[发明专利]一种镁合金激光-超声双面焊接的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁合金薄板激光-超声双面焊接的方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，广泛地应用于航空航天、汽车制造、电子通信和国防军事等领域。随着科学技术的发展，镁合金在各领域的应用会越来越广泛，因此，发展高效、高质的连接技术成为目前急需解决的关键问题之一。目前镁合金焊接的方法主要有：钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊、搅拌摩擦焊、激光焊、电子束焊等。

采用传统的弧焊方法(TIG、MIG焊等)焊接镁合金时，由于镁合金与氧、氮亲和力强，焊后易形成夹渣和脆性相；镁合金熔点低，导热快，线胀系数大，导致热影响区宽且易于过热，晶体容易长大，易产生较大的应力和焊接变形；另外，由于镁与一些合金元素如Cu、Al、Ni等易形成低熔点共晶体，这些低熔点共晶体偏析于晶界，增大结晶温度范围，在应力作用下极易形成热裂纹。这些焊接缺陷都是由镁合金的特有性质引起的，因此很难消除，但相关研究表明，可以通过调节焊接参数、改善焊接工艺来减少上述焊接缺陷的生成，但由于参数调节困难、工艺繁琐，弧焊方法在镁合金焊接方面的应用受到限制。采用搅拌摩擦焊虽然能够取得良好的焊接效果，但根据相关的文献，目前其焊接仍然存在焊缝底部未焊合等缺陷，且其自动化程度较低，不适用于工业批量生产。

目前激光焊(LBW)是应用于镁合金的高效焊接方法之一。激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接精度高、焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小以及适应性强易实现自动化焊接等特点，因此采用激光焊方法焊接镁合金时可得到极小的熔化区和热影响区，降低焊缝中的内应力，并能净化焊缝，减少夹渣、气孔和裂纹等缺陷。因此随着科学技术的发展，该技术在镁合金焊接方面将会得到更广泛的应用。

目前，采用激光焊接的方法进行镁合金焊接时主要存在以下一些问题：

(1)镁合金密度低，液态时溶解大量的氢。在冷却结晶过程中氢的溶解度陡降而析出，且激光焊接速度高，熔池冷却速度快，使得析出的氢气来不及从在窄而深的焊缝中排出而形成气孔。除此之外，在激光焊接过程中，由于匙孔不稳定而导致坍塌也是形成镁合金焊接气孔的原因之一；

(2)镁合金线膨胀系数大，虽然采用激光焊方法焊接镁合金时产生的变形小，降低了焊缝中的热应力。但镁与其他元素易形成低熔点共晶偏析于晶界，增大了产生热裂纹的倾向，焊接接头容易在脆性温度区间内产生热裂纹，因此热裂纹仍是镁合金激光焊中的主要问题；

(3)镁合金热导率大，采用大功率热源、高焊速焊接镁合金时，易造成焊缝和近缝区金属过热，晶粒长大导致晶粒粗化；

(4)镁合金氧化性极强，在焊接过程中极易与空气中的氧、氮等形成氧化镁、氮化镁等杂质，这些杂质被卷入熔体中不易排出形成夹渣；

(5)镁合金表面张力小，焊接时易产生焊缝金属下塌。

近年来，超声波辅助焊接的技术得到了广泛的发展。超声辅助焊接技术是在焊接过程中将高能量的超声波作用于焊接熔池，利用超声的声流和空化效应，有效地降低了熔融镁合金中的氢含量，降低焊缝中的气孔率；根据超声破碎理论和过冷生核理论，焊接过程中超声波的加入可以细化焊缝晶粒，提高焊接接头的力学性能；另外超声波的高频振动还对熔池起到一定的搅拌作用，有利于氧化物的上浮排出，从而减少了焊缝中的夹渣。用超声波辅助激光焊接，可以有效地改善镁合金焊接时存在的问题。专利200710144908公开了一种超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，采用超声辅助焊缝金属的润湿性得到了极大地改善，但是该方法中对于焊缝的气孔和裂纹的控制仍有待提高。专利201310061962公开了一种超声辅助激光修复的方法，解决了晶粒粗大的问题，但该方法是利用超声导入装置将超声波直接从工件下方导入，降低了超声波的能量利用率。

发明内容

本发明为了解决上述存在的问题，而提出了一种镁合金激光-超声双面焊接的方法。