AZ31B鎂合金激光焊接接頭組織和性能的研究

孔海旺，王學鋒

（太原科技大學，山西太原 030024）

鎂合金是21世紀的新型材料，其密度為1.75 g/cm3～1.90 g/cm3，是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂合金的加工成本低廉，機加工性能優(yōu)良，其耐腐蝕性優(yōu)于低碳鋼，電磁屏蔽性及減振性比鋁合金好得多。鎂合金不僅可實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，而且給產(chǎn)品帶來優(yōu)良的特殊功能。因此，鎂合金材料的優(yōu)良性能使其具有廣闊的發(fā)展前景，廣泛應用于各行各業(yè)。先進的激光焊接技術(shù)，是一種熱傳導焊接，具有熱量集中、功率密度大和焊接速度快等特點。激光焊的焊縫深寬比大，焊縫組織細化，熱影響區(qū)窄，焊后變形小、焊縫質(zhì)量好、接頭強度高等優(yōu)點。因此，激光焊接是一種高效的焊接鎂合金的方法。

1 鎂合金的焊接性

焊接時必須根據(jù)鎂合金的物理及化學性質(zhì)，一定要考慮到其對焊接性能的影響因素。

1）鎂的化學性質(zhì)很活潑，在常溫下與氧反應可生成 MgO、Mg（OH）2等化合物，MgO的熔點高達2500℃左右，而鎂熔點為650℃，二者相差極大，在焊接中極易形成氧化膜，且不易從熔融的金屬中排除，因而工件的焊縫易產(chǎn)生夾渣缺陷，帶來電化學腐蝕。

2）鎂合金的導熱性能好，彈性模量小，焊接變形大，冷卻速度快，使熔池一次結(jié)晶速度快、時間短。凝固時焊縫的內(nèi)應力和焊接接頭的剛性拘束度較大，導致焊后工件產(chǎn)生較大的內(nèi)應力。

3）由于鎂的蒸發(fā)溫度高，在高溫下出現(xiàn)的蒸發(fā)、燃燒等現(xiàn)象，形成一定的氫和氧。產(chǎn)生的氣體在焊縫凝固中不易逸出，使工件出現(xiàn)氣孔缺陷。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗裝置

試驗采用焊接設備為大陸激光成套設備：1 DL-H L-T 5000激光焊機，如圖1所示。

圖1 1DL-HL-T5000激光焊機

2.2 試驗材料

試驗材料采用AZ 31 B變形鎂合金板材（90 mm×40 mm×4 mm），其抗拉強度為255 MPa，母材化學成分如表1所示。采用CO2激光焊接試件。焊接前對試樣進行處理，油污用丙酮清洗來去除，涼干后用鋼絲刷清理以去除表面的氧化膜層。

2.3 試驗方法

試驗采用CO2氣保激光平板對接焊，單面焊雙面成型。焊接示意圖如圖2所示。

2.4 試樣的制備

對于易變形、不利于加工處理或本身不易夾持的試樣，可采用鑲嵌的辦法。鑲嵌分為冷鑲嵌和熱鑲嵌兩種。實驗用熱鑲嵌，把試樣和鑲嵌料一塊放在鋼模內(nèi)加熱加壓，冷卻后脫模而成。把磨制好的試樣在拋光機上進行拋光備用。采用2%～4%的硝酸進行腐蝕試樣。金相組織如圖3所示。

表1 母材的化學成分 （質(zhì)量分數(shù)，%）

圖2 激光焊接示意圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 接頭組織分析

由圖3可知AZ 31 B焊縫成形好，接頭狹窄，變形小。圖3 a）所示出母材為粗大的等軸晶，在焊縫區(qū)的晶粒細小。圖3 b）為焊縫組織圖，可見在焊縫上表面為較大的等軸晶，細小的等軸晶出現(xiàn)在其下。鎂合金的物理特性與試件的受熱狀態(tài)密切相關(guān)。由于在激光焊接時，激光的能量密度大，焊接過程中所需的熱輸入小，因此，熱影響區(qū)窄；此外，鎂合金的導熱性能好，冷卻速度快，有利于焊縫組織的進一步晶粒細化。

圖3 激光焊AZ31B顯微組織圖（250x）

3.2 硬度分析

由洛氏硬度計測出母材的硬度為24HRC，焊縫的硬度為25 H R C.這表明在接頭、焊縫及熱影響區(qū)三者間硬度變化不明顯，焊縫和母材的硬度大體相同。焊縫強度的提高是因為材料組織晶粒發(fā)生了細化，從材料內(nèi)部自身彌補了因加工硬化造成的硬度降低。熱影響區(qū)組織晶粒與母材晶粒相比變化小，因此，二者的硬度接近。

3.3 焊縫缺陷與防止措施

3.3.1 焊縫缺陷

1）氣孔

通過試驗發(fā)現(xiàn)，AZ3l鎂合金的激光焊接試件氣孔是主要缺陷之一。一般認為鎂合金焊縫中氣孔的形成與焊縫中的氫有著密切聯(lián)系。因為高溫時氫在鎂合金中的溶解度很高，鎂熔液可以吸收大量的氫。在焊后的冷卻過程中，隨著溫度的降低.氫在熔池中的溶解度急劇下降。在液態(tài)中，氫的最大溶解度約為0.2ml/g，而在凝固時的溶解度從9 ml/g陡降幾乎為零，導致氫氣大量析出。并且鎂的密度比鋁小，析出的氣體不易逸出，因而容易在焊縫中形成氣孔。

2）裂紋

鎂合金是典型的共晶合金，焊縫在快速凝固過程中，發(fā)生不平衡結(jié)晶時，AZ 31鎂合金的焊縫中也存在低熔點共晶；另外，鎂合金的熱膨脹系數(shù)大，在焊接過程中存在局部加熱和冷卻，很容易形成較大的內(nèi)應力。因此，鎂合金焊接時易出現(xiàn)裂紋的傾向。

3.3.2 防止措施

1）選用質(zhì)量好的母材

由試驗可知，在焊縫中有較多缺陷時，在焊縫附近的母材中也發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷的存在。所以，選用無內(nèi)部缺陷，質(zhì)量較好的母材非常重要。

2）焊前及焊后的處理

在試件進行焊接前，首先將試件焊接表面的氧化膜清除干凈，以防止產(chǎn)生未熔臺、未焊透、夾雜等缺陷；其次焊前工件的預熱，對裂紋的產(chǎn)生能起到有效的作用；焊后用激光束對焊件表面做重熔處理，可有效減少焊縫中氣孔的產(chǎn)生；對焊件退火處理可降低內(nèi)應力，有利于防止試件變形和裂紋的產(chǎn)生。

3）氣體保護

鎂合金焊接過程中，在試件的正反兩面，一般要求同時采用惰性氣體作保護，以防止焊接過程中工件被氧化（常用CO2、Ar等）。

4）合理的焊接工藝參數(shù)

在激光焊接中影響焊接接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有激光的能量（功率）、焊接速度以及激光束的離焦量。而在薄板材的焊接中，離焦量的影響并不大。所以，對除薄板材的激光焊接外，主要考慮的工藝參數(shù)是功率和速度的影響。

4 結(jié)論

1）對AZ 31 B變形鎂合金，經(jīng)CO2氣保激光焊接發(fā)現(xiàn)，在焊縫組織中是細小的等軸晶，而其表面存在大晶粒。試件焊縫狹窄、熱影響區(qū)極小、成型質(zhì)量好

2）焊縫硬度大于母材，沿熔深方向硬度變大。

3）AZ 31鎂合金薄板CO2氣保激光焊時，在焊縫中存在氫和低熔點的共晶，所以，試件的焊接缺陷主要表現(xiàn)為氣孔和裂紋。

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