专利号：CN201110459566.7
发明单位：大连理工大学
一、技术领域
本发明涉及焊接材料，尤其涉及一种镁合金焊接材料及其制备工艺。
二、背景技术
镁合金是目前工业制造领域应用的最轻的结构材料之一。近年来，新型镁合金的不断涌现，镁合金在汽车、飞机、3C 电子产品领域得到良好应用。随着镁合金应用的扩大，焊接技术作为镁合金应用加工的关键技术也得到相应的发展，对镁合金焊接材料的需求也相应增大。目前针对镁合金焊接材料的研究和开发开展相应较少，主要包括：日本电器公司生产的一般AZ31 和AZ61 镁合金焊接材料。大连理工大学围绕镁合金焊接材料的制备技术开展研究，开发了出镁合金焊丝挤压拉拔制造工艺，镁合金丝连续挤压方法( 见中国专利申请03111456.3)，镁合金丝的扩散连接连续挤压方法( 见中国专利申请200710157874.8)，制备出多种AZ 系列镁合金焊接材料，实现了镁合金的良好连接。
哈尔滨工业大学开展了AZ31 镁合金焊丝制备及性能研究，改善了镁合金焊丝的性( 见哈尔滨工业大学硕士学位论文，徐奔，AZ31 镁合金丝材拉拔工艺的研究，2006)。西安理工大学开展的AZ91D 镁合金焊丝制备及组织性能研究，采用其制备的焊丝实现了AZ91D 镁合金的TIG 焊接，焊接接头性能良好( 见西安理工大学硕士学位论文，王冰，热挤压法制备镁合金焊丝及其焊接接头分析，2007)。太原理工大学开发的一种高强度镁合金焊丝的制备方法( 见中国专利200810054925.9)，其开发的镁合金焊丝强度可以达到330Mpa。吉林大学开发的一种高抗热裂性能镁合金焊丝( 见中国专利申请2009100671611)，能够有效的降低镁合金焊接过程的热裂倾向。上述关于镁合金焊丝组织、性能及制备方法的研究主要集中于改善镁合金焊丝自身的结构特征，优化镁合金焊接接头性能方面;而对于镁合金焊接材料的沸点低，焊接过程易蒸发、燃烧形成大量焊接烟尘产生高焊接污染等问题均未触及。
众所周知，由于镁合金自身具有的熔沸点较低之特点( 熔点：640 ～ 660℃，沸点：1100 ～ 1150℃ )，在焊接过程中发生剧烈的蒸发、燃烧现象，并形成大量焊接烟尘和有害气体，不仅浪费了大量的镁合金焊接材料，还形成了显著的焊接污染，同时对焊接工作者的身体健康形成了显著危害。鉴于此，亟需针对镁合金焊接过程存在的高污染问题，开发新型镁合金焊接材料。
三、发明内容
鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在提供一种低污染、高强度、制备工艺简单、成本低的镁合金焊接材料及其制备工艺。通过对镁合金材料的成分优化，提高镁合金沸点，控制镁合金在焊接过程的蒸发、燃烧，进而实现镁合金的低污染焊接，同时提高焊接效率。
四、本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种低污染镁合金焊接材料，其特征在于，其化学成分按质量百分数计：
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%
金属杂质，包括Cu、Ni、Fe、Si，少量。本发明中利用Zn 元素及稀土元素的复合作用形成具有团簇特征的Mg-Zn 结构，通过添加稀土元素形成具有最高稳定性的Mg-Nd 及Mg-Zn-Nd 等高熔点金属间化合物，提高镁合金的熔沸点;利用稀土元素的细化晶粒和净化晶界的作用提高镁合金焊接材料的强度;同时添加Mn 元素作为活性元素，提高焊接材料的可焊性;添加碱性的Ca 元素来提高镁合金的抗燃烧能力，进一步提高镁合金沸点，使其在焊接过程中的蒸发和燃烧速度明显降低，获得较低的焊接发尘速率，减少焊接污染，同时提高熔敷效率。所述镁合金焊接材料的制备工艺，包括如下步骤：
(1) 熔炼铸造：以Mg-Zn 合金(Zn 含量5.5% -6.5% ) 铸锭为基本成分，经特殊的熔炼方法，去除其中的有害杂质，并适当的添加稀土钕、钙等元素，根据实际被焊对象调整铝元素的含量，然后铸造成锭。镁合金铸锭成分为( 质量百分数)，Zn5.25% -6.30%、Nd0.1% -0.8%、Ca0.20-1.0%、Mn0.1% -0.9%、Al0.1%～ 0.4%以及含有少量金属杂质(Cu、Ni、Fe、Si)，其余为Mg。
(2) 均匀化处理：以经过(1) 熔炼铸造的镁合金铸锭为对象进行均匀化处理，处理的条件为300℃ -450℃，保温6-20 小时。
(3) 热挤压- 拉拔：按照热挤压焊丝的要求，对经过(2) 均匀化处理的高性能镁合金铸锭进行机械加工，去除表面的氧化皮，获得直径为60mm-100mm 的圆柱形镁合金棒材;将焊丝在挤压腔内预热至400℃ -500℃，然后采用不小于100 的大挤压比以热挤压方式将铸锭制备成焊丝，预制的焊丝直径为2.2mm-3.0mm ;采用大挤压比可以有效的细化焊接材料的晶粒，提高焊接材料强度;采用直径为0.8-1.0m 的盘丝架进行盘丝，并直接利用焊丝本身的余热，将挤压获得镁合金焊丝直接通过一个加热炉在350-500℃保温;然后根据实际的使用需求将对镁合金焊丝进行多道拉拔：制备出直径为2.0mm、1.6mm、1.2mm 等多种不同规格的低污染镁合金焊接材料。采用热差分析方法对材料的相关性能进行测定，所述材料的沸点可以达到1440℃以上，焊接过程发尘速率4.5-5.5mg/s，采用该焊接材料焊接过程接熔敷效率达到80%以上。
五、本发明具有的以下显著的特点：
本发明提出了一种锌含量较高的镁合金焊接材料及其制备工艺，采用金属熔体净化、细晶强化、均匀化处理、大挤压比加工强化以及活性元素添加等综合技术，通过添加Ca、Mn、Nd 等微量元素，从而制得锌含量较高的低污染镁合金焊接材料。本发明具有低污染而且强度高、制备工艺简单、成本低的优点。通过提高镁合金材料的沸点，显著的减少了焊接过程中由于镁合金焊接材料剧烈蒸发、燃烧形成的焊接烟尘和有害气体，大大降低了镁合金焊接制造过程对焊接操作者身体健康的威胁，本发明提出的低污染镁合金焊接材料较一般镁合金焊接材料焊接烟尘减少50%上，焊接熔敷效率大于80%。