ZK60鎂合金的CO2激光焊接工藝研究

謝麗初，陳振華，俞照輝

(1. 邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000；2. 湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410082)

隨著環境和能源問題越來越突出，世界各國都提出“綠色制造”概念，即考慮環境影響和資源消耗的現代制造模式[1?2]。鎂合金具有較高的比強度和比剛度、回收性能好、無污染和資源豐富等特點，已成為材料研究和應用的一大熱門，被廣泛地應用于航空航天、汽車、電訊等領域[3?4]。與常用的 AZ(Mg-Al-Zn)和AM(Mg-Al-Mn)系鎂合金相比，ZK(Mg-Zn-Zr)系鎂合金具有更高的強度、優異的抗應力腐蝕開裂性能及可熱處理強化等優點，廣泛地應用于制造質量輕、強度高的航空零部件，如飛機的翼肋、直升飛機的齒輪箱等[5]。其中最典型的 ZK60鎂合金不但在熱加工態下具有較高的塑性，而且在室溫下的力學性能也很高，擠壓的ZK60鎂合金經過實效后，室溫強度是常規商用變形鎂合金中最高的。因此，ZK60鎂合金可以成為發展高強度鎂合金很有潛力的一種基礎合金[6]。但是，該系合金中的主要強化元素是Zn，隨著Zn含量的增加，結晶溫度區間變寬，熱裂傾向增大，焊接性能變差[7]。由于傳統的電弧焊方法[8?9]具有較高的熱輸入，焊接接頭性能較差，同時，導致較大的焊接變形和較高的殘余應力，難以對ZK60鎂合金實現穩定連接。激光焊接作為一種先進的連接技術，具有速度快、線能量輸入低、焊后變形小、接頭強度高等優點[10?15]，成為焊接ZK60鎂合金的優選方法。目前，鎂合金激光焊接技術的研究還處于起步階段，對鎂合金的激光焊接研究主要集中在鎂合金的連續CO2激光焊接和脈沖YAG激光焊接領域，焊接的材料也多集中在AZ與AM系列，對ZK系列鎂合金焊接的研究較少。在此，本文作者采用連續CO2激光焊接設備對高強度ZK60鎂合金薄板進行焊接，并對焊接工藝參數(激光功率、焊接速度)對ZK60鎂合金激光焊接接頭的成形性能、顯微組織及力學性能進行研究。

1 試驗方法

試驗采用經擠壓、軋制加工而成的ZK60鎂合金薄板，厚度為2 mm，其抗拉強度為355 MPa，伸長率為9.6%。其化學成分見表1。采用剪板機將板材剪成長×寬為120 mm×50 mm的長方形試樣，然后，用刨床刨平端面，再用鋼絲刷去除其表面的氧化層。焊前采用丙酮清洗以去除表面的油脂，干燥后分別用砂布和鋼刷去除氧化膜。用99.99%的高純氬氣作為焊接保護氣體。

表1 ZK60鎂合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of ZK60 magnesium alloy%

焊接設備采用GS?TFL?5KW型高功率橫流CO2激光器，激光束連續輸出。焊接時采用對接方式，不加填充金屬，雙面氬氣保護，單面焊雙面成形。為防止焊接變形，焊件兩端采用夾具固定。在試驗過程中主要研究激光功率和焊接速度變化對ZK60鎂合金焊接質量的影響，具體工藝參數如表2所示。焊接試驗后，采用線切割對焊件進行切割并打磨，去除表面的凹坑及背面的余高，隨后利用WDW?E200的微機控制電子萬能試驗機對焊接接頭進行拉伸，取各參數條件下3個試樣的測試平均值作為該狀態下的強度，再在 JSM?5610掃描電鏡上觀察其斷口形貌，在 Leitz MM?6金相顯微鏡上觀察微觀組織。

表2 ZK60鎂合金激光焊接試驗的工藝參數Table 2 Process parameters of ZK60 magnesium alloy in laser welding

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫成型特點

ZK60鎂合金激光焊接典型的焊縫表面形貌如圖1所示。從圖1可見，在合適的工藝條件下，ZK60鎂合金試樣完全被焊透，焊縫正面的寬度約為2.0 mm，而背面的寬度為1.5 mm左右。由于激光高能量密度及ZK60鎂合金相對較低的熔點(341 ℃)，使焊縫的正面出現了凹陷的揮發坑。但焊縫的背面成形美觀，魚鱗紋均連續均勻，無明顯的氣孔、裂紋及未熔合等表面缺陷存在。

圖1 ZK60鎂合金激光焊接的典型焊縫形貌Fig.1 Typical weld appearance of laser welded ZK60 magnesium alloys

2.2 工藝參數對焊接質量的影響

2.2.1 焊縫宏觀成形

圖2 激光功率對焊縫成形的影響Fig.2 Effects of laser power on weld shaping

激光功率是影響焊接接頭質量的重要因素。圖 2所示為不同激光功率條件下的ZK60鎂合金焊接接頭宏觀形貌。從圖2可以看出：焊縫熔深和熔寬隨激光功率的增加而增大。圖2(a)中試件A沒有完全熔透，說明激光功率太低，無法獲得使焊接界面處金屬完全熔化所需的熱量，難以形成穩定的焊縫，并有一定的錯邊。圖2(c)中試件C焊縫熔寬最大。這是因為激光功率增大，熱輸入增加，使得熔化的金屬量增加，熔寬也就相應增大；另外，在焊縫的上表面出現了一定凹陷。究其原因，一方面是鎂合金表面張力小，在高功率激光的沖擊過程中，易造成氣化物和熔化物的拋出；另一方面是合金成分對下塌量的影響也較大，合金中的低熔點元素Mg和Zn在激光高能束的作用下很快達到沸點而蒸發，形成金屬蒸汽，金屬蒸汽快速蒸發對熔池產生很大的反作用力，使得熔池產生爆炸性飛濺，也會導致焊縫下塌；同時，產生的飛濺易造成反射聚焦鏡污染，再加上過高的激光功率也容易使透鏡過熱變形，焦點隨之改變，從而造成焊接過程的不穩定。

在激光功率一定的條件下，焊接速度是影響焊縫熔池形狀及焊接質量的重要因素之一。焊接速度不同，則熔池中心及邊緣溫度梯度、熔池形狀不同。圖3所示為焊接速度對焊縫成形的影響。從圖3可以看出：試件E的焊縫熔寬明顯大于試件D的焊縫熔寬，且它們都大于圖2中試件B的焊縫熔寬。說明在一定的激光功率下，隨著焊接速度的減小，焊接熱輸入增加，熔池體積增大，焊縫的熔寬明顯增加。這是因為隨著焊接速度的變小，熔池流動方式和尺寸將會改變，低速下熔池大而寬，且容易產生下塌(如圖 3(b)所示)，此時，熔化金屬的含量較大，金屬熔池的重力太大，表面張力難以維持處于焊縫中的熔池，而從焊縫中間滴落或下沉，在表面形成凹坑；同時，焊接速度減小，會使單位長度的熱輸入增加，導致熔化金屬增多，接頭尺寸增大；同時，小孔區的溫度上升，小孔內的金屬蒸汽壓力增加導致小孔尺寸增大，對激光的吸收也增加，因此，熔寬也就相應增大。高速焊接時，匙孔尾部原朝向焊縫中心強烈流動的液態金屬由于來不及重新分布，便在焊縫兩側凝固，形成咬邊缺陷[16]，如圖 2(b)所示。可見：焊接速度對焊縫熔寬有顯著的影響。

圖3 焊接速度對焊縫成形的影響Fig.3 Effects of welding speed on weld shaping

2.2.2 接頭微觀組織

圖4所示為ZK60鎂合金母材的微觀組織。由圖4看出：母材的晶粒呈典型六角晶，晶界均為大角度晶界，無明顯的變形孿晶，為典型的經軋制成形后進行完全的退火再結晶組織。

圖4 ZK60鎂合金母材的微觀組織Fig.4 Microstructure of base metal of ZK60 magnesium alloys

為了更好地對比焊接工藝參數對ZK60鎂合金焊接接頭顯微組織的影響，金相照片均取自于焊縫上表面以下1 mm的焊縫中心區域。圖5所示為激光功率對焊縫中心觀組織的影響。從圖5可以看出：當焊接速度一定時，隨著激光功率的增大，焊縫中組織晶粒逐漸長大；當激光功率較小時，加熱到高溫的區域減小，在高溫的停留時間短，熔池的冷卻速度很大，使晶粒細化，形成細小的等軸晶(如圖5(a)所示)；當激光功率較大時，因熱輸入量增加，在高溫的停留時間增長，熔池的冷卻速度減小，隨著凝固過程的進行，溶質在界面附近富集，導致成分過冷的出現，同時，溫度梯度也隨著凝固過程的進行而變小，形成了比較大的等軸晶(如圖5(c)所示)；當激光功率介于以上兩者之間時，冷卻速度和溫度梯度的變化相對比較平穩并形成均勻的等軸晶，其晶粒粒徑介于試件A和試件C的之間(如圖 5(b)所示)。

圖6所示為焊接速度對接頭微觀組織的影響。從圖6可見：在激光功率不變的情況下，增大焊接速度，焊縫區晶粒尺寸減小。這是因為提高焊接速度將會使熔池中心的溫度梯度下降，成分過冷增大，晶粒成長的平均線速度(即結晶速度)也增大，結晶加快；又因激光能量高，鎂合金導熱系數高，致使焊接接頭處的溫度梯度很大，同時，晶粒細化元素限制了晶粒長大，因此，快速焊接時，在焊縫中心往往會出現細小均勻的等軸晶(如圖 5(b)所示)；而低速焊接時，單位時間內輸入熔池的能量較多即熱輸入增加，冷卻速度減慢，焊縫中出現的等軸晶較大(如圖6(b)所示)；當焊接速度居中時，在焊接接頭中出現了較細的等軸晶(如圖6(a)所示)。由于激光焊能量密度高，焊接速度大，因此，焊縫中心的晶粒較細。

圖6 焊接速度對焊接接頭微觀組織的影響Fig.6 Effects of welding speed on microstructure of weld joint

2.3 拉伸試驗結果

對不同工藝參數下形成的焊接接頭進行了抗拉強度的測量，試驗結果如表3所示。在拉伸試驗中發現：在拉應力作用下，試樣都是在焊縫處被拉斷。從表 3可見：在激光功率為1 kW，保護氣體氬氣流量為15 L/min，焊接速度為3 m/min的條件下，焊接接頭的抗拉強度最高，可達284.2 MPa，為母材強度的80.4%。圖7所示為焊接接頭拉伸斷口的SEM形貌。斷裂發生在焊縫區，顯示為混合斷口形式，焊縫處沒有明顯的頸縮。從圖 7(a)可以看到：激光焊接件焊縫表面呈現脆性斷裂的特征，斷裂時產生解理面；焊縫中心位置呈現斷裂特征，分布有大量韌窩，表現出韌性斷裂特征，也有部分脆性斷裂，但以韌性斷裂為主。由圖7(b)可知：斷口表面有一些孔洞存在，它將成為接頭發生斷裂的裂紋源。因為氫在溶解過程中溶解度急劇減小，焊縫冷卻后有一部分氫來不及逸出而形成氣孔，所以，焊前必須清除接頭端面處的油污和氧化膜并加強對熔池的保護，采用干燥的氬氣加強對激光熔池的保護，并控制好氬氣的流量。實驗證明：焊前對鎂合金板材進行徹底清洗和加強保護氣氛能有效地減少焊縫氣孔。

表3 ZK60鎂合金激光焊接接頭的抗拉強度Table 3 Joint ultimate tensile strength of ZK60 magnesium alloy in laser welding MPa

圖7 斷口形貌的掃描電鏡照片Fig.7 SEM images of fracture surface

3 結論

(1) 利用CO2激光焊接系統焊接的ZK60鎂合金接頭變形小，正、反面寬度均小于 2 mm。焊縫截面呈深酒杯狀，為典型的深熔焊接頭。

(2) 激光功率和焊接速度是影響焊縫成形和接頭微觀組織的2個主要工藝參數。激光功率增加，焊接速度減小導致熱輸入量大，焊縫熔深和熔寬增大；焊縫中的晶粒尺寸隨著激光功率的增大而增大，隨焊接速度的變小而增大。合適的焊接工藝參數有利于焊縫獲得細小的等軸晶組織。

(3) 激光功率與焊接速度對鎂合金板材焊接接頭的力學性能有很大的影響。當激光功率為1 kW，保護氣體氬氣流量為15 L/min，焊接速度為3 m/min時，焊接接頭的抗拉強度可達到母材強度的 80.4%，斷口表面為混合斷裂。

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