鋯基非晶合金激光焊接的性能與微觀組織研究①

劉武猛, 郭 純， 吳隨松， 李 云， 康泰宇， 營 夢(mèng)

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 滁州 233100)

0 引 言

與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金相比，非晶合金的內(nèi)部原子表現(xiàn)出明顯的長(zhǎng)程無序性與短程有序性。非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和物理性能，如高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)異的軟磁性和耐腐蝕等[1]，因此被廣泛應(yīng)用于軍工、醫(yī)療、航空航天、超導(dǎo)和電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域[2]。

非晶合金的應(yīng)用前景廣泛，常用的制造方法主要是銅模鑄造法、粉末冶金和激光增材制造法[3]，這些辦法都需要非晶合金在制造過程中有較快的冷卻速度，才能保持良好的非晶特性，因此制造出的非晶合金尺寸都比較小[4-6]。通過焊接得到較大尺寸的非晶合金，能極大地拓寬非晶合金的應(yīng)用范圍。

目前對(duì)于非晶合金的焊接技術(shù)并不成熟，主要的研究方向是從工藝方面來改善非晶合金的加工質(zhì)量[7-9]，從而將非晶合金的優(yōu)異性能應(yīng)用在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究[8,10,11]，基本可以發(fā)現(xiàn)晶化都發(fā)生在熱影響區(qū)，因此在保證焊透的情況下盡量減少熱輸入可以有效地降低晶化發(fā)生情況[12-14]。雖然傳統(tǒng)的焊接方法對(duì)非晶合金的焊接不能起到很好的效果，但是還是有研究表明還有爆炸焊[15]、電子束焊[16]、超聲波焊[17]、摩擦焊[18]和攪拌摩擦焊[19]等焊接方法可以對(duì)非晶合金進(jìn)行焊接。非晶合金材料在航空航天、精密儀器生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但目前涉及這些領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用仍處于起步階段[1]，因此對(duì)于非晶合金的激光焊接技術(shù)研究是具有重要意義也是必要的。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用的材料為2.0mm厚度的鋯基非晶合金，通過Niton牌XL2手持式光譜分析儀對(duì)待焊板材進(jìn)行分析，得出的成分如表1所示。通過線切割將板材加工成10.0mm*20.0mm*2.0mm大小的尺寸，表面粗糙度和氧化層對(duì)激光焊接的焊縫成型有較大影響，因此對(duì)加工過的待焊接材料表面及邊緣進(jìn)行打磨。為了防止材料表面的有機(jī)物等雜質(zhì)對(duì)焊接接頭成分產(chǎn)生影響，因此將打磨好的材料放入丙酮溶液中清洗，清洗后干燥備用。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋯基非晶合金成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

實(shí)驗(yàn)使用的激光器為IPG品牌的YLS-6000型光纖激光器，通過KUKA機(jī)器人的編程，實(shí)現(xiàn)激光焊接的軌跡。通過前期的探索，將焊接的參數(shù)大致確定為功率1200W，焊接速度0.03m/s，離焦量為-2mm，保護(hù)氣采用99.99%濃度的高純氬，正面送氣速度25L/min，背面送氣速度15L/min。對(duì)焊接接頭性能影響較大的參數(shù)主要為激光焊接的功率和焊接速度，因此控制其他參數(shù)不變，針對(duì)不同的激光焊接功率和激光焊接速度展開實(shí)驗(yàn)。表2列出了鋯基非晶合金激光焊接實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)。

表2 實(shí)驗(yàn)的激光焊接工藝參數(shù)

焊接完成后，將焊接件進(jìn)行表面打磨，并對(duì)焊縫的正反面進(jìn)行觀察，觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)編號(hào)為a的焊接件正面成型最好，焊縫背面無明顯氧化，但是焊縫背面部分區(qū)域未完全焊透。其余實(shí)驗(yàn)組外觀相差不大，表面泛黑且有薄的氧化層，焊縫背面全部焊透但有少量氧化，其中實(shí)驗(yàn)組4的焊縫背面氧化較明顯，焊縫周圍有較窄的氧化區(qū)。將焊接接頭垂直于焊縫進(jìn)行線切割，取一部分用于觀察金相組織和顯微硬度實(shí)驗(yàn)，其余部分進(jìn)行XRD檢測(cè)，來觀察焊縫的晶化情況與焊縫物相組成。將金相部分的焊接試樣鑲嵌，并進(jìn)行打磨和拋光，使用5 mL HF+7.5 mL HCl+12.5 mL HNO3+475 mL H2O的溶液腐蝕，腐蝕時(shí)間均為5s。使用型號(hào)為HV-1000Z的維氏顯微硬度儀對(duì)熔化區(qū)、母材和熱影響區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為200g，保載時(shí)間為10s，測(cè)試方向垂直于焊縫，每個(gè)間隔1mm，從母材到熱影響區(qū)到熔化區(qū)中心再到另一邊母材。使用型號(hào)為普析通用XD-3的X射線衍射儀對(duì)母材和不同功率形成的焊縫進(jìn)行掃描。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭物相與微觀組織分析

非晶合金的焊接除了需要不出現(xiàn)常規(guī)焊接的夾渣、咬邊、氣孔、結(jié)瘤等缺陷，還需要盡量減小熱輸入來防止非晶合金的焊接接頭出現(xiàn)晶化。為了測(cè)定不同焊接參數(shù)的焊接接頭的物相組成與晶化情況，因此對(duì)所有的焊接接頭均進(jìn)行了X射線衍射分析，分析結(jié)果如圖1所示。母材的XRD圖出現(xiàn)了非晶合金常見的饅頭峰，出現(xiàn)饅頭峰也證明了實(shí)驗(yàn)使用的板材為質(zhì)量可靠的非晶合金板材。使用1000W功率，速度為0.03m/s的焊接接頭晶化情況最少，物相圖接近母材的饅頭峰。超過1000W的功率后，其余實(shí)驗(yàn)組焊接接頭均出現(xiàn)少量的晶化，且物相以Zr-Ti為主。晶化產(chǎn)生的原因是因?yàn)榘宀妮^厚，焊接需要較大的熱輸入才能完全焊透，而實(shí)驗(yàn)所用的夾具為普通鑄鐵夾具，散熱能力有限，熱影響區(qū)的散熱速率小于熔化區(qū)的冷卻速率，因此在焊接過程中熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生少量晶化。晶化產(chǎn)生的另一個(gè)原因可能是保護(hù)氣氛圍不夠純凈，在激光對(duì)熔池進(jìn)行攪拌時(shí)，在熔化區(qū)產(chǎn)生少量氧化，這種也會(huì)增加焊接接頭的晶化率。

除了使用XRD來對(duì)焊接接頭的晶化檢測(cè)外，還可以觀察金相來輔助判斷焊接接頭的晶化情況。在鑲嵌、拋光和腐蝕后使用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊縫的整體形貌進(jìn)行了觀察，圖2為不同參數(shù)下的焊接接頭的橫截面形貌。將d號(hào)樣重新打磨后使用掃描電鏡觀察整體形貌，圖3為d號(hào)焊接樣在掃描電鏡下的焊縫的整體形貌。可以觀察到焊縫的熔化區(qū)與熱影響區(qū)的交界處明顯，熱影響區(qū)較窄，熱影響區(qū)與熔化區(qū)的交界處有明顯的分界線，且在熔化區(qū)靠近熱影響區(qū)位置可以觀察到存在晶粒。

對(duì)后續(xù)對(duì)熱影響區(qū)與熔化區(qū)交界處和熱影響區(qū)與母材交界處展開更細(xì)致的觀察，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)這兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀察。圖4為母材與熱影響區(qū)交界處的金相圖，在母材部分因?yàn)榉蔷Ш辖鸬拈L(zhǎng)程無序性，表面無傳統(tǒng)的晶體合金常見的位錯(cuò)和缺陷，表面質(zhì)量好。圖5為熔化區(qū)與熱影響區(qū)交界處的金相圖，通過金相圖可以觀察到焊縫無明顯氣孔，可以觀察到有較多細(xì)小的晶粒。在對(duì)比熱影響區(qū)與熔化區(qū)和熱影響區(qū)與母材交界處的金相圖可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)與母材的交界處模糊，且在母材側(cè)未出現(xiàn)明顯的顆粒，而在熱影響區(qū)與熔化區(qū)的交界處，可以觀察到有明顯的分界線，并且在熔化區(qū)有密集的晶粒。

2.2 焊接接頭力學(xué)性能分析

使用顯微硬度計(jì)對(duì)焊接樣件的顯微硬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的方向垂直于焊縫，從母材到焊縫中心進(jìn)行測(cè)量，通過各組焊接試樣的顯微硬度數(shù)據(jù)對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)各組焊接接頭顯微硬度較為接近，圖6為各組焊接參數(shù)得到的焊接接頭的顯微硬度圖。通過圖6可以觀察到顯微硬度最高的位置是熔化區(qū)，其次是母材，顯微硬度最低的是熱影響區(qū)。根據(jù)非晶合金的特性，可以分析出熱影響區(qū)的顯微硬度較低的原因是熱影響區(qū)散熱較慢，導(dǎo)致出現(xiàn)晶化。焊接接頭的熔化區(qū)顯微硬度高是因?yàn)槿刍瘏^(qū)的冷卻速率極快，會(huì)產(chǎn)生納米晶對(duì)熔化區(qū)進(jìn)行增強(qiáng)[7]。

其他幾組焊接參數(shù)的焊接樣件的顯微硬度，略低于第二組焊接樣件的顯微硬度，整體的顯微硬度變化規(guī)律與第二組相似，熔化區(qū)與母材有著相近的顯微硬度，熱影響區(qū)的顯微硬度最低。焊接樣件的顯微硬度的測(cè)試結(jié)果也與非晶合金的焊接性質(zhì)相吻合，因?yàn)槿刍瘏^(qū)的溫度最高，在焊接后降溫速率極快，不產(chǎn)生晶化或產(chǎn)生納米晶對(duì)局部進(jìn)行增強(qiáng)，而熱影響區(qū)的散熱較慢，溫度變化速率較低，因此產(chǎn)生的晶化較多。

對(duì)鋯基非晶合金的母材和激光焊接件使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，母材的強(qiáng)度為1203.11MPa。實(shí)驗(yàn)編號(hào)2的焊接件拉伸性能最佳，為280MPa,表3為各組試樣的拉伸性能。母材發(fā)生剪切性斷裂，拉伸斷口的垂直加載軸與斷裂面夾角為59°，明顯高于45°最大剪切應(yīng)力面，但在50°～65°之間，且端口表面不平整，這也是在非晶合金拉伸中普遍存在的結(jié)果[14,17]。焊接件的斷裂面基本垂直于拉伸軸方向，端口較為平整，且斷裂處均為熱影響區(qū)，可以判斷為脆性解理斷裂模式。造成焊接件這種斷裂結(jié)果的主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)使用的板材較厚，在未使用冷卻焊接夾具的情況下，散熱較慢，使得熱影響區(qū)的晶化較為嚴(yán)重，并且實(shí)驗(yàn)未在純氬環(huán)境下進(jìn)行，鋯元素在焊接時(shí)極易吸收氧氮而形成穩(wěn)定的化合物并形成缺陷，因此焊接件因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)晶化較多和存在鋯的氮氧化合物而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度低于母材。

表3 各組焊接接頭的拉伸性能

后續(xù)對(duì)焊接件的拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，表現(xiàn)為與拉伸軸基本垂直的正斷破壞，通過對(duì)斷面進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)并觀察表面形貌，斷口處呈現(xiàn)河流狀脈絡(luò)，可以判斷為脆性解理斷裂模式，圖7為焊接斷口在掃描電鏡下呈現(xiàn)的形貌圖，通過圖7-b、2-c可以觀察到有熔滴狀物質(zhì)存在，說明斷裂處存在非晶相。根據(jù)馬焰儀等人[14]的研究結(jié)果，可以分析該相的析出會(huì)導(dǎo)致非晶合金焊縫力學(xué)性能的下降，存在相的析出導(dǎo)致力學(xué)性能下降是該處在拉伸測(cè)試中斷裂的主要原因。

3 結(jié)論與焊接改良分析

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在未使用冷卻夾具的情況下，對(duì)于2mm厚度的鋯基非晶合金使用1100W功率、0.03m/s焊接速度和-2mm離焦量能得出綜合性能最優(yōu)的焊接接頭。

2)通過XRD檢測(cè)焊縫的物相發(fā)現(xiàn)，在激光焊接時(shí)輸入的能量越高，產(chǎn)生的晶化越明顯。

3)焊接件因?yàn)樵跓嵊绊憛^(qū)存在晶化，因此拉伸實(shí)驗(yàn)后斷裂處在熱影響區(qū)，斷裂模式為脆性斷裂。

基于非晶合金的特性和基本性質(zhì)，對(duì)于非晶合金的焊接實(shí)驗(yàn)改良可以從改良焊接的保護(hù)氣氛圍、減小熱輸入和加快散熱入手。因?yàn)閆r極易在高溫下與氮和氧形成化合物[20]，因此可以著手改善保護(hù)氣的氛圍來防止熔化區(qū)產(chǎn)生鋯的氮氧化合物。脈沖激光焊接相比傳統(tǒng)的激光焊接，能在有效的減少熱輸入的同時(shí)，對(duì)非晶合金的焊縫處進(jìn)行沖擊，能使新生成的晶枝被沖擊破碎成更小的晶粒[21]，因此使用脈沖激光焊接也可以有效減少焊縫的晶化情況。