一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置及其工艺方法.pdf

本发明公开了一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，包括按序分布并供焊接好的镁合金焊接接头依次通过的保温加热装置、主滚轮组和副滚轮组；保温加热装置用于对焊接好的镁合金焊接接头进行加热，主滚轮组和副滚轮组用于对加热好的镁合金焊接接头依次进行加压、使得镁合金焊接接头的焊缝余高依次经过至少两次碾压后被压平至焊缝与母材齐平。本发明采用热碾压形变方法来改善镁合金焊接接头的缺陷，提高接头强度和韧性，抗拉强度可达225MPa，比未采用热碾压变形的焊接接头提高36％；且细化焊缝组织，使焊缝边缘平直度增加、宽窄更为均匀，焊缝形状光洁圆滑、与母材平滑过渡，消除焊接接头应力集中现象，减弱或消除气孔、夹渣等缺陷。

1.  一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，其特征在于：包括按序分布并供焊接好的镁合金焊接接头依次通过的保温加热装置、主滚轮组和副滚轮组；所述保温加热装置用于对焊接好的镁合金焊接接头进行加热，所述主滚轮组和副滚轮组用于对加热好的镁合金焊接接头依次进行加压、使得镁合金焊接接头的焊缝余高依次经过至少两次碾压后被压平至焊缝与母材齐平。

2.  根据权利要求1所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，其特征在于：所述保温加热装置包括通过支架固定的上加热装置和下加热装置，以及处于上加热装置和下加热装置之间供焊接好的镁合金焊接接头通过的加热通道；
所述主滚轮组包括上主滚轮、下主滚轮、以及处于上主滚轮和下主滚轮之间供加热好的镁合金焊接接头通过的主滚通道；
所述副滚轮组包括上副滚轮、下副滚轮、以及处于上副滚轮和下副滚轮之间供经主滚通道碾压过的镁合金焊接接头通过的副滚通道；
所述加热通道的宽度为镁合金焊接接头焊缝宽度的3～6倍；所述主滚通道和副滚通道的宽度为镁合金焊接接头焊缝宽度的1.5～3倍。

3.  根据权利要求1所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，其特征在于：所述主滚轮组和副滚轮组均为2对，使得镁合金焊接接头的焊缝余高依次经过四次碾压后被压平。

4.  根据权利要求1所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，其特征在于：还包括给主滚轮组和副滚轮组施以压力的加压机构。

5.  根据权利要求2所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，其特征在于：所述上加热装置和下加热装置均为陶瓷加热板。

6.  根据权利要求2所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，其特征在于：所述支架为可调节支架、用于调节加热通道的高度。

7.  根据权利要求1所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的工艺方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
1)对母材镁合金薄板实施焊接而制备得镁合金焊接接头；
2)将焊接好的镁合金焊接接头通过保温加热装置进行加热，加热温度为300℃～450℃；
3)将加热好的镁合金焊接接头依次通过主滚轮组和副滚轮组进行加压碾压，而压平至焊缝与母材齐平，其中主滚轮组和副滚轮组的压力参数为150MPa～350MPa、热压速度为3～6mm/s。

8.  根据权利要求7所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的工艺方法，其特征在于：所述步骤1)采用钨级氩弧焊实施焊接，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度2.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99％。

9.  根据权利要求7所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的工艺方法，其特征在于：所述步骤1)的母材镁合金采用3mm厚的AZ31镁合金板，焊缝两侧各留2mm余高。

10.  根据权利要求9所述的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的工艺方法，其特征在于：所述步骤3)的主滚轮组和副滚轮组的压力参数分别为220MPa和180MPa。

一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置及其工艺方法
技术领域
本发明涉及一种热碾压形变装置及其工艺方法，特别是涉及一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置及其工艺方法，属于镁合金焊接工艺领域。
背景技术
焊接是镁合金产品制造的关键加工技术，但镁合金焊接性能不好，很难实现可靠连接。为此镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接，成为制约镁合金应用的技术瓶颈和亟待解决的关键技术之一。
镁合金焊接接头的可靠性已成为其应用的迫切问题，目前镁合金正在应用于众多承力结构件的制造，如汽车制造业中镁合金方向盘骨架、动力系统自动变速箱、油底、镁合金管材汽车底盘等。这些承力结构件的焊接接头强度、塑性及疲劳性能等问题是产品安全可靠性的最基本而又最重要的评价指标。
资料表明，在镁合金焊接结构的失效中，许多事故是由于焊接接头的断裂造成的。在实际工程应用中，许多焊接结构都是在交变的动载荷下服役的，此时如果仅仅考虑焊接接头的静载抗拉强度或屈服强度，那么焊接结构很容易在正常服役期间就发生失效断裂，引起较大的工程事故，所以在结构设计时必须充分考虑焊接接头在交变载荷下的疲劳强度性能，而对于镁合金焊接结构而言，疲劳断裂也是其失效的一种主要形式，由疲劳裂纹引起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的80％以上。
镁合金焊接结构在工程应用中会受到各种振动、脉动载荷或交变载荷的作用，这些载荷对其使用的安全性和工作寿命的威胁极大，会引起结构的疲劳裂纹形核和微裂纹扩展，特别是镁合金熔焊接头。由于焊接加工工艺本身的特点和镁合金自身的物理化学性能，导致镁合金焊接接头存在以下缺点：
①接头外形的不连续性，势必造成余高与母材的交界处有应力集中现象；
②接头组织的不连续性，镁合金接头的热影响区晶粒组织比焊缝和母材的组织粗大，整个接头的组织不均匀、不连续；
③由于焊缝金属的收缩性，在接头附近会产生残余应力，降低接头的力学 性能；
④接头有焊接缺陷，由于镁合金的化学性质活泼，焊接过程中不可避免的会有气孔、夹渣等焊接缺陷出现；
⑤接头外观不平整、不美观。
目前，已有研究采用了不同的焊接方法和手段来消除或减弱镁合金焊接接头的上述缺点，但是这些方法对上述问题的解决能力非常有限。由于镁合金具有高导热率、大膨胀系数、更低的熔点和沸点等特性，使得在镁合金焊缝及近缝区易产生过热组织且晶粒粗大，这种粗大晶粒会直接影响接头的力学性能；并且镁还能与空气中的氮气强烈化合形成脆性氮化物，会大幅降低接头的力学性能。
所以，在镁合金焊接技术中，解决其焊接接头强韧性，是确保镁合金焊接结构应用的一个必要条件。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置及其工艺方法，特别适用于镁合金焊接工艺领域。
本发明所要解决的技术问题是提供结构简单、布局紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，采用热碾压形变方法来改善镁合金焊接接头的缺陷，将接头压平，不仅消除外形的不连续性和应力集中现象，达到接头组织更加均匀；而且采用热压可以使收缩的焊缝金属获得延展，可以校正变形并调节内应力的分布，可以起到焊后局部热处理的效果，从而消除部分残余应力；同时可以减弱或消除气孔、夹渣等缺陷，实现外观平整美观，极具有产业上的利用价值。
本发明所要解决的另一技术问题是提供操作方便、简单易行、顺畅有序、实用高效的处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的工艺方法，采用热碾压形变方法大幅提高镁合金焊接接头强度及塑性的同时，改善接头疲劳性能，从而解决镁合金焊接结构件制造中焊接接头强度偏低、塑性较差的问题。本发明通过热碾压机械强制作用使得镁合金焊缝及热影响区组织发生塑性变形从而获得细晶粒接头组织的方法，与已有的其它细化组织方法如外加磁场法、超声波振荡法、变质处理法等相比在细化机理方面存在着本质的区别；已有的其它细 化组织方法主要基于在熔池结晶过程中引入外加能量或利用球化剂增大形核率来达到细化焊缝组织的目的，这些方法受焊缝凝固时间短、过程远离平衡等影响，很难保证充分的动力学过程，细化效果有限，且对热影响区的晶粒粗大无能为力。而本发明的工艺方法可以克服已有方法的不足，保证动力学过程充分进行、细化力度大、可靠性强、对焊缝及热影响区均有双重改善效果。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，包括按序分布并供焊接好的镁合金焊接接头依次通过的保温加热装置、主滚轮组和副滚轮组；所述保温加热装置用于对焊接好的镁合金焊接接头进行加热，所述主滚轮组和副滚轮组用于对加热好的镁合金焊接接头依次进行加压、使得镁合金焊接接头的焊缝余高依次经过至少两次碾压后被压平至焊缝与母材齐平。
本发明进一步设置为：所述保温加热装置包括通过支架固定的上加热装置和下加热装置，以及处于上加热装置和下加热装置之间供焊接好的镁合金焊接接头通过的加热通道；所述主滚轮组包括上主滚轮、下主滚轮、以及处于上主滚轮和下主滚轮之间供加热好的镁合金焊接接头通过的主滚通道；所述副滚轮组包括上副滚轮、下副滚轮、以及处于上副滚轮和下副滚轮之间供经主滚通道碾压过的镁合金焊接接头通过的副滚通道。
其中，所述加热通道的宽度为镁合金焊接接头焊缝宽度的3～6倍；所述主滚通道和副滚通道的宽度为镁合金焊接接头焊缝宽度的1.5～3倍。
本发明进一步设置为：所述主滚轮组和副滚轮组均为2对，使得镁合金焊接接头的焊缝余高依次经过四次碾压后被压平。
本发明进一步设置为：还包括给主滚轮组和副滚轮组施以压力的加压机构。
本发明进一步设置为：所述上加热装置和下加热装置均为陶瓷加热板。
本发明进一步设置为：所述支架为可调节支架、用于调节加热通道的高度。
本发明还提供一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的工艺方法，依次包括以下步骤：
1)对母材镁合金薄板实施焊接而制备得镁合金焊接接头；
2)将焊接好的镁合金焊接接头通过保温加热装置进行加热，加热温度为 300℃～450℃；
3)将加热好的镁合金焊接接头依次通过主滚轮组和副滚轮组进行加压碾压，而压平至焊缝与母材齐平，其中主滚轮组和副滚轮组的压力参数为150MPa～350MPa、热压速度为3～6mm/s。
进一步的，所述步骤1)采用钨级氩弧焊实施焊接，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度2.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99％。
进一步的，所述步骤1)的母材镁合金采用3mm厚的AZ31镁合金板，焊缝两侧各留2mm余高。
进一步的，所述步骤3)的主滚轮组和副滚轮组的压力参数分别为220MPa和180MPa。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
通过热碾压形变装置的设置，采用热碾压形变方法获得的镁合金焊接接头在强度、塑性进而接头疲劳性能方面明显优于已有的其它细化组织方法，使得镁合金焊接接头强度可实现等强连接、塑性指标等于或高于母材金属，具有充足的塑性储备进而可大幅度提高接头的疲劳寿命。而且本发明的热碾压形变装置及其工艺方法，不仅适用于熔焊接头力学性能的改善，而且还可扩展到摩擦焊、扩散焊、钎焊等多种热压连接接头的后续强韧化处理。
1、将镁合金焊接接头压平，可消除外形的不连续性和应力集中现象；本发明的压平与通过打磨去除余高有本质的区别，打磨是要去除一部分焊缝金属，从而降低了焊缝的强度，而压平则是在不减少焊缝金属的前提下，使余高向母材平缓过渡。
2、接头组织更加均匀，热压是在一定温度下进行的形变工艺，不仅改善焊缝组织，也可以改善热影响区组织。
3、采用热压可以使收缩的焊缝金属获得延展，可以校正变形并调节内应力的分布，同时可以起到焊后局部热处理的效果，从而消除部分残余应力。
4、热压形变可以减弱或消除气孔、夹渣等缺陷，以及使镁合金焊接接头外观平整美观。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手 段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置的结构示意图；
图2为经热碾压形变后试样(a)、(b)、(c)和(d)的镁合金焊接接头的焊缝金相组织显微图；
图3为经热碾压形变后试样(a)的镁合金焊接接头以及母材和焊态接头的拉伸试验数据。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，包括按序分布并供焊接好的镁合金焊接接头10依次通过的保温加热装置1、主滚轮组2和副滚轮组3；所述保温加热装置1用于对焊接好的镁合金焊接接头10进行加热，所述主滚轮组2和副滚轮组3用于对加热好的镁合金焊接接头10依次进行加压、使得镁合金焊接接头10的焊缝4余高40依次经过两次碾压后被压平至焊缝4与母材齐平。
所述保温加热装置1包括通过支架(图中未示出)固定的上加热装置11和下加热装置12，以及处于上加热装置11和下加热装置12之间供焊接好的镁合金焊接接头10通过的加热通道13；所述加热通道13的宽度为镁合金焊接接头10焊缝4宽度的3～6倍。所述上加热装置11和下加热装置12均为陶瓷加热板；所述支架可设为可调节支架、用于调节加热通道13的高度。
所述主滚轮组2包括上主滚轮21、下主滚轮22、以及处于上主滚轮21和下主滚轮22之间供加热好的镁合金焊接接头10通过的主滚通道；所述副滚轮组3包括上副滚轮31、下副滚轮32、以及处于上副滚轮31和下副滚轮32之间供经主滚通道碾压过的镁合金焊接接头10通过的副滚通道；所述主滚通道和副滚通道的宽度为镁合金焊接接头10焊缝4宽度的1.5～3倍。所述主滚轮组2和副滚轮组3通过施以压力的加压机构(图中未示出)对镁合金焊接接头10依次进行加压实现热碾压。
如图1所示的一种处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置进行实施热碾压的工艺方法，依次包括以下步骤：
1)对母材镁合金薄板实施焊接而制备得镁合金焊接接头；采用钨级氩弧焊实施焊接，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度2.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99％。
2)将焊接好的镁合金焊接接头通过保温加热装置进行加热，加热温度为300℃～450℃；
3)将加热好的镁合金焊接接头依次通过主滚轮组和副滚轮组进行加压碾压，而压平至焊缝与母材齐平，其中主滚轮组和副滚轮组的压力参数为150MPa～350MPa、热压速度为3～6mm/s。
以下是母材镁合金薄板采用3mm～4.5mm厚的AZ31镁合金板，焊缝两侧各留2mm余高进行热碾压的工艺方法详细实施例说明：
实施例1：
(1)原材料的选用
采用Mg-Al系AZ31镁合金板材作为试验用母材，试板尺寸为200mm×60mm×3.0mm，焊接材料选用与母材同质的AZ31镁合金焊丝，规格为φ3.0mm。镁合金母材的主要化学成分及力学性能见表1和表2。
表1：AZ31镁合金的化学成分(wt.％)

表2：AZ31镁合金的力学性能

(2)焊接方法及设备选取
用尺寸为200mm×60mm×3.0mm的2块板材组成1副对接焊试板。焊接试板开60°的V型坡口，根部间隙控制在3～4mm。用丙酮清除试板表面的油污，将焊接区域20-30mm以内用砂纸打磨至露出金属光泽，坡口面经刮削清除氧化膜，保证在焊接开始前的待焊区域没有污染物。采用钨级氩弧焊实施焊接，钨极端部用砂轮打磨成半球形，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度2.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99％；施焊时正面施焊2层，背面施焊1层，形成焊缝两侧各留2mm余高的双面焊 缝。
(3)使用热碾压装置
将焊接好的镁合金焊接接头通过保温加热装置进行加热，加热温度T＝350℃；再将加热好的镁合金焊接接头依次通过主滚轮组和副滚轮组进行加压碾压，其中主滚轮组和副滚轮组的压力参数分别为220MPa和180MPa、热压速度为5mm/s。
(4)热碾压结果
图2中(a)是按上述设备依次制备的试样，由图可以看出，焊缝区枝晶状铸造组织得到消除，晶粒呈现细小球状，焊缝组织得到明显细化，晶粒尺寸为10μm～20μm。热压形变打破了β-Mg₁₇Al₁₂相在晶界连续分布的状态，经重新固溶后以弥散质点的形式均匀地分布在晶内，抑制了焊缝晶粒的再长大，同时β相的含量比焊态接头焊缝区少，主要是由于Al含量的降低。热碾压形变过程中，发现动态再结晶现象，焊缝区出现亚晶，亚晶的轮廓清晰，位错分布均匀。
图3为母材、焊态接头与热碾压接头的拉伸试验数据。根据试验结果，热压接头的抗拉强度可达225MPa，无焊缝母材AZ31镁合金的抗拉强度实测结果为240MPa，说明焊接接头经热压处理后，抗拉强度已达到母材金属的94％。而焊态接头的抗拉强度通常在165MPa，仅有母材金属抗拉强度的60％～75％。因此可以认为焊后热压处理的接头强度已接近于母材金属的强度水平，热压处理对焊接接头强度具有明显的改善作用。从拉伸试验的伸长率来看，焊态接头的伸长率在6％～8％之间，而热压接头伸长率通常在9％～11％之间，与母材金属的18％～22％相比尽管还有一些差距，但热压对焊接接头塑性的改善作用是明显的。考虑到试验过程中焊缝余高控制得较低，因而焊接接头动态压缩塑性变形量也相应较小，塑性改性效果还未充分表现出来；而该问题可通过施焊时增大正、反两面的焊缝余高来增大压缩塑性变形量。
上述事实表明，AZ31镁合金TIG焊热碾压接头的各种力学性能指标均优于焊态接头，热压的高温动态塑性变形促进非平衡凝固焊接接头组织内部强化相的弥散析出及焊接接头过饱和合金元素均匀化扩散，使镁合金焊接接头的强度和塑性均优于焊态接头，接近母材性能。
实施例2：
采用与实施例1相同的材料和方法，试板尺寸为200mm×60mm×3.5mm，工艺参数为：加热温度T＝300℃，主滚轮组和副滚轮组的压力参数分别为350MPa和150MPa、热压速度为3mm/s。
如图2中(b)在300℃变形后，开始出现明显的孪晶现象，在某些原始晶粒的晶界上出现了非常细小的动态再结晶晶粒。此时可以看到这些晶粒被明显拉长，表明动态再结晶已开始发生。试样(b)的室温拉伸强度和塑性应变分别达到176MPa和7.8％。
实施例3：
采用与实施例1相同的材料和方法，试板尺寸为200mm×60mm×4.0mm，工艺参数为：加热温度T＝400℃，主滚轮组和副滚轮组的压力参数分别为150MPa和350MPa、热压速度为6mm/s。
如图2中(c)在400℃变形后，出现了明显的孪晶现象，但是也存在晶粒再结合和晶粒长大的现象，动态再结晶和晶粒长大并存。试样(c)的室温拉伸强度和塑性应变分别达到180.8MPa和8.3％。
实施例4：
采用与实施例1相同的材料和方法，试板尺寸为200mm×60mm×4.5mm，工艺参数为：加热温度T＝450℃，主滚轮组和副滚轮组的压力参数分别为350MPa和180MPa、热压速度为6mm/s。
如图2中(d)在450℃变形后，再结晶晶粒增多，许多相邻的晶粒发生合并现象。试样(d)的室温拉伸强度和塑性应变分别达到210MPa和8.1％。
本发明的创新点在于，提供结构简单、布局紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的处理镁合金焊接接头的热碾压形变装置，采用热碾压形变方法来改善镁合金焊接接头的缺陷，提高接头强度和韧性，抗拉强度可达225MPa，比未采用热碾压变形的焊接接头提高36％(焊态接头165MPa)；且细化焊缝组织，使焊缝边缘平直度增加、宽窄更为均匀，焊缝形状光洁圆滑、与母材平滑过渡，消除焊接接头应力集中现象，减弱或消除气孔、夹渣等缺陷。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。