[發(fā)明專利]一種鎂稀土合金補(bǔ)焊焊絲及其制備和補(bǔ)焊方法

有效

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• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113145982B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張國慶;吳國華;童鑫;張亮;張小龍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/16;B23K35/28;B23K35/40;C21D1/26;C21D9/50;C22C1/03;C22C23/06;C22F1/06
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開了一種鎂稀土合金補(bǔ)焊焊絲及其制備和補(bǔ)焊方法，該焊絲包括以下質(zhì)量百分含量的各化學(xué)元素組成：15.0?25.0％稀土元素、3.0?5.0％鋅或銅或鎳、0.5?1.0％鋯和余量的鎂。通過熔煉、擠壓、拉拔及表面處理工藝后可獲得焊絲。使用本焊絲完成補(bǔ)焊后，首先將補(bǔ)焊接頭在低溫下進(jìn)行退火處理獲得高熱穩(wěn)定性的LPSO相，隨后進(jìn)行常規(guī)的固溶及人工時(shí)效處理。本發(fā)明能夠抑制鎂稀土合金補(bǔ)焊焊縫在焊后高溫固溶處理過程中的晶粒異常粗化，有利于提高補(bǔ)焊區(qū)域的力學(xué)性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是一種鎂稀土合金補(bǔ)焊焊絲及其制備和補(bǔ)焊方法。具體的說，在保證焊后熱處理?xiàng)l件不變的前提下，通過該焊絲的使用能夠抑制接頭焊縫處晶粒異常粗化的現(xiàn)象。

背景技術(shù)

由于鎂稀土合金密度低、比強(qiáng)度比剛度高、耐熱性能好、電磁屏蔽能力強(qiáng)，由鎂稀土合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)彈艙體、衛(wèi)星支架等結(jié)構(gòu)件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工等領(lǐng)域，為關(guān)鍵裝備輕量化做出了重要貢獻(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)中，鎂稀土合金的大型復(fù)雜件主要是通過砂型鑄造工藝生產(chǎn)，但由于稀土元素化學(xué)活性強(qiáng)及砂型鑄造工藝的本征不足，鎂稀土合金砂鑄件中極易出現(xiàn)氧化夾雜、夾砂、氣孔、裂紋等鑄造缺陷。這些含有缺陷的鑄件必須通過補(bǔ)焊修復(fù)以提高成品率、降低生產(chǎn)成本。

鎢極氬弧焊(TIG焊)運(yùn)行成本和設(shè)備成本低，關(guān)鍵是TIG焊可以手工操作因而對弧面、內(nèi)腔等狹窄、復(fù)雜的部位進(jìn)行修復(fù)時(shí)具有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢。而鎂稀土合金的TIG補(bǔ)焊也存在一些問題。由于TIG焊接熱輸入大，接頭熔合線附近的晶粒在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生粗化，在晶界處形成的連續(xù)粗大的共晶組織通常會(huì)降低修復(fù)區(qū)域的塑韌性，因此熱影響區(qū)是TIG補(bǔ)焊接頭中最為薄弱的區(qū)域，必須通過焊后熱處理消除該共晶組織并強(qiáng)化補(bǔ)焊接頭。在焊后熱處理中，一方面需要通過焊后高溫固溶處理使熱影響區(qū)中粗大的共晶組織回溶；另一方面通過固溶后的時(shí)效處理使補(bǔ)焊接頭中析出彌散而細(xì)小的強(qiáng)化相而進(jìn)一步提高接頭力學(xué)性能。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，熱處理對WE43合金組織及力學(xué)性能的影響(《中國鑄造裝備與技術(shù)》2013；04：pp 36-39)中記載了對商用化程度最高的WE43鎂合金的熱處理工藝研究，由于該合金中共晶組織的熔點(diǎn)及含量很高，在進(jìn)行固溶處理時(shí)共晶組織需要在520℃下長時(shí)保溫才能完全溶解。然而，相對于常規(guī)的對焊、T型等焊接接頭形式而言，補(bǔ)焊區(qū)域面積小、熔池體積小而導(dǎo)致冷卻速度極快，因此在凝固過程中因熔池體積強(qiáng)烈收縮而導(dǎo)致補(bǔ)焊區(qū)殘余應(yīng)力非常大。若在焊后直接采用傳統(tǒng)的高溫固溶處理，補(bǔ)焊區(qū)將在高溫下釋放大量的殘余應(yīng)力并發(fā)生嚴(yán)重的晶粒異常長大，粗化后的晶粒尺寸達(dá)到毫米級別，如圖1所示，這反而會(huì)造成補(bǔ)焊接頭力學(xué)性能迅速下降。因此，對鎂稀土合金補(bǔ)焊接頭進(jìn)行常規(guī)熱處理操作是不可行的，其主要原因是鎂稀土合金TIG補(bǔ)焊接頭補(bǔ)焊區(qū)域存在大量的焊后殘余應(yīng)力，其組織熱穩(wěn)定性較差。

為了能夠改善解決上述鎂稀土合金補(bǔ)焊接頭在熱處理過程中異常粗化的難題，經(jīng)專利檢索發(fā)現(xiàn)，CN107486649A公開了一種稀土鎂合金焊絲材料及其制備方法，該發(fā)明的焊絲選用釔和鋅作為合金化元素，當(dāng)這兩種元素作為合金化元素的時(shí)候，鎂稀土合金具備形成一種長周期有序相(LPSO相)的條件，而這種相的存在能夠大幅強(qiáng)化補(bǔ)焊接頭的熱穩(wěn)定性。但該發(fā)明的焊絲中存在幾個(gè)問題：一是LPSO相的形成對稀土和非稀土元素的成分比例具有嚴(yán)格的要求，然而該發(fā)明的焊絲中釔和鋅元素的含量較低，且在補(bǔ)焊過程中由于母材對焊絲的稀釋作用以及在高溫電弧作用下稀土元素會(huì)發(fā)生損耗，導(dǎo)致高溫熔池中釔及鋅元素的成分比例不足以形成均勻彌散分布的LPSO相；二是LPSO相的本質(zhì)是一種堆垛層錯(cuò)，其一般需要在較緩慢的冷卻速度下才能形成，而補(bǔ)焊過程的冷卻速度極快，LPSO相根本無法在這種快冷條件下生成。因此，采用上述焊絲補(bǔ)焊鎂稀土合金砂鑄件以避免熱處理過程發(fā)生晶粒異常粗化的工程適用性不高。

綜上所述，如何對鎂稀土合金的TIG焊接頭進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，并避免補(bǔ)焊區(qū)域晶粒發(fā)生異常粗化是一個(gè)急需解決的難題，其主要原因是鎂稀土合金接頭補(bǔ)焊區(qū)域的熱穩(wěn)定性較差。因此，通過調(diào)整補(bǔ)焊焊絲的成分使其具備形成高熱穩(wěn)定性LPSO相的條件，并在焊后高溫固溶處理過程之前設(shè)置一道低溫退火工藝以預(yù)先形成LPSO相來抑制晶粒的異常粗化問題具有十分重要的意義。