一种减小镁稀土合金TIG焊接头热影响区的熔覆剂及TIG焊接方法

摘要

本发明公开了一种减小镁稀土合金TIG焊接头热影响区的熔覆剂及TIG焊接方法，所述熔覆剂包括以下质量百分比含量的各组分：15‑37％二氧化硅，60‑80％碳化钛，3‑8％氟锆酸钾。TIG焊接前在母材坡口表面处涂覆一层熔覆剂，经预热处理后通过较小电流焊接将坡口表面处熔覆剂熔化形成均匀熔覆层；再采用常规TIG焊完成连接，可得到热影响区较小的镁稀土合金焊接接头。本发明能够显著减小镁稀土合金TIG焊接头热影响区的宽度，有效提高镁稀土合金TIG焊接头的力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及的是一种减小镁稀土合金TIG焊接头热影响区的熔覆剂及TIG焊接方法。具体的说，涉及一种保证必要焊接热输入不变的基础上，通过该熔覆剂形成的熔覆层可以减小镁稀土合金TIG焊接头的热影响区宽度的TIG焊接方法。

背景技术

随着重要装备领域对轻量化的需求越来越高，镁稀土合金凭借其密度低、比强度比刚度高、电磁屏蔽性好、耐蚀耐热能力优良等性能特性展现出了广阔的应用前景，在航空航天、交通运输、国防军工等领域具有独特的吸引力。镁稀土合金的应用情景也逐步从结构较简单的零部件转变为发动机机匣、导弹舱体、卫星支架等大型复杂结构件，因此对于镁稀土合金复杂构件的成型工艺也提出了更高需求。

而通过使用焊接工艺，可将小型、简单的铸件进行连接，进而获得结构复杂程度较高的镁稀土合金构件。目前应用在镁稀土合金的焊接工艺中最多的主要为钨极氩弧焊(TIG焊)，由于TIG焊的运行成本和设备成本较低，而且可以手动操作而对弧面、内腔等较复杂的部位进行焊接，因此具有独特的技术优势，被广泛的应用在镁稀土合金大型结构件的生产中。但是目前在常规的TIG焊中也存在一些问题，相比于电子束焊、激光焊等先进焊接工艺，TIG焊接中热源的能量密度较低，因此在焊接过程中热输入相对较大，而热影响区是在焊接热循环的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域。且镁稀土合金的热导率较高，导致焊缝区向母材传递的热量较多，因此在TIG焊中热影响区宽度较大，且会造成晶粒粗大、过烧和共晶组织连续等问题，严重降低接头性能。因此，开发无热影响区或窄热影响区的新型TIG焊工艺对镁稀土合金接头力学性能至关重要。

为了解决TIG焊中存在的问题，使TIG焊接接头的热影响区减小，可以通过减小焊接热输入量和促进熔合区金属快速冷却两种方式。经文献检索发现，TIG焊Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金焊缝组织和性能(《焊接技术》2011；40(12)：pp 12-14)中记载了当焊接电流较小时，镁稀土合金TIG焊接接头的热影响区不明显。然而焊接热输入较小时在熔合区极易形成未焊合缺陷，不适用于中厚板焊接，由此限制了TIG焊的应用范围。钛合金薄板带热沉的TIG焊温度场(《焊接学报》2003；(01)：pp 69-72)中描述了一种在热源之后紧随起冷却作用的热沉装置，该热沉装置的使用能够提高熔池的冷却速度，不仅能够细化熔合区的晶粒尺寸，还能够显著抑制热影响区的形成。然而该工艺会增加焊接工装的复杂程度，且会降低熔池的流动性进而影响接头的成型性能，不利于实现工业推广。因此，在保证必要热输入且不增加焊接工艺复杂程度的前提下，通过阻碍熔池热流向母材传递以抑制热影响区的形成是一种更好的解决思路，相关研究还未见任何报导。

综上所述，常规镁稀土合金TIG焊热影响区较宽导致接头性能降低是一个急需解决的关键难题，其主要原因是TIG焊时保证接头成型良好时所需的热输入较大。因此，针对镁稀土合金TIG焊接开发一种用于阻碍熔池热量向母材传导的熔覆层对抑制热影响区的形成从而提高接头性能具有十分重要的意义。

发明内容

针对镁稀土合金常规TIG焊的上述不足，本发明的目的在于解决利用常规TIG焊对镁稀土合金进行焊接的过程中容易产生较宽热影响区而降低焊接接头力学性能的问题，提供一种减小镁稀土合金TIG焊接头热影响区的熔覆剂及TIG焊接方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种减小镁稀土合金TIG焊接头热影响区的熔覆剂，其特征在于，包括以下质量百分比含量的各组分：15-37％二氧化硅，60-80％碳化钛，3-8％氟锆酸钾。

优选地，所述二氧化硅、碳化钛、氟锆化钾的粉末粒径为200-400目；

所述熔覆剂中加入的二氧化硅和碳化钛通过熔覆后可在坡口表面形成一层热导率极低的熔覆层(如二氧化硅热导率为1.4W/m/K)，抑制熔池的热量向母材传导，从而抑制热影响区的形成；但需要注意的是，熔覆层的设置会导致熔池散热条件变差，降低熔池冷却速度，进而导致熔合区晶粒粗化。因此，在熔覆剂中必须配合加入晶粒细化剂氟锆化钾，在焊接时与Mg发生如下反应：K

本发明还提供了一种前述熔覆剂在制备镁稀土合金TIG焊接头中的应用。

本发明还提供了一种镁稀土合金TIG焊接方法，包括以下步骤：

A、按权利要求1所述的熔覆剂各组分比例配制原料，然后进行碾磨混合，再向形成的混合物中加入溶剂搅拌均匀；

B、将步骤A制得的溶液涂覆在镁稀土合金待焊工件的坡口表面，并预热工件使溶剂挥发后，采用焊接，形成熔覆层；

C、采用常规TIG焊进行焊接，即可。

优选地，步骤A中，所述溶剂为丙酮，混合物与溶剂的质量比为1:1-1.5:1，这样，在丙酮溶液中，颗粒物能够更好地分散、混合均匀。

优选地，步骤B中，所述坡口的截面形状为“V”型或“U”型。

优选地，步骤B中，所述预热温度为100-150℃、预热时间为10-30min。经过预热可以去除熔覆剂中的丙酮，防止对熔覆过程造成影响。

优选地，步骤B中，所述涂覆密度为50-200mg/cm

优选地，步骤B中，所述焊接的参数为：焊接电流80-100A，焊接速度为8-12mm/s，焊接脉冲频率为5kHz-10kHz，在坡口表面焊接形成厚度为1-1.5mm的熔覆层。熔覆时焊接电流过大会导致熔覆层厚度过大，含有的热导率低的SiO

优选地，步骤C中，所述常规TIG焊的工艺参数为：焊接电流为170-230A，焊接速度为4-8mm/s。常规TIG焊时由于热导率相比于母材较低的熔覆层的存在，焊缝区热量向母材传导的速度降低，因此可以得到热影响区较小的焊接接头。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明无需复杂的随焊冷却系统，仅需焊前用小电流在坡口处预先熔覆一层低导热层(隔热层)即可达到抑制后续TIG焊接时热影响区的形成，操作极为方便，适合向工程应用推广。

2、本发明向接头不仅避免了热影响区的产生，还向焊缝中引入了SiO

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的镁稀土合金TIG焊接头方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以Mg-10Gd-3Y-0.5Zr(wt％)镁稀土合金铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)实施本发明，制备示意图如图1所示。

所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：15％二氧化硅(SiO

所述镁稀土合金TIG焊接方法如下：

1)将筛选后的原料按上述的比例配置好后装入球磨机充分碾磨混合成粉状，之后按混合物与溶剂质量比为1:1向混合物中加入丙酮并搅拌均匀，配制成糊状的熔覆剂溶液。

2)将步骤1)配制的熔覆剂溶液涂敷在镁稀土合金V型坡口表面，涂敷密度为50mg/cm

3)采用常规TIG焊进行焊接，采用的焊接电流为170A，焊接速度为4mm/s，所用焊丝成分与母材一致；即制得Mg-10Gd-3Y-0.5Zr(wt％)镁稀土合金焊接件。

在这种焊接条件下，其焊接头热影响区宽度约为0.5mm，达到性能服役要求。焊接区域的室温抗拉强度达Mg-10Gd-3Y-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的93％，延伸率达铸件的98％。

以Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)实施本发明。

所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：20％二氧化硅(SiO

所述镁稀土合金TIG焊接方法如下：

1)将筛选后的原料按上述的比例配置好后装入球磨机充分碾磨混合成粉状，之后按混合物与溶剂质量比为1.2:1向混合物中加入丙酮并搅拌均匀，配制成糊状的熔覆剂溶液。

2)将步骤1)配制的熔覆剂溶液涂敷在镁稀土合金V型坡口表面，涂敷密度为100mg/cm

3)采用常规TIG焊进行焊接，采用的焊接电流为200A，焊接速度为6mm/s，所用焊丝成分与母材一致；即制得Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金焊接件。

在这种焊接条件下其焊接头热影响区宽度约为0.7mm，达到性能服役要求。焊接区域的室温抗拉强度达Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的88％，延伸率达铸件的93％。

以Mg-5Y-2.5Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)实施本发明。

所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：25％二氧化硅(SiO

所述镁稀土合金TIG焊接方法如下：

1)将筛选后的原料按上述的比例配置好后装入球磨机充分碾磨混合成粉状，之后按混合物与溶剂质量比为1.3:1向混合物中加入丙酮并搅拌均匀，配制成糊状的熔覆剂溶液。

2)将步骤1)配制的熔覆剂溶液涂敷在镁稀土合金V型坡口表面，涂敷密度为150mg/cm

3)采用常规TIG焊焊接电流为230A，焊接速度为8mm/s，所用焊丝成分与母材一致；即制得Mg-5Y-2.5Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金焊接件。

在这种焊接条件下，其焊接头热影响区宽度约为0.7mm，达到性能服役要求。焊接区域的室温抗拉强度达Mg-5Y-2.5Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的91％，延伸率达铸件的96％。

以Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)实施本发明。

所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：30％二氧化硅(SiO

所述镁稀土合金TIG焊接方法如下：

1)将筛选后的原料按上述的比例配置好后装入球磨机充分碾磨混合成粉状，之后按混合物与溶剂质量比为1.4:1向混合物中加入丙酮并搅拌均匀，配制成糊状的熔覆剂溶液。

2)将步骤1)配制的熔覆剂溶液涂敷在镁稀土合金U型坡口表面，涂敷密度为150mg/cm

3)采用常规TIG焊焊接电流为200A，焊接速度为6mm/s，所用焊丝成分与母材一致；即制得Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金焊接件。

在这种焊接条件下，其焊接头热影响区宽度约为0.6mm，达到性能服役要求。焊接区域的室温抗拉强度达Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的95％，延伸率达铸件的91％。

以Mg-5Y-2.5Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金铸件为例(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比)实施本发明。

所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：32％二氧化硅(SiO

所述镁稀土合金TIG焊接方法如下：

1)将筛选后的原料按上述的比例配置好后装入球磨机充分碾磨混合成粉状，之后按混合物与溶剂质量比为1.5:1向混合物中加入丙酮并搅拌均匀，配制成糊状的熔覆剂溶液。

2)将步骤1)配制的熔覆剂溶液涂敷在镁稀土合金U型坡口表面，涂敷密度为200mg/cm

3)采用常规TIG焊焊接电流为230A，焊接速度为8mm/s，所用焊丝成分与母材一致；即制得Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)镁稀土合金焊接件。

在这种焊接条件下，其焊接头热影响区宽度约为0.6mm，达到性能服役要求。焊接区域的室温抗拉强度达Mg-5Y-2.5Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的93％，延伸率达铸件的93％。

本对比例所述焊接工艺与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例不进行步骤1)的处理，且步骤2)中，焊接前在焊件坡口表面未涂覆熔覆剂，直接通过较小焊接电流进行熔覆形成熔覆层。

全部焊接工艺完成后，经检测发现焊接头的热影响区宽度约为1.5mm。在这一条件下，本工艺减小热影响区宽度的效果不明显，不能达到实际应用的需求。

本对比例所述焊接工艺与实施例3基本相同，不同之处仅在于：所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：25％二氧化硅(SiO

全部焊接工艺完成后，经检测发现其焊接头热影响区宽度约为0.5mm，达到减小热影响区宽度的目的，但同时焊缝区晶粒也变得较为粗大，在拉伸试验中本条件下接头的力学性能较差，焊接区域的室温抗拉强度达Mg-5Y-2.5Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的68％，延伸率达铸件的83％。不能达到实际应用的需求。

由于熔覆剂中未加入Zr盐作为晶粒细化剂，且由于熔覆层的形成会导致熔池散热条件变差，使得熔池冷却速度降低，进而导致焊缝处晶粒粗大。

本对比例所述焊接工艺与实施例1基本相同，不同之处仅在于：所用熔覆剂的组分质量百分比范围为：12％二氧化硅(SiO

全部焊接工艺完成后，经检测发现焊接头热影响区宽度约为0.6mm，达到减小热影响区宽度的目的，但同时经金相观察发现熔覆层中出现团聚的陶瓷颗粒，在拉伸试验中本条件下接头的力学性能较差，焊接区域的室温抗拉强度达Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的83％，延伸率达铸件的62％。不能达到实际应用的需求。

本对比例所述焊接工艺与实施例4基本相同，不同之处仅在于：通过焊接形成熔覆层的步骤中未采用高频脉冲的常规TIG焊。

全部焊接工艺完成后，经检测发现焊接头热影响区宽度约为0.5mm，达到减小热影响区宽度的目的，但同时经金相观察发现熔覆层中出现脆性相，在拉伸试验中本条件下接头的力学性能较差，焊接区域的室温抗拉强度达Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr(wt％)低压砂型铸件的73％，延伸率达铸件的69％。不能达到实际应用的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。