗，設(shè)定激光功率為75W，脈沖寬度為25ns，脈沖頻率為25KHz，掃描速率為2500mm/s，激光清洗過程中激光束關(guān)軸與鎂合金板1的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板1的待焊接面，沿鎂合金板1待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗（如圖2所示），在鎂合金板1的待焊接面制備微織構(gòu)（如圖3所示），即所形成的每一道微織構(gòu)沿鎂合金板1的寬度方向平行設(shè)置，連續(xù)的微織構(gòu)整體上沿鎂合金板1的長度方向設(shè)置，制得的微織構(gòu)的寬度為150μm，深度為400μm；

S2、如圖1所示，將步驟S1制得的鎂合金板1作為基板，鋼板2作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板1和鋼板2，鎂合金板1和鋼板2待焊接面的微織構(gòu)相互平行，鎂合金板1和鋼板2之間形成搭接區(qū)域，搭接長度為25mm，搭接寬度（即基板與飛板的幅寬）為35mm，搭接區(qū)域的兩側(cè)邊緣之間放置墊板4，鎂合金板1和鋼板2搭接區(qū)域的中部形成搭接間隙，搭接間隙作為待焊接區(qū)域，搭接間隙為2mm；在鋼板2下方并位于待焊接區(qū)域的下方設(shè)置線圈3，在鎂合金板1上方并位于搭接區(qū)域的上方設(shè)置壓塊5；

S3、電磁脈沖設(shè)備的額定電壓16KV，恒定電容為375μF，最大放電能量為75KJ，自由頻率為100KHz，線圈3的材質(zhì)為銅，線圈3截面厚度為10mm，寬度為8mm；電磁脈沖設(shè)備接通電容器對線圈3充放電，放電能量為60KJ，線圈3中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鋼板2在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板1，焊接位置截面光學(xué)顯微鏡（OM）圖如圖4所示，圖4中上方為AZ31B，下方為HC340LA，完成鋼板2（非鍍鋅）和鎂合金板1電磁脈沖焊接。焊接接頭處鋼板2和鎂合金板1接頭完好，無缺陷，為波狀結(jié)合。將本實施例1得到焊接界面進行元素分布分析，如圖5所示，焊接界面鎂、鐵元素相互擴散。

對本實施例1制得的鋼板2和鎂合金板1磁脈沖焊接接頭進行拉伸實驗驗證，拉伸試樣的尺寸參考GB/T 26957—2011和AWS_ D17-3-2010的要求進行，制定標準拉伸試樣及與試樣相同厚度的墊板4，在拉伸試驗機上裝卡時用墊板4補償搭接偏移量，鎂/鋼接頭強度為120MPa。

實施例2

一種鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法，使用變形能力好的鍍鋅薄鋼板2（熱鍍鋅HC340LDA+Z100板，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為飛板，鎂合金板1（AZ31B鎂合金板1，尺寸為：長度90mm×寬度35mm×厚度1.5mm）作為基板，利用脈沖激光對鎂合金板1的待焊接面進行激光清洗，使用電磁脈沖焊接進行鎂合金板1與鋼板2焊接，包括以下步驟：

S1、首先，用砂紙去除鎂合金板1待焊接面的油污，丙酮擦洗后晾干；將HC340LDA+Z100板材待焊接區(qū)，用丙酮擦洗后晾干；

然后，對鎂合金板1進行退火韌化，退火溫度為300℃，保溫時間為120min；

最后，對鎂合金板1的待焊接面進行激光清洗，設(shè)定激光功率為100W，脈沖寬度為30ns，脈沖頻率為30KHz，掃描速率為3000mm/s，激光清洗過程中激光束關(guān)軸與鎂合金板1的待激光清洗表面相互垂直，激光束的焦點位于鎂合金板1的待焊接面，沿鎂合金板1待焊接表面的寬度方向進行連續(xù)蛇形激光掃描清洗（如圖2所示），在鎂合金板1的待焊接面制備微織構(gòu)（如圖3所示），即所形成的每一道微織構(gòu)沿鎂合金板1的寬度方向平行設(shè)置，連續(xù)的微織構(gòu)整體上沿鎂合金板1的長度方向設(shè)置，制得的微織構(gòu)的寬度為200μm，深度為300μm；

S2、如圖1所示，將步驟S1制得的鎂合金板1作為基板，鋼板2作為飛板，在焊接夾具工裝上組裝鎂合金板1和鋼板2，鎂合金板1和鋼板2待焊接面的微織構(gòu)相互平行，鎂合金板1和鋼板2之間形成搭接區(qū)域，搭接長度為30mm，搭接寬度（即基板與飛板的幅寬）為35mm，搭接區(qū)域的兩側(cè)邊緣之間放置墊板4，鎂合金板1和鋼板2搭接區(qū)域的中部形成搭接間隙，搭接間隙作為待焊接區(qū)域，搭接間隙為2mm；在鋼板2下方并位于待焊接區(qū)域的下方設(shè)置線圈3，在鎂合金板1上方并位于搭接區(qū)域的上方設(shè)置壓塊5；

S3、電磁脈沖設(shè)備接通電容器對線圈3充放電，放電能量為60KJ，線圈3中通入周期性震蕩的時變高強度電流，使鋼板2在電磁力作用下快速撞擊鎂合金板1，焊接位置截面光學(xué)顯微鏡（OM）圖如圖6所示，圖6中上方為AZ31B板，下方為HC340LDA+Z100板，完成鋼板2和鎂合金板1電磁脈沖焊接。焊接接頭處鋼板2和鎂合金板1接頭完好，無缺陷，為波狀結(jié)合。如圖7所示，將本實施例2得到焊接界面進行元素分布分析，焊接界面鎂、鐵元素相互擴散。

對本實施例2制得的鋼板2和鎂合金板1磁脈沖焊接接頭進行拉伸實驗驗證，拉伸試樣的尺寸參考GB/T 26957—2011和AWS_ D17-3-2010的要求進行，制定標準拉伸試樣及與試樣相同厚度的墊板4，在拉伸試驗機上裝卡時用墊板4補償搭接偏移量，鎂/鋼接頭強度為140MPa。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準。

鎂合金板與鋼板磁脈沖焊接方法.pdf