一種AZ系鎂合金焊接材料及其焊接控制方法與流程

本申請涉及焊接材料領(lǐng)域，具體涉及一種AZ系鎂合金焊接材料及其焊接控制方法。

背景技術(shù)：

鎂合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和電磁屏蔽性以及易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車和電子制造領(lǐng)域，鎂合金材料的應(yīng)用不僅由鎂金屬本身的物理性質(zhì)決定，也依賴于其成形技術(shù)的發(fā)展。焊接是鎂合金連接中主要的成形技術(shù)。近年來，隨著鎂合金耐腐蝕性和抗蠕變等性能的改善及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，鎂合金焊接技術(shù)已成為全球焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

鎂合金焊接過程中，熔池表面極易形成氧化膜，焊接接頭易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，難以獲得質(zhì)量可靠的接頭，已成為制約鎂合金廣泛應(yīng)用的主要問題之一。因此，系統(tǒng)地研究鎂合金焊接工藝參數(shù)以及焊前和焊后熱處理對焊接接頭組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

鎂位于元素周期表的第3周期第2族，屬于活潑金屬，通常以化合物的形式存在于自然界。鎂在20℃時(shí)的密度為1.74g/cm3，體積相同時(shí)，質(zhì)量約為鋼的1/4，為鋁的2/3，是常用結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬。雖然純鎂有很多優(yōu)點(diǎn)，但其力學(xué)性能較差，不能直接用作結(jié)構(gòu)材料，因此通常以合金的形式使用。鎂的合金化是實(shí)際應(yīng)用中最有效的強(qiáng)化途徑，即向鎂中加入一些合金元素(如Al、Zn、Mn和RE)后，通過固溶和時(shí)效處理來改善鎂的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，得到高強(qiáng)度的鎂合金。一般來說，鎂合金具有以下特點(diǎn)：密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好、電磁屏蔽性好、易于回收利用。

鎂合金中，Mg-Al-Zn系合金(AZ系列)中兼有鑄造鎂合金和變形鎂合金的特點(diǎn)，可用于制造形狀復(fù)雜的薄壁件，是目前應(yīng)用較廣泛的鎂合金。但是，鎂合金具有密度和熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱率、電導(dǎo)性和熱膨脹系數(shù)大，易氧化以及氧化物的熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，使鎂合金在焊接過程中容易出現(xiàn)很多問題。因此精準(zhǔn)的控制焊接的速度成了一個(gè)重要的研究課題。

基于此，本申請?zhí)岢隽艘环N易于控制的AZ系鎂合金焊接材料及其焊接控制方法，其通過鎂合金焊接材料的配比選擇獲得了一種易于受控的焊接材料或者說焊絲，巧妙的通過復(fù)合式焊接的激光對焦控制和電弧電流、焊接件移動速度的控制，獲得非常高的焊接體驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明一方面提供了一種AZ系鎂合金焊接材料，所述焊接材料的成分按重量百分比計(jì)：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量為Mg。

更進(jìn)一步的，所述焊接材料加工為焊絲，其直徑為1.5mm。應(yīng)用該發(fā)明的焊絲可使焊縫組織具有較高的熱穩(wěn)定性、抗熱裂性能有較大程度的增強(qiáng)、焊接接頭強(qiáng)韌性能優(yōu)良，較好的克服了現(xiàn)有焊絲焊接接頭強(qiáng)度不夠的不足。并且本發(fā)明所述焊絲的成分不復(fù)雜，添加的稀土元素種類不多，而且其用量一般，生產(chǎn)成本較低，其在制備過程中的揮發(fā)氧化燒損現(xiàn)象極少。

本發(fā)明另一方面提供了一種AZ系鎂合金焊接材料的焊接控制方法，其用于所述的焊接材料，其包括使用主控制器、激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部、高速攝像機(jī)和焊接對象控制部，其特征在于，所述主控制器分別連接控制激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部和焊接對象控制部；

所述高速攝像機(jī)對焊接部位進(jìn)行拍攝并反饋給所述主控制器；

所述激光控制器根據(jù)主控制器的命令控制激光振蕩器的輸出，所述激光振蕩器發(fā)出激光束并通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸至焊接對象；

所述喂絲控制部根據(jù)主控制器的命令將所述焊絲勻速位移至焊接部位；

所述電弧控制部根據(jù)主控制器的命令控制所述焊絲與被焊接部位之間的電弧電流，

所述焊接對象控制部根據(jù)所述主控制器的命令控制所述焊接對象位移。

更進(jìn)一步的，激光振蕩器向焊接部位發(fā)出2個(gè)或者3個(gè)激光束，所述2個(gè)或者3個(gè)激光束以一定的角度射向焊接對象，并在焊接對象表面聚合或者說匯合。

更進(jìn)一步的，所述主控制器具備存儲部和比較部，所述高速攝像機(jī)拍攝焊接部位的圖像并發(fā)送至主控制器，所述主控制器對所述圖像進(jìn)行分析處理，得到激光光斑的面積和熔餅的面積，并將所述激光光斑的面積和熔餅的面積與預(yù)存的光斑閾值和熔餅閾值進(jìn)行比較，其中所述熔餅指焊絲熔融成液態(tài)后在焊接對象表面形成的餅。

更進(jìn)一步的，所述主控制器根據(jù)所述激光光斑的面積與光斑閾值的比較結(jié)果調(diào)整所述激光振蕩器連接的光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，直至所述激光光斑的面積小于所述光斑閾值。

更進(jìn)一步的，所述熔餅閾值包括第一閾值、第二閾值、第三閾值和第四閾值，所述第一閾值小于所述第二閾值，所述第二閾值小于所述第三閾值，所述第三閾值小于所述第四閾值，

所述主控制器將所述熔餅的面積與熔餅閾值的比較結(jié)果發(fā)送給所述電弧控制部和焊接對象控制部，并且，當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積小于所述第一閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最大檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第一閾值且小于所述第二閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述最大檔位的第三檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第二閾值且小于所述第三閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第三檔位的第二檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第三閾值且小于所述第四閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第二檔位的第一檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第四閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最小檔位，并且所述焊接對象控制部控制所述焊接對象前進(jìn)一個(gè)預(yù)定的距離。

附圖說明

圖1為焊接作業(yè)示意圖。

圖2為高速攝像機(jī)拍攝焊接場景圖。

圖3為電弧焊接電源結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施例

實(shí)施例一。

本發(fā)明的AZ系鎂合金焊接材料，按重量百分比計(jì)：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量為Mg。

本發(fā)明還將上述焊接材料加工成1.5mm焊絲，其制備方法包括以下步驟：

1)合金熔煉：將鎂錠加入燃?xì)夥瓷錉t中，熔化后，加入鋁錠，熔化后加打渣劑攪拌、去渣，然后加入中間合金，30～35分鐘后，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下加精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置30分鐘后，水平連鑄成鎂合金盤條；

2)加工成形：鎂合金盤條經(jīng)多次拉攏，加工成1.5mm的連續(xù)盤狀焊絲。

本發(fā)明另一方面提供了一種所述AZ系鎂合金焊接材料的焊接控制方法，其包括使用主控制器、激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部、高速攝像機(jī)和焊接對象控制部，其特征在于，所述主控制器分別連接控制激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部和焊接對象控制部；

所述高速攝像機(jī)對焊接部位進(jìn)行拍攝并反饋給所述主控制器；

所述激光控制器根據(jù)主控制器的命令控制激光振蕩器的輸出，所述激光振蕩器發(fā)出激光束并通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸至焊接對象；

所述喂絲控制部根據(jù)主控制器的命令將所述焊絲勻速位移至焊接部位；

所述電弧控制部根據(jù)主控制器的命令控制所述焊絲與被焊接部位之間的電弧電流，

所述焊接對象控制部根據(jù)所述主控制器的命令控制所述焊接對象位移。

更進(jìn)一步的，所述激光振蕩器向焊接部位發(fā)出3個(gè)激光束。

更進(jìn)一步的，所述主控制器具備存儲部和比較部，所述高速攝像機(jī)拍攝焊接部位的圖像并發(fā)送至主控制器，所述主控制器對所述圖像進(jìn)行分析處理，這種分析可以基于多種機(jī)理，參加圖2，例如根據(jù)激光光斑和熔餅不同的反射光譜，或者其被高速攝像機(jī)所拍攝后的圖像所呈現(xiàn)的不同色調(diào)或者亮度，進(jìn)而得到二者不同的范圍，進(jìn)而計(jì)算得到激光光斑的面積和熔餅的面積，并將所述激光光斑的面積和熔餅的面積與預(yù)存的光斑閾值和熔餅閾值進(jìn)行比較，其中所述熔餅指焊絲熔融成液態(tài)后在焊接對象表面形成的餅。在本實(shí)施例中將拍攝圖像轉(zhuǎn)為黑白色度，并按照灰度進(jìn)行區(qū)分，超過第一灰度閾值的區(qū)域?yàn)榧す夤獍?，即圖2中l(wèi)aser beam區(qū)域，黑色區(qū)域?yàn)槠渌麉^(qū)域，非黑色區(qū)域和激光光斑區(qū)域定義為熔餅區(qū)域。

更進(jìn)一步的，所述主控制器根據(jù)所述激光光斑的面積與光斑閾值的比較結(jié)果調(diào)整所述激光振蕩器連接的光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，直至所述激光光斑的面積小于所述光斑閾值，當(dāng)滿足以上條件時(shí)，可以認(rèn)為激光束的聚焦達(dá)到了要求，即激光束匯聚點(diǎn)正好位于焊接對象的表面。

更進(jìn)一步的，所述熔餅閾值包括第一閾值、第二閾值、第三閾值和第四閾值，所述第一閾值小于所述第二閾值，所述第二閾值小于所述第三閾值，所述第三閾值小于所述第四閾值，

所述主控制器將所述熔餅的面積與熔餅閾值的比較結(jié)果發(fā)送給所述電弧控制部和焊接對象控制部，并且，當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積小于所述第一閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最大檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第一閾值且小于所述第二閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述最大檔位的第三檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第二閾值且小于所述第三閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第三檔位的第二檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第三閾值且小于所述第四閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第二檔位的第一檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第四閾值時(shí)，此時(shí)當(dāng)前區(qū)域或者當(dāng)前點(diǎn)的焊接被認(rèn)為可以結(jié)束，電弧控制部控制所述電弧電流為最小檔位(例如電流幾乎為零)同時(shí)關(guān)閉激光輸出，并且所述焊接對象控制部控制所述焊接對象前進(jìn)一個(gè)預(yù)定的距離，進(jìn)而進(jìn)入下一個(gè)焊接點(diǎn)。本實(shí)施例的電弧焊接采取全數(shù)字脈沖焊接電源，其主回路的結(jié)構(gòu)如圖3所示，并且通過控制PWM波的占空比來改變電弧電流的檔位，其控制簡單精準(zhǔn)，非常適合本實(shí)施例的使用。

本實(shí)施例采用的焊接方式為激光、電弧復(fù)合時(shí)焊接，并可以通過控制器預(yù)先輸入焊接對象移動軌跡，將該軌跡離散為相距同樣局里的焊接點(diǎn)，并進(jìn)行步進(jìn)式的點(diǎn)-點(diǎn)焊接。

實(shí)施例二。

本發(fā)明的AZ系鎂合金焊接材料，按重量百分比計(jì)：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量為Mg。

本發(fā)明還將上述焊接材料加工成3mm焊絲，其制備方法包括以下步驟：

1)合金熔煉：將鎂錠加入燃?xì)夥瓷錉t中，熔化后，加入鋁錠，熔化后加打渣劑攪拌、去渣，然后加入中間合金，35分鐘后，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下加精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置30分鐘后，水平連鑄成鎂合金盤條；

2)加工成形：鎂合金盤條經(jīng)多次拉攏，加工成3mm的連續(xù)盤狀焊絲。

本發(fā)明另一方面提供了一種所述AZ系鎂合金焊接材料的焊接控制方法，其包括使用主控制器、激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部、高速攝像機(jī)和焊接對象控制部，其特征在于，所述主控制器分別連接控制激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部和焊接對象控制部；

所述高速攝像機(jī)對焊接部位進(jìn)行拍攝并反饋給所述主控制器；

所述激光控制器根據(jù)主控制器的命令控制激光振蕩器的輸出，所述激光振蕩器發(fā)出激光束并通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸至焊接對象；

所述喂絲控制部根據(jù)主控制器的命令將所述焊絲勻速位移至焊接部位；

所述電弧控制部根據(jù)主控制器的命令控制所述焊絲與被焊接部位之間的電弧電流，

所述焊接對象控制部根據(jù)所述主控制器的命令控制所述焊接對象位移。

其加工過程可以參見圖1，圖中左側(cè)為激光頭(圖示為一個(gè)激光束)，右側(cè)為喂絲及電弧電流發(fā)生的示意。更進(jìn)一步的，所述激光振蕩器向焊接部位發(fā)出2個(gè)激光束。

更進(jìn)一步的，所述主控制器具備存儲部和比較部，所述高速攝像機(jī)拍攝焊接部位的圖像并發(fā)送至主控制器，所述主控制器對所述圖像進(jìn)行分析處理，得到激光光斑的面積和熔餅的面積，并將所述激光光斑的面積和熔餅的面積與預(yù)存的光斑閾值和熔餅閾值進(jìn)行比較，其中所述熔餅指焊絲熔融成液態(tài)后在焊接對象表面形成的餅。

更進(jìn)一步的，所述主控制器根據(jù)所述激光光斑的面積與光斑閾值的比較結(jié)果調(diào)整所述激光振蕩器連接的光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，直至所述激光光斑的面積小于所述光斑閾值，從而使得兩束激光被聚焦在焊接點(diǎn)。

更進(jìn)一步的，所述熔餅閾值包括第一閾值、第二閾值、第三閾值和第四閾值，所述第一閾值小于所述第二閾值，所述第二閾值小于所述第三閾值，所述第三閾值小于所述第四閾值，

所述主控制器將所述熔餅的面積與熔餅閾值的比較結(jié)果發(fā)送給所述電弧控制部和焊接對象控制部，并且，當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積小于所述第一閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最大檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第一閾值且小于所述第二閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述最大檔位的第三檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第二閾值且小于所述第三閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第三檔位的第二檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第三閾值且小于所述第四閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第二檔位的第一檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第四閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最小檔位，并且所述焊接對象控制部控制所述焊接對象前進(jìn)一個(gè)預(yù)定的距離。

實(shí)施例三。

本實(shí)施例的AZ系鎂合金焊接材料，按重量百分比計(jì)：Al：2.10wt％-2.40wt％；Zn：0.35wt％-0.50wt％；Mn：0.28wt％-0.45wt％；Ca：0.001wt％-0.005wt％；Ce：0.8wt％-1wt％；Y：0.005wt％-0.01wt％；Ni：0.01wt％-0.02wt％；余量為Mg。

本發(fā)明還將上述焊接材料加工成3mm焊絲，其制備方法包括以下步驟：

1)合金熔煉：將鎂錠加入燃?xì)夥瓷錉t中，熔化后，加入鋁錠，熔化后加打渣劑攪拌、去渣，然后加入中間合金，30分鐘后，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下加精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置30分鐘后，水平連鑄成鎂合金盤條；2)加工成形：鎂合金盤條經(jīng)多次拉攏，加工成3mm的連續(xù)盤狀焊絲。

本發(fā)明另一方面提供了一種所述AZ系鎂合金焊接材料的焊接控制方法，其包括使用主控制器、激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部、高速攝像機(jī)和焊接對象控制部，其特征在于，所述主控制器分別連接控制激光控制器、電弧控制部、喂絲控制部和焊接對象控制部；

所述高速攝像機(jī)對焊接部位進(jìn)行拍攝并反饋給所述主控制器；

所述激光控制器根據(jù)主控制器的命令控制激光振蕩器的輸出，所述激光振蕩器發(fā)出激光束并通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸至焊接對象；

所述喂絲控制部根據(jù)主控制器的命令將所述焊絲勻速位移至焊接部位；

所述電弧控制部根據(jù)主控制器的命令控制所述焊絲與被焊接部位之間的電弧電流，

所述焊接對象控制部根據(jù)所述主控制器的命令控制所述焊接對象位移。

其加工過程可以參見圖1，圖中左側(cè)為激光頭(圖示為一個(gè)激光束)，右側(cè)為喂絲及電弧電流發(fā)生的示意。

更進(jìn)一步的，所述激光振蕩器向焊接部位發(fā)出2個(gè)激光束。

更進(jìn)一步的，所述主控制器具備存儲部和比較部，所述高速攝像機(jī)拍攝焊接部位的圖像并發(fā)送至主控制器，所述主控制器對所述圖像進(jìn)行分析處理，得到激光光斑的面積和熔餅的面積，并將所述激光光斑的面積和熔餅的面積與預(yù)存的光斑閾值和熔餅閾值進(jìn)行比較，其中所述熔餅指焊絲熔融成液態(tài)后在焊接對象表面形成的餅。

更進(jìn)一步的，所述主控制器根據(jù)所述激光光斑的面積與光斑閾值的比較結(jié)果調(diào)整所述激光振蕩器連接的光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，直至所述激光光斑的面積小于所述光斑閾值。

更進(jìn)一步的，所述熔餅閾值包括第一閾值、第二閾值、第三閾值，所述第一閾值小于所述第二閾值，所述第二閾值小于所述第三閾值；

所述主控制器將所述熔餅的面積與熔餅閾值的比較結(jié)果發(fā)送給所述電弧控制部和焊接對象控制部，并且，當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積小于所述第一閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最大檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第一閾值且小于所述第二閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述最大檔位的第二檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第二閾值且小于所述第三閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為小于所述第二檔位的第一檔位；

當(dāng)所述比較結(jié)果為所述熔餅的面積大于所述第三閾值時(shí)，電弧控制部控制所述電弧電流為最小檔位，并且所述焊接對象控制部控制所述焊接對象前進(jìn)一個(gè)預(yù)定的距離。

同時(shí)在本實(shí)施例中還可以配合電弧電流的大小調(diào)整激光能量的輸出。