本發(fā)明屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是異種金屬的焊接方法，特別涉及到鍍層輔助調(diào)控的焊接材料的制備。

背景技術(shù)：

鎂及其合金因具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高等特點(diǎn)被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程材料。鋼是目前工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料。若能實(shí)現(xiàn)鎂合金和鋼的可靠連接，將充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)輕量化在工業(yè)生產(chǎn)中的進(jìn)程。

鎂合金和鋼在物理性能和化學(xué)性能等方面存在巨大差異。鎂合金的沸點(diǎn)（1100℃）遠(yuǎn)低于鋼的熔點(diǎn)（1515℃），并且鎂合金的熔點(diǎn)僅為660℃，這就導(dǎo)致在焊接過程中，鎂合金已經(jīng)燒損蒸發(fā)而鋼還沒有達(dá)到熔化狀態(tài)。并且鎂和鋼的熱導(dǎo)率相差4倍，熱膨脹系數(shù)相差2倍，這些也都會(huì)導(dǎo)致在接頭界面處產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。此外，根據(jù)Mg-Fe二元相圖可知，在1000 ℃以下Fe在Mg中的固溶度僅為0.00041%，Mg在Fe中幾乎為0。因此兩者既不互溶也不發(fā)生冶金反應(yīng)形成金屬間化合物。因此，對(duì)于鎂合金和鋼連接的關(guān)鍵是通過添加合金元素使其在界面處產(chǎn)生金屬間化合物，使接頭出現(xiàn)冶金結(jié)合。

基于鎂/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)，目前國內(nèi)外學(xué)者在鎂/鋼異種金屬連接方面開展大量的研究工作，但尚存在以下不足：由于Mg、Fe之間熔沸點(diǎn)相差較大，熱輸入較大將導(dǎo)致鎂合金嚴(yán)重的燒損蒸發(fā)，使焊縫難以成形；由于Mg、Fe之間既不互溶也不反應(yīng)，通過在兩者間添加夾層（鎳夾層、銅夾層、錫夾層），使鎂/鋼接頭產(chǎn)生冶金結(jié)合，但是由于夾層的厚度難以靈活控制，以及由于夾層的存在對(duì)于裝配精度要求較高，使得接頭在界面處的化合物難以得到有效調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鍍層輔助調(diào)控的鎂和鋼異種材料激光熔釬焊方法，通過在鋼表面預(yù)先電鍍鎳，從而改善鎂合金熔滴在鋼表面的潤濕性，使焊接過程穩(wěn)定，得到良好的焊縫成形，使焊接接頭在界面處產(chǎn)生冶金結(jié)合，提高接頭力學(xué)性能。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種鍍層輔助調(diào)控的鎂和鋼異種材料激光熔釬焊方法，包括以下步驟：

1）板材的選擇與處理：選擇厚度為1.5mmQ235鋼板，用顆粒度為360的碳化硅砂紙打磨鋼板去除其表面氧化物，之后在丙酮中用超聲波清洗機(jī)去脂去污。選用厚度為1mm的AZ31鎂合金作為鎂板，用絞磨機(jī)對(duì)鎂合金板材表面及側(cè)壁進(jìn)行打磨，去除其表面存在的氧化膜。

2）鋼板鍍鎳操作：電鍍鎳所采用的電鍍液組成為：硫酸鎳180-220g/L，氯化鈉8-10g/L，硼酸28-36g/L，無水硫酸鈉60-80g/L，硫酸鎂50-80g/L。電鍍鎳工藝參數(shù)可以為：陰極電流密度0.8-1.2(A/dm2)，鍍液PH在5.0-5.5，鍍液溫度為30-35℃。其中，電鍍鎳層的鍍層厚度為4-40μm，電鍍鎳層的電鍍時(shí)間為30-180min。

3）焊絲的制備：按Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%-10%，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%-5%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%-0.5%，余量為Mg的形式進(jìn)行熔煉，而后進(jìn)行拉拔、冷卻。選取較優(yōu)參數(shù)為：按Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，余量為Mg的形式進(jìn)行熔煉，而后進(jìn)行拉拔、冷卻，通過不同拉拔工藝，可得到直徑為1.6mm的焊絲。

4）焊接操作：采用激光熔釬焊的方法。采用鎂板置于上部，鍍鎳鋼板在下的搭接接頭形式，搭接寬度L為15mm-20mm。激光功率為1000W-3000W，焊接速度為0.3m/min-0.7m/min，送絲速度為焊接速度的4-6倍。送絲裝置的位置與角度是使焊絲與工件的夾角為15°-45°，送絲位置是沿焊接方向前側(cè)，即為前送絲方式，焊絲位置對(duì)應(yīng)于激光束中心。保護(hù)氣為氬氣、氦氣、中的任一種或者氬氣和氦氣所組成的混合氣體，保護(hù)氣流量為10L/min-20L/min，保護(hù)氣與激光束成45°對(duì)焊縫進(jìn)行側(cè)吹保護(hù)。激光束離焦量為+15mm至+30mm。激光束中心垂直照射于鎂合金邊緣位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，向鎂合金方向靠近為+，向相反方向靠近為-，本發(fā)明中激光束位置為-1mm至+2mm。

進(jìn)一步，本發(fā)明采用的激光束為光纖激光束，CO2氣體激光束，YAG固體激光束，半導(dǎo)體激光束中的任一種。

進(jìn)一步，本發(fā)明中步驟2）中電鍍鎳層的鍍層厚度為4-40μm，電鍍鎳層的電鍍時(shí)間為30-180min。

進(jìn)一步，本發(fā)明中步驟（3）中使用的焊絲直徑為1.6mm。

利用激光加熱熔化鎂合金焊絲及鎂合金工件形成熔池，而鋼板在焊接在焊接過程中基本保持固態(tài)。由于鋼表面鍍層的存在，在焊接時(shí)，金屬熔滴易于在鋼表面潤濕鋪展，并且鎳元素的添加，使焊縫產(chǎn)生合金化，可得到成形良好的焊縫。

當(dāng)采用鍍鎳鋼進(jìn)行焊接時(shí)，接頭界面處有(α-Mg+Mg₂Ni)共晶組織、Mg₂Ni化合物以及Mg-Al-Ni三元化合物等產(chǎn)生，并且Al、Ni原子在與鋼接觸的一側(cè)形成Al、Ni與Fe的固溶體，因此接頭界面處產(chǎn)生冶金結(jié)合。

由于鍍鎳層的存在，使鎂/鋼界面處產(chǎn)生冶金結(jié)合，明顯提高了焊接接頭的力學(xué)性能。接頭受拉剪后斷裂于焊縫處，界面不再是接頭的脆弱部位，接頭抗拉剪力可以達(dá)到鎂合金母材的80%以上，能夠滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用需求，可實(shí)現(xiàn)鎂/鋼異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)件應(yīng)用于汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域。

本發(fā)明效果可以歸納為：

1. 利用激光熔釬焊的優(yōu)勢(shì)，通過控制熱輸入，添加鎂合金焊絲，大大減少了焊縫中鎂合金的燒損蒸發(fā)，使熔焊一側(cè)形成良好連接，將鎂/鋼連接的關(guān)鍵控制在釬焊?jìng)?cè)的界面處；

2. 通過在鋼表面電鍍鎳，使得焊接過程中，熔滴易于潤濕鋪展，焊接過程更加穩(wěn)定可靠；

3. 鎳元素的添加使原本不發(fā)生反應(yīng)的鎂/鋼界面處有化合物以及反應(yīng)層的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了鎂/鋼接頭的冶金結(jié)合；

4. 通過控制電鍍工藝，可在鋼表面產(chǎn)生不同厚度范圍的鎳鍍層，擴(kuò)展了該類型焊接材料在科研以及生產(chǎn)方面的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)Mg/Fe等非互溶、不反應(yīng)金屬材料的高效焊接生產(chǎn)提供了一種手段。

附圖說明

圖1為電鍍過程示意圖。

圖2為鎂合金與鍍鎳鋼激光熔釬焊焊接方法示意圖。

圖3為鎂合金與鍍鎳鋼焊接接頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為鍍鎳鋼截面SEM圖像。

圖5為鍍鎳鋼截面SEM圖像。

圖6為鍍鎳鋼截面SEM圖像。

圖7為鎂/無鍍層鋼接頭界面處SEM圖像。

圖8為鎂/鍍鎳鋼（鍍層厚度為4μm）接頭界面處SEM圖像。

圖9為鎂/鍍鎳鋼（鍍層厚度為20μm）接頭界面處SEM圖像。

圖10為鎂/鍍鎳鋼（鍍層厚度為40μm）接頭界面處SEM圖像。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1中1為Q235鋼，2為陽極材料（純度為99.9%的鎳板），3為電鍍液（鍍鎳電鍍液）；

圖2中4為鎂合金，5為鍍鎳鋼，6為焊縫，7為激光束，8為焊絲；

圖3中9為鎂合金，10為Q235鋼，11為激光束，L為搭接寬度，激光束中心垂直照射于鎂合金邊緣位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，向鎂合金方向靠近為+，向相反方向靠近為-，本發(fā)明中激光束位置為-1mm至+2mm；

圖4中12為Q235鋼，13為鍍層厚度為4μm的鎳鍍層；

圖5中14為鍍層厚度為20μm的鎳鍍層，15為Q235鋼；

圖6中16為鍍層厚度為40μm的鎳鍍層，17為Q235鋼；

圖7中18為Q235鋼，19為Mg₁₇Al₁₂，20為α-Mg；

圖8中21為Q235鋼，22為Mg-Al-Ni三元化合物；

圖9中23為Q235鋼，24為(α-Mg+Mg₂Ni)共晶組織，25為Mg-Al-Ni三元化合物；

圖10中26為Q235鋼，27為Mg-Al-Ni三元化合物，28為(α-Mg+Mg₂Ni)共晶組織，29為Mg₂Ni化合物。

實(shí)施例1：

步驟1：板材的選擇與處理。選擇1.5mm厚Q235鋼板，尺寸為50mm×100mm。用顆粒度為360的碳化硅砂紙打磨鋼板去除其表面氧化物，之后在丙酮中用超聲波清洗機(jī)去脂去污。選擇1mm厚AZ31鎂合金，尺寸為50mm×100mm。焊前用絞磨機(jī)對(duì)鎂合金板材表面及側(cè)壁進(jìn)行打磨，去除其表面存在的氧化膜。

步驟2：鋼板鍍鎳操作。電鍍鎳所采用的電鍍液組成為：硫酸鎳200g/L，氯化鈉9g/L，硼酸32g/L，無水硫酸鈉70g/L，硫酸鎂65g/L。電鍍鎳工藝參數(shù)可以為：陰極電流密度1(A/dm2)，鍍液PH為5.5，鍍液溫度為35℃。選擇純度為99.9%的純鎳板作為陽極，選擇表面清理干凈的Q235鋼作為陰極，如圖1所示，通過對(duì)鋼所浸入電鍍液的面積進(jìn)行記錄，結(jié)合電鍍工藝參數(shù)，計(jì)算出陰極電流為0.6A。電鍍時(shí)間為30min，可得到鋼表面鎳鍍層厚度為4μm，鍍鎳鋼截面SEM圖像如圖4所示。

步驟3：制備焊絲。按Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，余量為Mg的形式進(jìn)行熔煉，而后進(jìn)行拉拔、冷卻，通過不同拉拔工藝，可得到直徑為1.6mm的焊絲。

步驟4：焊接方案。采用鎂板置于上部，鍍鎳鋼板在下的搭接接頭形式，搭接寬度L為15mm。激光功率為2000W，焊接速度為0.5m/min，送絲速度為焊接速度的5倍。送絲裝置的位置與角度是使焊絲與工件的夾角為45°，送絲位置是沿焊接方向前側(cè)，即為前送絲方式，焊絲位置對(duì)應(yīng)于激光束中心。保護(hù)氣為純Ar氣，保護(hù)氣流量為15L/min，保護(hù)氣與激光束成45°對(duì)焊縫進(jìn)行側(cè)吹保護(hù)。

圖2為鎂合金與鍍鎳鋼激光熔釬焊焊接方法示意圖，采用光纖激光器，激光束離焦量為+20mm。

鎂合金與鍍鎳鋼焊接接頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，圖中L為搭接寬度，激光束中心垂直照射于鎂合金邊緣位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，向鎂合金方向靠近為+，向相反方向靠近為-，選取激光束位置為原點(diǎn)處。

步驟5：接頭界面處物相鑒定。在沒有添加鍍層的情況下，鎂/鋼接頭界面處無化合物產(chǎn)生，如圖7所示。對(duì)本實(shí)驗(yàn)得到的焊接接頭界面處進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)在鎂/鍍鎳鋼接頭界面處有含鎳化合物的產(chǎn)生，如圖8所示。這表明通過鎳元素的添加，使接頭界面處發(fā)生了一定的冶金結(jié)合。

步驟6：力學(xué)性能測(cè)試。對(duì)本實(shí)驗(yàn)得到的焊接接頭進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，接頭斷裂于鎂合金焊縫處，接頭的平均抗拉剪力為180N/mm，可以達(dá)到鎂合金母材抗拉剪力的70%。

實(shí)施例2：

本實(shí)施方式與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是：步驟2鍍鎳操作：電鍍時(shí)間為120min，可得到鋼表面鎳鍍層厚度為20μm（微米），鍍鎳鋼截面SEM圖像如圖5所示，步驟5中鎂/鍍鎳鋼接頭界面處SEM圖像如圖9所示，步驟6中得到的接頭平均抗拉剪力可以達(dá)到220N/mm，為鎂合金母材抗拉剪力的85%。其他與具體實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3：

本實(shí)施方式與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是：步驟2鍍鎳操作：電鍍時(shí)間為180min，可得到鋼表面鎳鍍層厚度為40μm，鍍鎳鋼截面SEM圖像如圖6所示，驟5中鎂/鍍鎳鋼接頭界面處SEM圖像如圖10所示，步驟6中得到的接頭平均抗拉剪力為195N/mm，是鎂合金母材抗拉剪力的72%。其他與具體實(shí)施例1相同。

實(shí)施例4：

本實(shí)施方式與實(shí)施例1的不同點(diǎn)在于：步驟4中所述的激光束分別為CO2氣體激光束，YAG固體激光束或者半導(dǎo)體激光束。其他與實(shí)施例1相同。