AZ31B鎂合金的幾種激光焊接特性研究

方栩強(qiáng)

摘要：采用激光焊、激光-TIG、激光-MIG及激光-超聲4種焊接方法對(duì)AZ31B鎂合金進(jìn)行焊接，并討論分析4種焊接方法下的鎂合金焊接特性、微觀組織以及力學(xué)性能。結(jié)果表明，激光焊焊縫下塌嚴(yán)重，激光復(fù)合焊接技術(shù)（激光-TIG、激光-MIG和激光-超聲）則能顯著改善焊縫下塌缺陷，得到成形良好的連續(xù)焊縫。激光復(fù)合焊接可有效減小焊縫中的氣孔缺陷，其中激光焊焊縫中氣孔率為4.3%，激光-TIG和激光-MIG焊縫中氣孔率分別為3.4%和3.9%，而激光-超聲焊縫中氣孔率最低，僅為0.9%;同時(shí)，施加超聲有助于細(xì)化焊縫晶粒尺寸，提高焊接接頭的力學(xué)性能，接頭強(qiáng)度可提高至母材的88.9%，與激光焊相比，提高了7.7%。

關(guān)鍵詞：AZ31B鎂合金;焊接;微觀組織;力學(xué)性能;焊接特性

中圖分類號(hào)：TG457.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0058-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.12

0 前言

鎂合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、熱導(dǎo)性好等一系列優(yōu)質(zhì)特性，被廣泛用于航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械電子等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。在汽車車身結(jié)構(gòu)中，使用鎂合金替代鋼、鋁等金屬材料，可在保證車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)有效減輕車身質(zhì)量，達(dá)到節(jié)約能耗的目的[4-5]。由于鎂合金材料的彈性模量與人體骨骼相近且生物降解特性良好，該材料可作為外科植入物的理想材料[6]?；诖?，鎂合金被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色工程材料，探究鎂合金材料簡(jiǎn)便可行的加工方法成為當(dāng)前工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前，鎂合金的加工技術(shù)以鑄造為主，其焊接技術(shù)發(fā)展則相對(duì)緩慢，包括焊接冶金原理、焊接工藝控制、焊接材料生產(chǎn)技術(shù)等尚不成熟，因此深入開展鎂合金焊接技術(shù)的研究是拓展鎂合金材料應(yīng)用的有效途徑[7]。鎂合金焊接的方法主要有電弧焊（TIG、MIG）[8]、電阻點(diǎn)焊[9]、攪拌摩擦焊[10]、電子束焊[11]和激光焊等[12]，其中激光焊接具有能量密度高、熱影響區(qū)窄、變形小、柔性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。然而，鎂合金導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)大，易氧化，表面張力小等一系列材料特性，使其在激光焊接過(guò)程中穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋、晶粒粗大和成形不良等缺陷，同時(shí)鎂合金對(duì)激光的反射率較高，進(jìn)一步增大了鎂合金激光焊接的難度，嚴(yán)重限制了鎂合金的應(yīng)用范圍。

為了提高鎂合金材料的激光焊接特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鎂合金激光復(fù)合焊接工藝進(jìn)行了相關(guān)研究。激光-電弧復(fù)合焊接方面，袁勝濤等[13]對(duì)AZ31B鎂合金T形件激光-TIG復(fù)合焊接工藝進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接電流為100 A、激光功率為300 W，熱源間距為3 mm時(shí)可得到理想的鎂合金T形結(jié)構(gòu)件焊縫成形。李娜等[14]研究AZ31鎂合金激光-MIG復(fù)合焊接工藝發(fā)現(xiàn)，焊縫熱影響區(qū)較小，焊縫區(qū)為細(xì)小的等軸晶組織，且焊接接頭沿焊接方向疲勞性能呈現(xiàn)“先減后增，而后再減”的變化規(guī)律。超聲輔助激光焊接方面，沈言錦等[15]采用激光焊接方法對(duì)AZ31鎂合金薄板進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)隨超聲波功率的增加，焊縫平均晶粒尺寸逐漸減小，當(dāng)功率為1 200 W時(shí)，平均晶粒尺寸最小，為24 μm，而宏觀硬度與抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為56 HB和286.5 MPa。因此，采用激光復(fù)合工藝焊接鎂合金可顯著改善其焊接接頭外觀成形、微觀組織和力學(xué)性能，提高焊接適應(yīng)性[16]。

本文分別采用激光焊、激光-TIG及激光-MIG、激光-超聲復(fù)合4種焊接方法對(duì)AZ31B鎂合金進(jìn)行對(duì)接，并針對(duì)不同方法下的鎂合金焊接特性進(jìn)行對(duì)比分析，以期為鎂合金的焊接應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選用3 mm厚AZ31B鎂合金板材，采用電火花線切割機(jī)加工焊接試樣，焊接試板尺寸為200 mm×100 mm×3 mm。母材化學(xué)成分及機(jī)械性能分別如表1、表2所示。試驗(yàn)前采用機(jī)械打磨方法去除鎂合金表面氧化膜，待露出金屬光澤后用丙酮清洗干凈。為防止板材變形，焊接前固定板材兩端。

采用YLS-5000光纖激光器對(duì)AZ31B鎂合金板材進(jìn)行激光焊接，保護(hù)氣為Ar，不同焊接方法的焊接工藝參數(shù)如表3所示。焊后用線切割機(jī)沿垂直焊縫方向切出金相試樣，鑲嵌后用金相砂紙按#200、#400、#600、#800依次打磨，用粒度1 μm的金剛石拋光劑進(jìn)行拋光處理，用腐蝕液（5.5 g苦味酸+90 mL無(wú)水乙醇+5 mL乙酸+10 mL水）腐蝕10 s，然后用無(wú)水乙醇沖洗、吹干，制成金相試樣待觀察。采用VHX-1000E超景深光學(xué)顯微鏡觀察和分析接頭成形、微觀組織;在AG-X電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度2.0 mm/min，測(cè)試前用砂紙磨平焊縫，以消除應(yīng)力集中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，拉伸試樣尺寸如圖1所示;采用S-3400N型掃描電子顯微鏡分析拉伸斷口;并利用HXD-1000TM型數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭硬度，加載載荷50 g，保壓時(shí)間10 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接性能分析

不同焊接方法獲得的接頭形貌如表3所示。激光焊焊縫熔寬較小，焊縫正面存在嚴(yán)重的下塌缺陷;激光-TIG復(fù)合焊的焊縫成形連續(xù)，下塌缺陷得到明顯改善;激光-MIG復(fù)合焊焊縫正面存在一定量的余高，焊接過(guò)程由于填絲的作用變得不穩(wěn)定;激光-超聲復(fù)合焊焊縫表面平整光滑，焊縫正面、背面熔寬相差不大，焊接過(guò)程較為穩(wěn)定。在激光-TIG復(fù)合焊接過(guò)程中，電弧熱量作用在熔池上部，焊縫橫截面呈上寬下窄的形貌特征[16]，造成焊縫正面下塌量減小;對(duì)于激光-MIG焊，由于填絲造成飛濺現(xiàn)象，使得焊接過(guò)程穩(wěn)定性下降，無(wú)法在較高的速度下進(jìn)行焊接[17];而在激光-超聲焊接過(guò)程中，超聲波的加入能夠促進(jìn)焊接過(guò)程中熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)，使焊接過(guò)程更加穩(wěn)定，獲得較為優(yōu)質(zhì)的連續(xù)焊縫。

對(duì)焊縫進(jìn)行X射線無(wú)損檢測(cè)，如圖2所示。激光焊焊縫中存在大量的氣孔缺陷，氣孔尺寸較小且分布均勻;激光-TIG和激光-MIG方法中由于電弧熱源的加入，熔池凝固速度下降，熔池中的氣體有充足的時(shí)間逸出，降低了焊縫中的氣孔缺陷;激光-超聲焊縫中幾乎不存在氣孔缺陷。用宏觀顯微鏡將焊縫縱截面掃描成照片后對(duì)圖片進(jìn)行調(diào)整和二值化處理，采用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)焊縫氣孔百分比，氣孔率如式（1）所示

經(jīng)計(jì)算可知，激光焊焊縫中氣孔率為4.3%，激光-TIG和激光-MIG焊縫中氣孔率為3.4%和3.9%，而激光-超聲焊縫中氣孔率最低，僅為0.9%。

不同焊接方法得到的焊縫氣孔率不同，究其原因：鎂合金熱導(dǎo)率高、密度低，而激光焊冷卻速度快，焊縫中的氣泡形核長(zhǎng)大后來(lái)不及上浮留在焊縫中形成氣孔缺陷;而對(duì)于激光-電弧復(fù)合焊接，電弧的加入提高了焊接熱輸入，延長(zhǎng)了焊縫金屬高溫停留時(shí)間，有助于熔池中氣泡上浮逸出，減少了焊縫中的氣孔缺陷;在激光-MIG焊接過(guò)程中，添加AZ92A焊絲增加了熔池的合金元素含量，增大合金凝固區(qū)間，在凝固后期，呈樹枝狀的晶枝互相交集閉合，容易形成一定空間度的真空，析出的氫進(jìn)入此真空并形成氣孔[18]。在激光-超聲焊接過(guò)程中，超聲波振動(dòng)在液態(tài)熔池中產(chǎn)生沖擊波，促進(jìn)熔池中的氣泡形核長(zhǎng)大，同時(shí)超聲波的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)可以加速熔化流動(dòng)，促進(jìn)熔池中氣泡長(zhǎng)大并加速其逸出，能顯著降低焊縫中的氣孔缺陷。

2.2 焊縫微觀組織

AZ31B鎂合金母材及焊縫微觀組織如圖3所示。母材原始組織為細(xì)小的等軸晶，晶粒內(nèi)部存在一定量的孿晶，這是由于鎂合金晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，在板材軋制過(guò)程中發(fā)生變形所導(dǎo)致。焊縫區(qū)微觀組織如圖3b～3e所示，在焊接過(guò)程中隨著熱輸入的增大，焊縫區(qū)晶粒尺寸增大，同時(shí)4種焊接方法的冷卻速度都較快，造成熔池發(fā)生非平衡凝固過(guò)程，焊縫中黑色β-Mg17Al12相的數(shù)量增多。對(duì)比4種方法得到的焊縫區(qū)晶粒尺寸發(fā)現(xiàn)，激光-TIG焊焊縫的等軸晶尺寸略大于單激光焊接、激光-超聲和激光-MIG焊接，這是因?yàn)椋篢IG電弧的加入明顯增大了焊接過(guò)程中的熱輸入量，故晶粒尺寸增大;在激光-超聲焊接過(guò)程中，超聲波的空化效應(yīng)能顯著細(xì)化晶粒;而激光-MIG焊接過(guò)程中w（Al）高于母材的AZ92A焊絲增加了熔池的合金元素含量，提高了熔池內(nèi)的形核率并細(xì)化晶粒，從而抵消了電弧熱引起的晶粒長(zhǎng)大，使得激光-MIG焊縫晶粒尺寸與激光焊相似[17]。

2.3 接頭力學(xué)性能

2.3.1 焊接接頭的顯微硬度

4種焊接接頭硬度曲線如圖4所示。由圖4可知，4種接頭在熱影響區(qū)處硬度均呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不大。這是因?yàn)檫@4種焊接方法與其他方法相比具有熱輸入小、焊接速度快的特點(diǎn)，使得接頭熱影響區(qū)較小，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，因此組織軟化區(qū)小，硬度值下降幅度不大[19-20]。但激光-MIG和激光-超聲復(fù)合焊接頭焊縫區(qū)硬度明顯高于其他兩種方法，這是因?yàn)榍罢逜Z92A焊絲中w（Al）較高，提高了焊接熔池中Al含量，焊縫晶粒細(xì)小并析出大量強(qiáng)化相，使焊縫組織得到強(qiáng)化;而后者由于超聲波的空化效應(yīng)，使焊縫組織晶粒細(xì)化，故接頭硬度有所提高[21]。

2.3.2 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度及斷口形貌

對(duì)不同接頭及原始母材進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，每種方法測(cè)試3個(gè)拉伸試樣區(qū)平均值，如圖5所示?？梢钥闯?，4種焊接方法得到的接頭的抗拉強(qiáng)度均低于母材，激光焊、激光-MIG和激光-超聲焊接頭抗拉強(qiáng)度較高，其中激光焊接頭抗拉強(qiáng)度為234 MPa，為母材的81.2%，激光-MIG焊接頭抗拉強(qiáng)度247 MPa，為母材的85.8%，激光-超聲焊接頭抗拉強(qiáng)度256 MPa，為母材的88.9%，而激光-TIG焊接接頭抗拉強(qiáng)度較低（205 MPa），約為母材的71%。對(duì)比4種接頭的微觀組織可知，激光-TIG焊縫區(qū)晶粒尺寸粗大，使其抗拉強(qiáng)度有所降低;激光-MIG由于填絲作用，減少了焊接過(guò)程中合金元素的燒損，提高了焊縫區(qū)α-Mg的固溶強(qiáng)化效果，因此抗拉強(qiáng)度有所提高。而激光-超聲由于超聲的空化效應(yīng)使得熔池內(nèi)部枝晶破碎，增多了異質(zhì)形核的質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)焊縫中等軸晶的形成，晶粒尺寸相對(duì)細(xì)小，提高了焊接接頭強(qiáng)度。

母材及焊接接頭拉伸斷口形貌特征如圖6所示。母材及4種接頭的斷口均為韌-脆混合斷裂，斷口中可發(fā)現(xiàn)大量表征脆性斷裂的準(zhǔn)解理裂片層和少量表征韌性斷裂的韌窩。這是因?yàn)楹缚p區(qū)微觀組織主要由塑性較好的α-Mg基體和脆性β-Mg17Al12相組成，由于激光焊接、激光-電弧及激光-超聲復(fù)合焊接過(guò)程中的不穩(wěn)定冷卻，導(dǎo)致脆性β相增多，在拉伸過(guò)程中造成應(yīng)力集中形成準(zhǔn)解理斷口，并存在少量韌窩，呈韌-脆混合斷裂模式，因此接頭抗拉強(qiáng)度有所下降。

3 結(jié)論

采用激光焊、激光-TIG、激光-MIG及激光-超聲復(fù)合4種方法對(duì)3 mm厚AZ31B鎂合金進(jìn)行焊接，得到以下結(jié)論：

（1）激光焊焊縫正面下塌嚴(yán)重，且焊縫存在大量的小尺寸氣孔，氣孔率為4.3%;激光-TIG、激光-超聲焊縫成形良好，存在少量下塌現(xiàn)象;激光-MIG焊的焊縫成形連續(xù)，焊縫表面呈現(xiàn)不規(guī)則的魚鱗紋。與激光焊接相比，其他三者焊縫中的氣孔率均有所降低，激光-TIG和激光-MIG焊縫中氣孔率分別為3.4%和3.9%，激光-超聲焊縫中氣孔率最低，僅為0.9%。

（2）AZ31B母材原始組織為細(xì)小的等軸晶，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的孿生現(xiàn)象，隨熱輸入的增大，焊縫組織晶粒尺寸有所長(zhǎng)大。硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)3種焊接接頭熱影響區(qū)硬度均呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不大;激光-MIG焊與激光-超聲復(fù)合焊接頭焊縫區(qū)硬度明顯高于其他兩種方法。

（3）力學(xué)性能測(cè)試得到4種接頭的抗拉強(qiáng)度均低于母材，其中激光-超聲焊接頭抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到母材的88.9%;不同方法焊接的拉伸斷口中都發(fā)現(xiàn)存在大量表征脆性斷裂的準(zhǔn)解理裂片層和少量表征韌性斷裂的韌窩，呈韌-脆混合斷裂。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王紅英，李志軍，梁雪峰，等. 鎂合金激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 焊接，2005（11）：9-13.

[2] GUO J，ZHOU Y，LIU C M，et al. Wire arc additive man-ufacturing of AZ31 magnesium alloy：grain refinement byadjusting pulse frequency[J]. Materials，2016，9（10）：823.

[3] PADMANABAN G，BALASUBRAMANIAN V. Optimizationof pulsed current gas tungsten arc welding process param-eters to attain manximum tensile strength in AZ31B mag-nesium[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society ofChina，2011，21（3）：467-476.

[4] WEI K W，GAO M，WANG Z M，et al. Effect of energyinput on formability，microstrucure and mechanical prop-erties of selective laser melted AZ91D magnesium alloy[J].Materials Science & Engineering A，2014，611（611）：212-222.

[5] LUO C，LI X，SONG D，et al. Microstructure evolution andmechanical properties of friction stir welded dissimilar jo-ints of Mg-Zn-Gd and Mg-Al-Zn alloys[J]. Materials Sc-ience & Engineering A，2016（664）：103-113.

[6] CHI C T，CHAO C G，LIU T，et al. A study of weldabilityand franture modes in electron beam weldments of AZ se-ries magnesium alloy[J]. Materials Science & EngineeringA，2006，435（11）：672-680.

[7] SUN Z，PAN D，WEI J. Comparative evaluation of tungsteninert gas and laser welding of AZ31 magnesium alloy[J].Science & Technology of Welding & Joining，2013，7（6）：343-351.

[8] 秦仁耀，孫兵兵，肇恒躍，等. ZM5鎂合金TIG焊接接頭組織與力學(xué)性能[J]. 材料工程，2016，44（6）：92-97.

[9] 王亞榮，張忠典. 鎂合金電阻點(diǎn)焊接頭中的缺陷[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2006，27（7）：9-12.

[10] 陳錚，劉錚. 厚板鋁/鎂合金紅外熱源輔助攪拌摩擦焊力學(xué)性能與組織分析[J]. 焊接技術(shù)，2014，43（9）：9-12.

[11] Chi C T，Chao C G，Liu T F，et al. A study of weldabilityand fracture modes in electron beam weldments of AZ se-ries magnesium alloys[J]. Materials Science & EngineeringA，2006，435（11）：672-680.

[12] CHOWDHURY S M，CHEN D L，BHOLE S D，et al. Mic-rostructure and mechanical properties of fiber-laser-weldedand diode-laser-welded AZ31 magnesium alloy[J]. Metal-lurgical and Materials Transactions A，2011，42（7）：1974-1989.

[13] 袁勝濤，梁鵬飛，成鑫，等. 鎂合金T形件激光-TIG復(fù)合熱源焊接[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2015，36（8）：101-104.

[14] 李娜，馬志華，陳東高，等. AZ31鎂合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭組織和疲勞性能研究[J]. 熱加工工藝，2016（7）：221-222.

[15] 沈言錦，劉海漁，李雪豐，等. 超聲對(duì)AZ31合金激光焊接頭組織與性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金，2016，36（4）：353-356.

[16] BAGGER C，OLSEN F O. Review of laser hybrid welding[J]. Journalof Laser Applications，2005（17）：2-14.

[17] 高明，張林，林天曉，等. 鎂合金激光、激光填絲及激光-電弧復(fù)合焊接接頭對(duì)比分析[J]. 金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011（40）：103-110.

[18] 鄧彩萍. 鎂合金薄板激光焊氣孔及裂紋形成機(jī)理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[19] 譚兵，陳東高，高明，等. AZ31變形鎂合金激光-MIG復(fù)合焊焊接組織和性能分析[J]. 航空材料學(xué)報(bào)，2008，28（6）：36-40.

[20] 高明，曾曉雁，林天曉，等. MB8鎂合金激光-MIG復(fù)合焊接分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2009，30（2）：71-74.

[21] 檀財(cái)旺，李俐群，陳彥賓，等. AZ31B鎂合金的光纖激光與CO2激光焊接特性[J]. 中國(guó)激光，2011，38（6）：1-7.