[发明专利]镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝及焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种焊接材料，本发明也涉及一种焊接方法。

背景技术

镁及镁合金作为金属中最轻的工程结构材料，具有高比强度、高尺寸稳定性、高阻尼减震性以及易回收利用等特点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。镁和钢形成的复合结构具有轻质高强、能量吸收、屏蔽性好等一系列优异性能，在汽车、航空航天、电子通讯等领域中得到广泛应用。例如，在航天飞行器设计中，采用镁-钢复合结构可兼顾整体减重与局部承载增强的要求，这种复合结构对于航空航天关键构件是一种发展趋势；在汽车工业中，同样对镁和钢的复合结构提出了应用需求。此外，镁-钢复合构件在深空探测、探月工程、高速列车以及大型船舶等领域也具有重大潜在的使用价值。而镁/钢异种材料连接技术问题的解决，则是该复合结构获得工业应用的前提。

基于镁-钢复合结构的性能优势，目前国内外学者在镁-钢异种材料连接方面开展了大量的研究工作，但尚存在以下不足：

1）镁-钢异种金属的连接多局限于固相连接方面：如扩散焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊等，这些方法易受工件形状和尺寸的限制，且效率低，难以满足大批量生产需求。

2）现有的镁-钢熔（钎）焊连接方法未能有效解决两者的焊接问题：针对两者熔点差异大、互溶度小、无中间反应相生成的问题，目前多通过中间箔层或镀层方式来解决，但焊接过程中间层材料的流失和镁合金的氧化问题是一个难以克服的本质缺陷。目前尚未开发出具有实用价值的熔焊或熔钎焊方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够改善润湿性的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝。本发明的目的还在于提供一种适用于熔点差异大、互溶度小、无中间反应相生成的异种金属之间焊接的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊丝的重量百分比组成为：Al:2-10%、Zn:0.5-5%、Sr:0.1-1%、B:0.05-0.2%、RE:0.5-2%，余量为Mg。

本发明的镁与钢异种金属超音频脉冲激光熔钎焊接焊方法为：

步骤1：在镁合金和钢工件的待焊部位加工出坡口，并除去工件表面的油污和氧化膜；

步骤2：将镁合金和钢工件固定在焊接夹具上，调节送丝装置的位置和角度，焊丝从激光束前方以一定角度自动送入，并利用氩气对焊缝进行保护；

步骤3：将激光束稍偏置于镁合金工件一侧，利用超音频脉冲激光加热焊丝及镁合金工件形成熔池，而钢工件在焊接过程中基本维持固态，与液态镁合金相互作用形成钎焊接头。

本发明的方法还可以包括：

1、所述超音频脉冲激光脉冲的频率在20kW-50kW，功率P在1kW-10kW。

2、焊接速度为0.1m/min-10m/min。

3、焊丝直径在0.8-2.0mm之间，送丝速度为0.5m/min-10m/min。

4、所述调节送丝装置的位置和角度是使焊丝与工件的夹角θ为15°-45°。

5、所述焊丝从激光束前方以一定角度自动送入是使激光头与工件的夹角Φ为80°-100°。

6、镁合金和钢工件的待焊部位对接，在镁合金和钢工件的待焊部位加工出的坡口为V形坡口。

7、镁合金和钢工件的待焊部位搭对接，在镁合金和钢工件的待焊部位加工出的坡口为Y形坡口。

针对已有技术中存在的问题，本发明提出一种基于添加合金元素的超音频脉冲激光熔钎焊焊丝及焊接方法。焊接时，通过在镁钎料中添加合金元素（如Al、B、Sr、RE等）来调控界面反应，改善钎料润湿性；同时利用脉冲激光加热钎料及镁合金母材形成熔池，一方面，具有高度聚焦能量的激光能够在瞬间气化熔池金属；另一方面，镁元素较低的沸点（1090℃）强化了激光的瞬间气化能力。因此，在激光辐照熔池期间将会产生瞬间的材料蒸发，蒸发反冲力作用于熔池金属形成机械振荡，当脉冲激光频率与振荡能量达到超声频率时，这种机械振荡将在熔池内部形成空化作用（产生无数高压空化泡并随时爆破）。这种空化作用将在镁/钢界面上产生细微局部高压轰击，这一方面将有效去除钢表面的氧化膜、降低熔融金属表面能从而改善钎料润湿铺展效果；另一方面这种空化作用将极大影响接头冶金过程，起到细化晶粒和均匀组织两种效果，因为空化作用将改变熔池金属结晶状态并对界面金属间化合物层有均匀化处理效果。本发明对解决制约Mg/Fe、Mg/Ti非互溶异质金属焊接质量提高的关键和共性问题，扩展激光熔钎焊接的应用范围，具有重要的理论意义和工程应用价值。