Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5非晶合金激光焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度表征

叢成明，馬焰議，王海燕，張宇鵬，趙鴻金，余陳，徐望輝

Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5非晶合金激光焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度表征

叢成明1,2，馬焰議1，王海燕1，張宇鵬1，趙鴻金2，余陳1，徐望輝1

（1.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣州 510651；2.江西理工大學(xué) 材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000）

探究激光焊接參數(shù)對(duì)非晶合金焊接接頭的組織演變、焊縫成形、晶化程度等的影響規(guī)律，以及控制接頭晶化的有效途徑。采用碟片激光器對(duì)Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5非晶合金進(jìn)行激光焊接，對(duì)比分析不同激光功率下，焊接速度對(duì)接頭熔寬和晶化組織形成的影響規(guī)律，并對(duì)接頭各區(qū)域微觀組織特征及硬度分布進(jìn)行測(cè)試分析。非晶合金激光焊接接頭成形良好，焊縫區(qū)組織整體為非晶，存在少量納米晶，熱影響區(qū)則發(fā)生明顯晶化現(xiàn)象。當(dāng)功率為1 200 W時(shí)，逐漸提升焊接速度，接頭晶化率由28.9%降到13.76%，熔寬由2.04 mm收窄至1.8 mm。當(dāng)功率為4 500 W時(shí)，逐漸提升焊接速度，接頭晶化率從9.99%下降為7.47%，焊縫晶化現(xiàn)象消失，熔寬從1.10 mm降到0.98 mm。調(diào)節(jié)關(guān)鍵焊接參數(shù)可實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)晶化現(xiàn)象的消失，使熱影響區(qū)晶化程度降低。大激光功率以及高焊接速度更有利于形成熔寬小、晶化程度低的焊接接頭。焊縫區(qū)硬度與母材基本保持一致，熱影響區(qū)由于發(fā)生晶化，硬度最高。

激光焊接；非晶合金；晶化；焊縫熔寬；硬度

非晶合金又稱金屬玻璃（Bulk Metallic Glass，BMG），其原子呈長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序排列，在微觀結(jié)構(gòu)上基本不存在晶體缺陷，這一特點(diǎn)使非晶合金具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、抗磨損及高屈服強(qiáng)度等優(yōu)異性能[1-3]，在3C電子、電力、航空航天等領(lǐng)域有著可觀的應(yīng)用前景[4-6]。然而由于非晶合金在制備時(shí)需要極快的冷卻速度以防止晶化，因此難以得到大尺寸或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非晶合金構(gòu)件[7]。研究者們?cè)噲D從材料設(shè)計(jì)角度進(jìn)行攻關(guān)，通過(guò)調(diào)整合金成分以擴(kuò)大過(guò)冷液相區(qū)和改進(jìn)材料制備條件來(lái)獲得大尺寸非晶合金，但目前依然面臨著制備設(shè)備及條件限制、非晶合金中含有貴金屬而無(wú)法推廣使用等眾多挑戰(zhàn)[8]。焊接作為一種高效的金屬連接方法，可以有效增大非晶合金尺寸、形成具有復(fù)雜幾何形狀的大型三維非晶合金結(jié)構(gòu)，成為了拓展非晶合金工程應(yīng)用范圍的主要途徑之一。

目前，非晶合金的焊接仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗粌H要求合金完好地連接在一起，還要避免結(jié)晶所導(dǎo)致的脆性和接頭整體強(qiáng)度的削弱[9]。在多種焊接方法中，激光焊接因具有高密度能量熱源、加熱和冷卻速度快、焊接精度高等特點(diǎn)，有利于控制非晶合金焊后的接頭晶化，成為非晶合金焊接的研究熱點(diǎn)[10-13]。影響焊接質(zhì)量的因素主要有加熱速率、冷卻速率與晶化溫度滯留時(shí)間，而這些影響因素都可以通過(guò)調(diào)控激光焊接工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行改變，從而有望獲得非晶態(tài)、性能優(yōu)異的焊接接頭[14]。Wang等[15]對(duì)Zr基非晶合金進(jìn)行了液冷裝置輔助Nd: YAG（釹摻雜釔鋁石榴石）激光焊接，采用液冷裝置輔助可提升冷卻速率，有效避免結(jié)晶的發(fā)生，而未使用液冷裝置的接頭在熱影響區(qū)出現(xiàn)Zr2Cu晶體。之后Wang等[16]又研究了初始焊接溫度和焊接參數(shù)對(duì)激光點(diǎn)焊Zr基非晶合金結(jié)晶行為的影響，在較低的能量輸入（1.3 kW）和較低的初始焊接溫度（0 ℃）條件下成功獲得了無(wú)結(jié)晶的熱影響區(qū)。Li等[9]利用納秒脈沖光纖激光器成功焊接了厚度為25 μm的非晶帶，且未發(fā)現(xiàn)結(jié)晶，在最佳的離焦長(zhǎng)度和功率因數(shù)下焊接，接頭的強(qiáng)度可達(dá)到母材的70%～90%。以上研究均表明，適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)及焊接條件可以有效減輕甚至避免焊接接頭的晶化現(xiàn)象。

目前關(guān)于非晶合金激光焊接的研究主要集中在1 000～3 000 W低功率低焊速工藝的優(yōu)化上[17-18]。相較于低功率激光焊接，高功率激光焊接由于提升了焊接速度，可以獲得更高的冷卻速率從而抑制接頭晶化。國(guó)內(nèi)外對(duì)這種大功率高速激光焊的對(duì)比研究報(bào)道相對(duì)較少，因此文中采用不同焊接參數(shù)對(duì)非晶形成能力較好的Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5非晶合金進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)研究不同激光焊接工藝尤其是大功率高速焊接對(duì)焊接接頭組織性能、晶化現(xiàn)象、焊縫成形等因素的影響，探索焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的非晶合金晶化機(jī)理及控制結(jié)晶的有效途徑，為非晶合金的焊接工藝方法和理論研究奠定一定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用的Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5非晶材料尺寸為70 mm×20 mm×1 mm。激光焊接系統(tǒng)由德國(guó)TRUMPF公司的Tru Disk10002型激光器（激光器功率最高10 kW）、可編程聚焦鏡組TRUMPF PFO 33及KUKA KR60HA六軸機(jī)械手共同組成。焊接前對(duì)材料表面進(jìn)行打磨清洗，防止材料表面雜質(zhì)、氧化物對(duì)焊后焊縫表面及內(nèi)部組織造成影響。為加速焊接接頭冷卻，實(shí)驗(yàn)采用可通水的銅質(zhì)夾具對(duì)樣品進(jìn)行夾持。同時(shí)，焊接過(guò)程在充滿氬氣（純度為99.99%）的保護(hù)氣罩中進(jìn)行，盡量減小氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，激光焊接夾具示意圖如圖1所示。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 激光焊接夾具示意圖

表1 激光焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters of laser welding

焊接完成后，將試樣垂直于焊縫切開(kāi)，經(jīng)過(guò)鑲嵌、打磨、拋光和腐蝕制成金相試樣，腐蝕液為3 mL HF+50 mL HNO3+60 mL H2O。使用日本理學(xué)生產(chǎn)的Rigaku Smart Lab SE型X射線衍射儀（X-Ray Diffraction，XRD）對(duì)焊后接頭晶化相進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)德國(guó)蔡司的Ario Imager M2m型金相顯微鏡和FEI公司的Titan G2 300透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy，TEM）對(duì)樣品的熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）和焊縫區(qū)（Weld Zone，WZ）的晶化組織進(jìn)行觀察，使用Buehler公司的VH1202型顯微維氏硬度儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，載荷為0.2 kg，保載時(shí)間為10 s。

2 結(jié)果與討論

對(duì)第1組和第2組焊接接頭進(jìn)行XRD檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示，幾組焊接樣品在2=38.1°處均出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)衍射峰，對(duì)比PDF卡片（41?0898），將其標(biāo)定為NiZr2相，對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為（333）。之后選取5#樣品進(jìn)行微區(qū)XRD檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)晶化相出現(xiàn)在熱影響區(qū)內(nèi)。

圖2 1#—6#樣品焊后接頭XRD曲線

圖3 3#、6#和7#的焊接接頭

圖4 6#接頭各區(qū)域的TEM表征

通過(guò)ImagePro軟件統(tǒng)計(jì)陰影面積占接頭的比例，即可得到接頭晶化率，進(jìn)而反映出接頭的晶化程度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。第1組實(shí)驗(yàn)的激光功率固定為1 200 W，焊接速度依次為50、55、60 mm/s。如圖3a所示，由于焊接速度相對(duì)較慢，不僅熱影響區(qū)晶化嚴(yán)重，在熔合線附近也出現(xiàn)了少量晶化。由圖5可知，當(dāng)焊接速度為50 mm/s時(shí)，由于能量輸入較大，導(dǎo)致接頭晶化嚴(yán)重，晶化率達(dá)到28.9%，焊縫熔寬為2.04 mm；將焊接速度提升到55 mm/s，接頭熱輸入減小，接頭晶化率降為18.31%，焊縫熔寬也縮小到1.85 mm；繼續(xù)將焊接速度提升為60 mm/s，接頭晶化程度進(jìn)一步減小，晶化率下降到13.76%，只有遠(yuǎn)離中心高溫區(qū)域的熱影響區(qū)發(fā)生了晶化，焊縫熔寬收窄至1.8 mm。綜上所述，激光功率相同時(shí)，提高焊接速度可減小晶化組織形成，接頭熔寬也可以得到較好的控制。但在此激光功率下繼續(xù)提高焊接速度，焊接接頭將無(wú)法焊透，因此為實(shí)現(xiàn)高速激光焊接，激光功率也需要隨之提高。

第2組實(shí)驗(yàn)采用的激光功率固定為4 500 W，焊接速度依次為450、475、500 mm/s。從圖3b可清楚看到，大功率激光焊接形成的焊縫相對(duì)于低功率低速焊接焊縫寬度明顯收窄，接頭晶化率也明顯下降，且只有熱影響區(qū)發(fā)生晶化，熔合線附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯晶化現(xiàn)象。通過(guò)圖5可知，大功率高速激光焊接對(duì)接頭晶化率和焊縫熔寬的影響規(guī)律與低功率激光焊接時(shí)保持一致，在高速焊接下，焊接接頭的晶化控制和成形效果得到了改善，但由于激光功率較大，隨著焊接速度的提高，焊縫熔寬和接頭晶化率的變化幅度沒(méi)有低功率低速焊接時(shí)顯著，焊縫熔寬從1.10 mm降到0.98 mm，接頭晶化率從9.99%下降為7.47%。

圖5 不同焊接工藝下接頭的晶化程度及熔寬統(tǒng)計(jì)

從固定激光功率為1 200 W和4 500 W的2組實(shí)驗(yàn)可以看出，非晶合金焊接接頭熱輸入的控制對(duì)其晶化程度有著重要影響，在相同的激光功率下，逐步提高焊接速度，接頭線能量隨之減小，熱影響區(qū)得到的熱量不足以向更遠(yuǎn)處母材傳導(dǎo)，使其晶化面積逐漸減小，進(jìn)而得到控制。當(dāng)焊接速度提高到一定程度時(shí)，接頭熱輸入過(guò)小將不能焊透合金。將激光功率提高至4 500 W，為防止線能量過(guò)大將接頭燒穿，焊接速度也需配合激光功率大幅提高，極快的焊接速度使焊縫區(qū)熱量停留時(shí)間更短，冷卻速率進(jìn)一步提高，焊縫區(qū)熔融金屬變少，寬度變窄。熱影響區(qū)由于熱循環(huán)和熱積累作用，晶化相的出現(xiàn)仍然不能避免，但由于焊接速度快，熱量停留時(shí)間短，晶化面積相對(duì)于低功率低速焊接得到了進(jìn)一步控制。

具有大功率高焊接速度的6#接頭對(duì)應(yīng)的熱輸入為9 J/mm，其表現(xiàn)出最低的晶化率和最小的焊縫熔寬。因此，固定熱輸入約為9 J/mm，依次進(jìn)行了6 000、5 000、4 000 W激光功率的焊接實(shí)驗(yàn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)從高功率焊接向低功率焊接變換時(shí)，為保證熱輸入相同，焊接速度需要相應(yīng)降低。從圖5可以看出，由于接頭能量輸入不變，焊接速度變慢，導(dǎo)致接頭晶化率從8.97%逐漸提高到12.21%，但焊縫熔寬的變化不顯著。當(dāng)繼續(xù)降低激光功率至4 000 W以下，部分焊縫位置開(kāi)始出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，說(shuō)明即使接頭能量輸入相同，但激光功率過(guò)小將不能保證接頭完全焊透。當(dāng)進(jìn)行大功率焊接時(shí)，焊接速度極快，焊接過(guò)程幾乎瞬間完成，使接頭獲得更高的加熱和冷卻速率，從而減小熱影響區(qū)的晶化面積。因此，在同等熱輸入條件下，大功率高焊接速度更有利于獲得晶化程度小、熔寬較窄的焊接接頭。

使用顯微硬度儀對(duì)每組焊接接頭進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試方向依次為母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)，測(cè)試結(jié)果如圖6a所示。為進(jìn)一步了解焊件接頭整體的硬度分布情況，對(duì)3#和6#進(jìn)行了硬度分布陣點(diǎn)圖的繪制。測(cè)試結(jié)果如圖6b—c所示，3#和6#接頭母材和焊縫區(qū)硬度基本相同，而熱影響區(qū)大量晶化后形成的NiZr2相有助于材料硬度的提高[20-21]，使熱影響區(qū)的硬度值略高于母材和焊縫區(qū)；高功率高速焊接接頭（6#）的高硬度黃色區(qū)域比低功率低速焊接接頭（3#）明顯減小，說(shuō)明高功率高速焊接更容易獲得晶化程度低的焊接接頭，與之前分析的結(jié)果一致。

圖6 3#和6#接頭各區(qū)域的顯微硬度分析

3 結(jié)論

1）激光焊接非晶合金晶化現(xiàn)象主要發(fā)生在接頭熱影響區(qū)，焊縫區(qū)組織整體為非晶，存在少量納米晶。保持激光功率不變，通過(guò)提高焊接速度可以減小接頭晶化面積，同時(shí)還可以收窄接頭熔寬寬度。

2）在不同激光功率下進(jìn)行焊接，焊接速度對(duì)接頭晶化組織形貌的影響規(guī)律一致，由于大激光功率焊接時(shí)，焊接速度極快，高溫停留時(shí)間短，所以其熱影響區(qū)晶化面積和焊縫熔寬的控制效果均要好于低功率低速焊接。

3）在保證熱輸入相同的情況下，使用大功率激光焊接接頭的晶化控制效果仍好于低功率激光焊接接頭，但大功率激光高能束的沖擊，使其焊縫反而要比低功率焊接時(shí)更寬。

4）由于熱影響區(qū)晶化產(chǎn)生的NiZr2相對(duì)材料的硬度有增益作用，因此接頭硬度熱影響區(qū)最高，焊縫區(qū)硬度與母材基本保持一致。

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Microstructure and Microhardness Characterization of Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5Amorphous Alloy Laser Welded Joint

CONG Cheng-ming1,2, MA Yan-yi1, WANG Hai-yan1, ZHANG Yu-peng1, ZHAO Hong-jin2, YU Chen1, XU Wang-hui1

(1. China-ukraine Institute of Welding, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510651, China; 2. Faculty of Materials Metallurgy and Chemistry, Jiangxi University of Science and Technology, Jiangxi Ganzhou 341000, China)

This paper aims to explore the effect of laser welding parameters on the microstructure evolution, weld forming and crystallization degree of amorphous alloy welded joint, and the effective way to control the crystallization of the joint. In this paper, Zr58Nb2.76Cu15.46Ni12.74Al10.34Y0.5amorphous alloy was welded by the disc laser beam. The effect of welding speed on the fusion width and crystallographic structure of the joint under different laser powers was compared and analyzed, and the microstructures and microhardness distributions of each region in the welded joints were tested and analyzed. The results show that the amorphous alloy laser welded joint is well-formed, the microstructure of the weld zone is amorphous with a small amount of nanocrystalline, and the heat-affected zone has obvious crystallization. When the power was 1 200 W, the welding speed was gradually increased, the joint crystallization rate decreased from 28.9% to 13.76%, and the melting width narrowed from 2.04 mm to 1.8 mm. When the power was 4 500 W, the welding speed was gradually increased, the joint crystallization rate decreased from 9.99% to 7.47%, the weld crystallization phenomenon disappeared, and the melting width decreased from 1.10 mm to 0.98 mm. Adjusting the key welding parameters can realize the disappearance of the crystallization phenomenon in the weld zone and reduce the degree of crystallization in the heat-affected zone. Larger laser power and higher welding speed are more conducive to obtaining the welded joints with small melting width and low crystallinity. The hardness of the weld zone is similar to that of the base material while the heat-affected zone has the highest hardness due to crystallization.

laser welding; amorphous alloy; crystallization; weld width; hardness

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.016

TG456.7

A

1674-6457(2022)05-0109-06

2021?09?10

廣東省科學(xué)院建設(shè)國(guó)內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)（2019GDASYL?0103075）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFE0205300）；廣州市科技項(xiàng)目（201807010035，201807010011）；國(guó)家自然科學(xué)基金（52005112）

叢成明（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)閬喎€(wěn)β鈦合金電子束焊接及非晶合金激光焊接。

王海燕（1992—），女，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榉蔷Ш辖鸺す夂附蛹肮δ鼙∧げ牧现苽渑c表征。

責(zé)任編輯：蔣紅晨