一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂及其制备和使用方法

摘要

本发明公开了一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂及其制备和使用方法。专用活性剂包括以下质量百分比含量的各组分：20‑30％氯化镉、10‑20％氯化锌、5‑20％稀土氯化物、15‑30％氧化铬、5‑20％氧化钛、2‑10％晶粒细化剂。将各组分按比例混合后碾磨形成混合物，之后向混合物中加入丙酮使其成为糊状；将糊状的活性剂涂敷在镁稀土合金铸件的待焊坡口表面，经过预热处理后在再采用超高频脉冲交流电弧的钨极氩弧焊进行焊接。本发明制备的专用活性剂能够抑制传统活性剂组分与稀土元素之间的反应，使其发挥出增大熔深的效果，故适用于镁稀土合金大厚度板材的焊接，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及的是一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂及其制备和使用方法。具体的说，涉及一种在控制焊接过程熔宽基本不变的前提下，通过该活性剂的使用可以增大镁稀土合金焊接接头熔深的镁稀土合金活性钨极氩弧焊焊接方法。

背景技术

镁稀土合金作为一种新型轻质结构材料，因其密度低、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，目前已经广泛应用在航空航天、交通运输、国防军工等领域。自20世纪90年代以来，重要装备领域对轻量化的需求越来越高，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。目前适用于镁稀土合金的焊接工艺主要有钨极氩弧焊(TIG焊)、熔化极氩弧焊、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等。相比于激光焊和电子束焊等先进焊接工艺，由于钨极氩弧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。但是在传统的钨极氩弧焊接中也存在一些问题，如焊接接头的熔深较小、热影响区较大，易形成焊接缺陷使得接头力学性能下降。并且对于厚度在3mm以上的焊件需要开坡口进行多道焊接，造成焊接效率低下。

为解决传统钨极氩弧焊中存在的上述问题，一种新型的焊接工艺即活性钨极氩弧焊(A-TIG焊)逐渐进入人们的视野，活性钨极氩弧焊是在焊前在焊件表面涂覆上一层活性剂，通过“电弧收缩”和“表面张力”两种机理来提高接头的熔深。“电弧收缩”是活性剂与电弧之间的相互作用，活性剂中沸点低于焊件的成分(如氯化物、氟化物)在高温下蒸发后发生热解离分解为原子，而金属原子的电离能小于惰性气体，在较小的电离电压下发生电离形成蒸汽电弧，从而使电流密度增大，熔池峰值温度增大进而增加熔深；“表面张力”是活性剂与熔池金属间的相互作用，活性剂中沸点高于焊件的成分(如氧化物)通过改变熔池表面温度张力梯度，使得表面张力对流的方向由熔池中心向熔池边缘发生反转，熔池流动方式发生变化从而增大熔深。通过活性剂与熔池金属及电弧的相互作用使焊接过程发生变化。相比于传统钨极氩弧焊，活性钨极氩弧焊可以大幅度的提高熔池的熔深，通常可以达到一倍左右。

经文献检索发现，单一及复合氧化物活性剂对镁合金A-TIG焊的影响(《焊接学报》2007；28(9)：pp 39-42)中记载了对AZ31B镁合金涂覆复合氧化物活性剂后进行活性钨极氩弧焊得到的熔深是常规钨极氩弧焊的2.5倍。CN102689112A公开了一种用于AZ31镁合金活性钨极氩弧焊的复合活性剂，成分为Cr

综上所述，如何在镁稀土合金的活性钨极氩弧焊过程中抑制稀土元素与活性剂组元发生反应，从而使活性剂发挥出增大熔深和减小热影响区的效用是一个急需解决的难题，其主要原因是缺乏镁稀土合金专用的活性剂。因此，针对镁稀土合金的钨极氩弧焊接开发一种专用活性剂具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有传统镁合金钨极氩弧焊活性剂的不足，本发明提出了一种镁稀土合金的专用活性剂及其制备和使用方法，能够有效避免活性剂中组成部分与稀土元素发生反应，从而达到增大熔深和减小热影响区的效果。

本发明提供一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂，相比于应用在传统镁合金上的活性剂，采用了多种成分组成，原料通过球磨机碾磨后加入丙酮形成糊状的活性剂，焊接前将活性剂均匀涂敷在铸件的坡口待焊表面，经过焊前预热后，采用超高频交流脉冲电弧的钨极氩弧焊对焊件进行活性焊。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂，包括以下质量百分比含量的各组分：20-30％氯化镉(CdCl

优选地，所述稀土氯化物中采用的稀土元素种类与镁稀土合金母材中所含稀土元素对应。包括选自氯化钆(GdCl

优选地，所述晶粒细化剂为氟锆化钾(K

本发明的专用活性剂采用复合配方，分别通过加入氯化物(CdCl

本发明还提供了一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂的制备方法，包括以下步骤：按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；即得。这样可以均匀混合活性剂中各组分避免活性剂中出现结块从而影响到活性剂的使用效果。

优选地，所述溶剂为丙酮，混合物与溶剂的质量比为1:1-1.5:1。

本发明还提供了一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊的专用活性剂的使用方法，其特征在于，将前述制备的专用活性剂涂覆在镁稀土合金母材的待焊接坡口表面，然后经过100-150℃预热处理。

优选地，所述涂覆密度为100-300mg/cm

本发明还提供了一种镁稀土合金活性钨极氩弧焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将制得的溶液涂覆在镁稀土合金母材的待焊接坡口表面，然后进行预热处理；

B、在步骤A处理后的待焊接坡口进行钨极氩弧焊，即可。

优选地，步骤A中，所述预热处理的温度为100-150℃、预热时间为10-30min；涂覆密度为100-300mg/cm

优选地，步骤B中，所述钨极氩弧焊的焊接电流波形为正弦波、三角波、方波或锯齿波中的一种，焊接脉冲频率和焊接交流频率分别为1000-20000Hz和10-100Hz，焊接基值电流和焊接峰值电流各为50-250A，焊接基值电流比焊接峰值电流小10-30A。在该工艺条件下，电弧的高频变化和焊接电流大小的周期性变化能够通过对熔池产生扰动使活性剂在熔池中充分均匀的分布，避免活性剂组分在焊接接头中团聚进而形成夹杂。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明采用多种成分形成复合型活性剂，综合利用到了“电弧扰动”和“表面张力”两种增大熔深的机理。

2)本发明在活性剂中加入了稀土氯化物，可抑制镁稀土合金中稀土元素与传统镁合金活性剂中含有的组分发生反应，使本发明的专用活性剂更好的适用于镁稀土合金。

3)本发明还通过焊前预热和超高频脉冲电流使活性剂充分均匀的分布在熔池中，提高了专用活性剂的使用效果。

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)进行活性钨极氩弧焊接。

镁稀土合金钨极氩弧焊活性剂成分(质量百分数)：20％氯化镉(CdCl

本发明镁稀土合金活性钨极氩弧焊活性剂的生产方法为：将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，配制成糊状的活性剂。

镁稀土合金活性钨极氩弧焊焊接方法如下：

用扁平毛刷将前述制备的糊状的活性剂涂敷在镁稀土合金铸件的坡口待焊表面，涂覆密度为100mg/cm

对预热处理后的待焊接坡口进行活性钨极氩弧焊接。所述焊接采用的电流波形为方波，脉冲频率为1000Hz，交流频率为10Hz，焊接基值电流为50A，峰值电流为60A。

在这种焊接条件下，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊得到的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了124％。对活性焊接头区域进行取样测试，发现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91％，延伸率达铸件的95％，满足服役的性能需求。

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)进行活性钨极氩弧焊接。

镁稀土合金钨极氩弧焊活性剂成分(质量百分数)：25％氯化镉(CdCl

本发明镁稀土合金活性钨极氩弧焊活性剂的生产方法为：将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，配制成糊状的活性剂。

镁稀土合金活性钨极氩弧焊焊接方法如下：

用扁平毛刷将前述制备的糊状的活性剂涂敷在镁稀土合金铸件的坡口待焊表面，涂覆密度为200mg/cm

对预热处理后的待焊接坡口进行活性钨极氩弧焊接。所述焊接采用的电流波形为正弦波，脉冲频率为10000Hz，交流频率为50Hz，焊接基值电流为140A，峰值电流为160A。

在这种焊接条件下，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊得到的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了110％。对活性焊接头区域进行取样测试，发现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93％，延伸率达铸件的94％，满足服役的性能需求。

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)进行活性钨极氩弧焊接。

镁稀土合金钨极氩弧焊活性剂成分(质量百分数)：20％氯化镉(CdCl

本发明镁稀土合金活性钨极氩弧焊活性剂的生产方法为：将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，配制成糊状的活性剂。

镁稀土合金活性钨极氩弧焊焊接方法如下：

用扁平毛刷将前述制备的糊状的活性剂涂敷在镁稀土合金铸件的坡口待焊表面，涂覆密度为300mg/cm

对预热处理后的待焊接坡口进行活性钨极氩弧焊接。所述焊接采用的电流波形为三角波，脉冲频率为20000Hz，交流频率为100Hz。焊接基值电流为220A，峰值电流为250A。

在这种焊接条件下，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊得到的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了93％。对活性焊接头区域进行取样测试，发现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89％，延伸率达铸件的97％，满足服役的性能需求。

本实施例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：活性剂的组成比例不同，本实施例中活性剂成分的组成和质量百分数为：30％氯化镉(CdCl

全部焊接工艺完成后，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊得到的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了103％。对活性焊接头区域进行取样测试，发现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88％，延伸率达铸件的96％，满足服役的性能需求。

本实施例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：活性剂的组成比例不同，本实施例中活性剂成分的组成和质量百分数为：30％氯化镉(CdCl

全部焊接工艺完成后，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊得到的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了122％。对活性焊接头区域进行取样测试，发现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92％，延伸率达铸件的96％，满足服役的性能需求。

本对比例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，活性剂成分比例仍保持不变，不同之处仅在于：活性剂成分中不含有氯化钆(GdCl

全部焊接工艺完成后，与没有涂覆活性剂的钨极氩弧焊焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了32％。因熔深增大效果不明显而不满足实际应用的需求。

尽管活性剂中仍含有氯化镉(CdCl

本对比例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，活性剂成分比例仍保持不变，不同之处仅在于：在涂覆活性剂后，不经过焊前预热使丙酮挥发而直接进行焊接。

全部焊接工艺完成后，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊形成的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了13％。因熔深增大效果不明显而不满足实际应用的需求。

由于丙酮未在焊接前挥发，在钨极氩弧焊时的高温作用下发生裂解形成含一氧化碳、乙烯等的混合气体，进而影响到活性剂与电弧间的相互作用。

本对比例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，活性剂成分比例仍保持不变，不同之处仅在于：在进行活性钨极氩弧焊时，不选用超高频脉冲电流而选用常规交流电。

全部焊接工艺完成后，在涂覆活性剂后的焊接接头中经检测发现活性剂夹杂，导致焊接接头力学性能的下降，因而不满足实际应用的需求。

由于活性剂组成成分未经超高频脉冲电流作用，在熔池中形成了活性剂成分的偏聚，进而导致焊接接头的焊缝区中形成夹杂。

本对比例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，活性剂的成分与实施例1相比，不同之处仅在于：稀土氯化物含量为25％、氯化镉含量为15％；活性剂成分的组成和质量百分数为：15％氯化镉(CdCl

全部焊接工艺完成后，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊形成的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了53％。因熔深增大效果不明显而不满足实际应用的需求。

由于稀土氯化物本身沸点较高，不能较好的通过“电弧收缩”机理起到增大熔深的效果，活性剂中稀土氯化物含量过高时会减弱活性剂的使用效果。

本对比例所述活性剂生产方法和使用方法与实施例1基本相同，活性剂的成分与实施例1相比，不同之处仅在于：不加入氟锆酸钾、氯化镉含量为22％；活性剂成分的组成和质量百分数为：22％氯化镉(CdCl

全部焊接工艺完成后，与没有涂覆活性剂直接进行钨极氩弧焊形成的焊接接头相比，涂覆活性剂后的焊接接头的熔宽没有明显变化，熔深提高了104％。对活性焊接头区域进行取样测试，发现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67％，延伸率达铸件的80％，不满足服役的性能需求。

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。