[发明专利]一种钢-镁异种金属连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金、材料、机械及汽车、轨道客车等行走机械技术领域的一种钢-镁异种金属连接方法，属于异种材料连接技术领域。

背景技术

随着能源紧缺和环境污染问题日益加剧，作为制造业支柱产业的汽车、轨道客车等行走机械工业正面临着越来越严峻的挑战。轻量化、节能、环保和安全已成为当今汽车、轨道客车发展的必然趋势。目前，国内外汽车、轨道客车轻量化的实现途径和关键技术主要包括三个方面：一是轻量化材料的应用；二是结构轻量化设计与优化；三是新型制造工艺技术的使用。镁合金由于其具有密度低，比强度、刚度高，易于回收等一系列优点，被誉为21世纪绿色工程金属结构材料和最重要的商用轻质材料。因此，在设计和制造中增加镁合金等轻质材料的应用量是实现汽车、轨道客车轻量化的有效途径。随之而来的钢-镁异种金属的连接便成为亟待解决的问题。熔化极惰性气体保护电弧焊（Metal inert-gas arc welding,MIG）具有生产效率高、成本低及易实现焊接自动化等优点，已成为汽车、轨道客车制造中应用最为广泛的焊接技术之一。但是，由于钢和镁的物理、化学性质存在明显的差异，导致钢-镁异种金属的焊接性极差。迄今为止，尚无适用于钢-镁异种金属MIG焊的焊接工艺，采用铝（镁）合金MIG焊工艺，钢-镁接头的抗拉强度小于20MPa，无法实现可靠的连接。存在的主要问题是：（1）钢和镁的熔点相差很大（800℃以上），且镁的沸点较低（1100℃），很难通过熔合实现连接；（2）钢/镁界面的Fe和Mg之间不发生冶金反应、液态镁对固态钢的润湿性差，很难形成牢固的冶金结合；（3）镁及镁合金的热膨胀系数大（约为钢的2倍），易引起较大的焊接应力、变形，且明显增加接头产生裂纹的倾向；（4）氢在镁中的溶解度随温度的降低急剧减小，焊缝易产生气孔缺陷。这已成为制约汽车、轨道客车等行走机械轻量化的主要技术瓶颈之一。基于钢和镁的物理化学性质、钢-镁异种金属的焊接性问题及MIG熔-钎焊特点，通过优化焊丝化学成分和焊接工艺参数促进钢/镁界面冶金反应提高接头性能的技术路线是可行的。研发的钢-镁异种金属MIG熔-钎焊连接技术在汽车、轨道客车等行走机械工业领域具有重要的实用价值，在其它工业领域也具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢-镁异种金属连接方法，该方法基于熔-钎焊钢/镁界面Fe和Al的反应机理、界面温度对反应动力学的影响规律及界面反应产物（Fe-Al金属间化合物）的性质，通过优化镁合金焊丝成分和焊接工艺参数促进钢/镁界面Fe和Al的冶金反应、限制Fe-Al金属间化合物层的厚度，提高钢-镁异种金属MIG熔-钎焊接头的力学性能及焊接质量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种钢-镁异种金属连接方法，按以下工艺步骤进行：

a）坡口加工：钢-镁接头形式为非对称的V形坡口对接，钢的坡口面角度θ₁=40-50°，镁及镁合金的坡口面角度θ₂=25-35°。通过增大钢的坡口面角度，增加钢/镁界面的面积，改善接头的力学性能。

b）焊接材料：钢-镁异种金属连接使用镁合金焊丝（直径1.2mm、1.6mm），主要化学成分为Mg-（5-7）%Al-（0.6-1.2）%Zn。通过优化镁合金焊丝及焊接熔池（焊缝）成分，促进钢/镁界面的冶金反应、限制金属间化合物层的厚度，提高接头的力学性能。

c）焊接工艺：钢-镁异种金属连接采用MIG熔-钎焊方法；焊接过程中，焊丝指向钢坡口面的下部约2/3板厚处，焊接参数为：焊接电流130-150kA、电弧电压20-22V、焊接速度0.5-0.7m/min，氩气流量15-18L/min。通过优化焊接工艺参数及焊接热输入量，促进钢/镁界面的冶金反应、限制金属间化合物层的厚度，提高接头的力学性能和焊接质量。