專利號：CN201110459566.7
發(fā)明單位：大連理工大學
一、技術領域
本發(fā)明涉及焊接材料，尤其涉及一種鎂合金焊接材料及其制備工藝。
二、背景技術
鎂合金是目前工業(yè)制造領域應用的最輕的結構材料之一。近年來，新型鎂合金的不斷涌現(xiàn)，鎂合金在汽車、飛機、3C 電子產(chǎn)品領域得到良好應用。隨著鎂合金應用的擴大，焊接技術作為鎂合金應用加工的關鍵技術也得到相應的發(fā)展，對鎂合金焊接材料的需求也相應增大。目前針對鎂合金焊接材料的研究和開發(fā)開展相應較少，主要包括：日本電器公司生產(chǎn)的一般AZ31 和AZ61 鎂合金焊接材料。大連理工大學圍繞鎂合金焊接材料的制備技術開展研究，開發(fā)了出鎂合金焊絲擠壓拉拔制造工藝，鎂合金絲連續(xù)擠壓方法( 見中國專利申請03111456.3)，鎂合金絲的擴散連接連續(xù)擠壓方法( 見中國專利申請200710157874.8)，制備出多種AZ 系列鎂合金焊接材料，實現(xiàn)了鎂合金的良好連接。
哈爾濱工業(yè)大學開展了AZ31 鎂合金焊絲制備及性能研究，改善了鎂合金焊絲的性( 見哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，徐奔，AZ31 鎂合金絲材拉拔工藝的研究，2006)。西安理工大學開展的AZ91D 鎂合金焊絲制備及組織性能研究，采用其制備的焊絲實現(xiàn)了AZ91D 鎂合金的TIG 焊接，焊接接頭性能良好( 見西安理工大學碩士學位論文，王冰，熱擠壓法制備鎂合金焊絲及其焊接接頭分析，2007)。太原理工大學開發(fā)的一種高強度鎂合金焊絲的制備方法( 見中國專利200810054925.9)，其開發(fā)的鎂合金焊絲強度可以達到330Mpa。吉林大學開發(fā)的一種高抗熱裂性能鎂合金焊絲( 見中國專利申請2009100671611)，能夠有效的降低鎂合金焊接過程的熱裂傾向。上述關于鎂合金焊絲組織、性能及制備方法的研究主要集中于改善鎂合金焊絲自身的結構特征，優(yōu)化鎂合金焊接接頭性能方面;而對于鎂合金焊接材料的沸點低，焊接過程易蒸發(fā)、燃燒形成大量焊接煙塵產(chǎn)生高焊接污染等問題均未觸及。
眾所周知，由于鎂合金自身具有的熔沸點較低之特點( 熔點：640 ～ 660℃，沸點：1100 ～ 1150℃ )，在焊接過程中發(fā)生劇烈的蒸發(fā)、燃燒現(xiàn)象，并形成大量焊接煙塵和有害氣體，不僅浪費了大量的鎂合金焊接材料，還形成了顯著的焊接污染，同時對焊接工作者的身體健康形成了顯著危害。鑒于此，亟需針對鎂合金焊接過程存在的高污染問題，開發(fā)新型鎂合金焊接材料。
三、發(fā)明內容
鑒于現(xiàn)有技術所存在的上述問題，本發(fā)明旨在提供一種低污染、高強度、制備工藝簡單、成本低的鎂合金焊接材料及其制備工藝。通過對鎂合金材料的成分優(yōu)化，提高鎂合金沸點，控制鎂合金在焊接過程的蒸發(fā)、燃燒，進而實現(xiàn)鎂合金的低污染焊接，同時提高焊接效率。
四、本發(fā)明的技術解決方案是這樣實現(xiàn)的：
一種低污染鎂合金焊接材料，其特征在于，其化學成分按質量百分數(shù)計：
Zn，5.5-6.5% ;
Nd，0.1-0.8% ;
Ca，0.20-1.0% ;
Mn，0.1-0.9% ;
Al，0.1 ～ 0.4% ;
Mg，90.0-93.5%
金屬雜質，包括Cu、Ni、Fe、Si，少量。本發(fā)明中利用Zn 元素及稀土元素的復合作用形成具有團簇特征的Mg-Zn 結構，通過添加稀土元素形成具有最高穩(wěn)定性的Mg-Nd 及Mg-Zn-Nd 等高熔點金屬間化合物，提高鎂合金的熔沸點;利用稀土元素的細化晶粒和凈化晶界的作用提高鎂合金焊接材料的強度;同時添加Mn 元素作為活性元素，提高焊接材料的可焊性;添加堿性的Ca 元素來提高鎂合金的抗燃燒能力，進一步提高鎂合金沸點，使其在焊接過程中的蒸發(fā)和燃燒速度明顯降低，獲得較低的焊接發(fā)塵速率，減少焊接污染，同時提高熔敷效率。所述鎂合金焊接材料的制備工藝，包括如下步驟：
(1) 熔煉鑄造：以Mg-Zn 合金(Zn 含量5.5% -6.5% ) 鑄錠為基本成分，經(jīng)特殊的熔煉方法，去除其中的有害雜質，并適當?shù)奶砑酉⊥菱S、鈣等元素，根據(jù)實際被焊對象調整鋁元素的含量，然后鑄造成錠。鎂合金鑄錠成分為( 質量百分數(shù))，Zn5.25% -6.30%、Nd0.1% -0.8%、Ca0.20-1.0%、Mn0.1% -0.9%、Al0.1%～ 0.4%以及含有少量金屬雜質(Cu、Ni、Fe、Si)，其余為Mg。
(2) 均勻化處理：以經(jīng)過(1) 熔煉鑄造的鎂合金鑄錠為對象進行均勻化處理，處理的條件為300℃ -450℃，保溫6-20 小時。
(3) 熱擠壓- 拉拔：按照熱擠壓焊絲的要求，對經(jīng)過(2) 均勻化處理的高性能鎂合金鑄錠進行機械加工，去除表面的氧化皮，獲得直徑為60mm-100mm 的圓柱形鎂合金棒材;將焊絲在擠壓腔內預熱至400℃ -500℃，然后采用不小于100 的大擠壓比以熱擠壓方式將鑄錠制備成焊絲，預制的焊絲直徑為2.2mm-3.0mm ;采用大擠壓比可以有效的細化焊接材料的晶粒，提高焊接材料強度;采用直徑為0.8-1.0m 的盤絲架進行盤絲，并直接利用焊絲本身的余熱，將擠壓獲得鎂合金焊絲直接通過一個加熱爐在350-500℃保溫;然后根據(jù)實際的使用需求將對鎂合金焊絲進行多道拉拔：制備出直徑為2.0mm、1.6mm、1.2mm 等多種不同規(guī)格的低污染鎂合金焊接材料。采用熱差分析方法對材料的相關性能進行測定，所述材料的沸點可以達到1440℃以上，焊接過程發(fā)塵速率4.5-5.5mg/s，采用該焊接材料焊接過程接熔敷效率達到80%以上。
五、本發(fā)明具有的以下顯著的特點：
本發(fā)明提出了一種鋅含量較高的鎂合金焊接材料及其制備工藝，采用金屬熔體凈化、細晶強化、均勻化處理、大擠壓比加工強化以及活性元素添加等綜合技術，通過添加Ca、Mn、Nd 等微量元素，從而制得鋅含量較高的低污染鎂合金焊接材料。本發(fā)明具有低污染而且強度高、制備工藝簡單、成本低的優(yōu)點。通過提高鎂合金材料的沸點，顯著的減少了焊接過程中由于鎂合金焊接材料劇烈蒸發(fā)、燃燒形成的焊接煙塵和有害氣體，大大降低了鎂合金焊接制造過程對焊接操作者身體健康的威脅，本發(fā)明提出的低污染鎂合金焊接材料較一般鎂合金焊接材料焊接煙塵減少50%上，焊接熔敷效率大于80%。