細(xì)晶AZ61鎂合金板材的CO₂激光焊接性能

摘要：采用CO2激光器對2 mm厚的AZ61鎂合金細(xì)晶板材分別進(jìn)行了填充焊和自熔焊實(shí)驗(yàn).研究了細(xì)晶鎂合金板材的焊接性和填充帶合金化稀土元素Ce對接頭組織及力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明，細(xì)晶板材的焊接接頭熱影響區(qū)不明顯，組織較母材變化不大，半熔化區(qū)范圍窄、液化程度低，未進(jìn)行合金化的自熔焊焊縫組織較粗大，焊縫晶粒尺寸約15 μm，而填充焊焊縫組織為平均晶粒尺寸是5 μm的等軸晶，即合金化稀土元素Ce可細(xì)化焊縫組織，而且稀土元素Ce的加入能抑制柱狀樹枝晶區(qū)而擴(kuò)大等軸晶區(qū)域范圍.填帶焊接頭的平均抗拉強(qiáng)度和伸長率較自熔焊接頭分別提高了6%和12%.

關(guān)鍵詞：鎂合金；細(xì)晶板材；CO2激光焊；填充焊；自熔焊；焊接性能

中圖分類號：TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

鎂合金是密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度及比剛度高，機(jī)械加工性能優(yōu)良，導(dǎo)熱性好，阻尼性能和電磁屏蔽性能高，尺寸穩(wěn)定性和生物相容性好，易回收利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，鎂合金在軍工、航空航天、汽車、家用電器以及3C電子等行業(yè)中具有很大的應(yīng)用潛力[1-6].但是由于鎂合金的焊接性能不夠理想，其應(yīng)用受到了較大的限制.其中MgAlZn系鎂合金的應(yīng)用最廣，但是傳統(tǒng)工藝制備的鎂合金板材存在晶粒及析出相粗大的問題，嚴(yán)重影響了其性能及應(yīng)用，因此細(xì)化變形鎂合金組織是提高其綜合力學(xué)性能的有效途徑.本課題組[7]采用大應(yīng)變軋制變形工藝制備出了晶粒尺寸小于5 μm、析出相極少且綜合力學(xué)性能優(yōu)異的AZ61鎂合金板材，對于拓寬AZ61鎂合金的應(yīng)用具有較大的現(xiàn)實(shí)意義.

關(guān)于AZ系鎂合金焊接方面的研究很多，且相關(guān)研究[8-9]表明：AZ61鎂合金的CO2激光焊接性較好，但是由于受母材粗大組織的限制，焊件性能仍然較低.本實(shí)驗(yàn)中，細(xì)晶AZ61鎂合金板材組織中的Mg17Al12析出相數(shù)量極少、尺寸極小，因此，母材組織對熱影響區(qū)及半熔化區(qū)的影響很小.關(guān)于AZ61鎂合金填充焊的研究還比較少，填充焊不但可以填補(bǔ)焊縫上表面的凹坑，而且還可以通過填充材料調(diào)整焊縫金屬的成分來改善焊縫金屬顯微組織[10].彭建等[11]采用AZ31及AZ61兩種焊絲對AZ61鎂合金板材進(jìn)行TIG填充焊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，AZ61焊絲的焊縫組織及力學(xué)性能均優(yōu)于AZ31焊絲的焊縫，合金元素鋁含量的增加可細(xì)化焊縫組織，提高其力學(xué)性能.本文基于對焊縫進(jìn)行稀土合金化細(xì)化焊縫組織、提高焊縫力學(xué)性能的思想，采用先進(jìn)的CO2激光焊工藝對細(xì)晶AZ61鎂合金板材進(jìn)行自熔焊及填充材料為帶材的填充焊實(shí)驗(yàn).

1實(shí)驗(yàn)過程

本文采用規(guī)格為60 mm×30 mm×2 mm的軋制態(tài)AZ61鎂合金細(xì)晶粒板材，其名義化學(xué)成分為Mg6Al1Zn，填充材料為0.5 mm厚的AZ61含Ce帶材，其化學(xué)成分為Mg6Al1Zn1Ce.對板材表面用粗砂紙和細(xì)砂紙打磨去除氧化膜，尤其需要保證板材對接面的平整；焊前采用丙酮去除表面的油脂.實(shí)驗(yàn)分自熔焊和填充焊兩組.本文所采用的激光器為武漢金石凱公司生產(chǎn)的GSTFL3KW型高功率橫流CO2激光器及西門子802D自動焊系統(tǒng)，激光束模式為TEM01；發(fā)散角<2 mrad；光學(xué)聚焦直徑38 mm；焦點(diǎn)直徑0.25 mm；焦距127 mm；焦平面0 mm.

焊接時，焊件兩端采用夾具固定，以防止焊件變形，且對接面對接完整，保證縫隙在允許的范圍內(nèi).在進(jìn)行填充焊實(shí)驗(yàn)時，填充帶材置于焊件拼縫上方，并用通過軟鋼片將它們固定在一起，保留適當(dāng)?shù)目障?采用雙面氣體保護(hù)，保護(hù)氣體采用純度為99.99%的高純氬氣.經(jīng)正交試驗(yàn)得到最佳焊接工藝參數(shù)：激光功率為1 500 W，焊接速度為5 m/min，上表面保護(hù)氣體流量為10 L/min，下表面保護(hù)氣體流量為9 L/min.

焊縫腐蝕劑為苦味酸溶液（10 mL乙酸+1.3 g苦味酸+20 mL水+30 mL酒精）.焊接接頭的金相組織觀察在Leitz MM6型臥式光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，在Quanta 200掃描電鏡進(jìn)行組織觀察和能譜分析，在WDWE200型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，用D8 Advance型X射線衍射儀分析焊接接頭的物相.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊縫的宏觀形貌特征

2.2顯微組織

焊件接頭至母材之間一般存在4個區(qū)域，分別為焊縫區(qū)（FZ）、半熔化區(qū)（PMZ）、熱影響區(qū)（HAZ）以及母材區(qū)（BM）.由于本文采用的AZ61鎂合金板材均為大應(yīng)變軋制態(tài)，母材組織晶粒尺寸在5 μm左右，且晶界βMg17Al12相基本沒有析出；焊接工藝參數(shù)也相同，因此焊后二者的半熔化區(qū)及熱影響區(qū)的組織狀態(tài)變化也類似，但二者焊縫區(qū)的微觀組織顯著不同.由于AZ61鎂合金自熔焊焊縫中心區(qū)域均為等軸樹枝晶，因此只取其中一部分組織進(jìn)行觀察對比（圖2（a））.圖2（b）和圖2（c）分別為AZ61鎂合金板材自熔焊焊縫邊界及焊縫中心的顯微組織.研究表明[12]，溫度梯度G、晶體生長速度R及成分過冷等凝固條件決定焊縫處的凝固組織結(jié)晶形態(tài)，從焊縫邊界至中心的組織演變分別為平面晶、胞狀晶、柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶，且自熔焊焊縫區(qū)柱狀樹枝晶范圍較寬，約為100 μm.如圖2（c）所示，自熔焊焊縫中心組織為典型的等軸樹枝晶，且樹枝晶臂發(fā)達(dá)，晶粒尺寸較大，平均可達(dá)15 μm.

3結(jié)論

1） 細(xì)晶AZ61鎂合金板材的激光焊接性能較好，所得到的接頭熱影響區(qū)不明顯，半熔化區(qū)液化程度小.

2） AZ61鎂合金激光自熔焊焊縫組織晶粒度為15 μm，柱狀樹枝晶區(qū)范圍寬約為100 μm；而填帶焊焊縫區(qū)組織為等軸晶且平均晶粒尺寸只有5 μm，柱狀樹枝晶區(qū)范圍縮為30～40 μm，即向焊縫中加入稀土元素Ce可細(xì)化組織.

3） AZ61鎂合金激光填充焊焊縫為快速凝固組織，相組成主要是αMg基體和少量的βMg17Al12，Ce元素宏觀分布均勻，與Al元素相同，微觀偏析于枝晶臂及晶界處.

4） 自熔焊接頭平均抗拉強(qiáng)度和伸長率分別是母材的85%和20%，而填帶焊接頭的平均抗拉強(qiáng)度和伸長率分別是母材的91%和32%.很明顯，AZ61鎂合金激光填帶焊工藝優(yōu)于自熔焊工藝.

參考文獻(xiàn)

[1]CAO X， JAHAZI M， IMMARIGEON J P， et al. A review of laser beam welding techniques for magnesium alloys [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2006， 171（2）： 188-204.

[2]MOHAMSD D， JEAN E M. Laser welding of AZ91 and WE43 magnesium alloys for automotive and aerospace industries [J].Advanced Engineering Materials，2001， 7： 504-507.

[3]MORDIKE B L， EBERT T. Magnesium propertiesapplicationspotential [J]. Materials Science and Engineering A， 2001， 302（1）： 37-45.

[4]YANG Z， LI J P， ZHANG J X， et al. Review on research and development of magnesium alloys [J]. Acta Metallurgica Sinica， 2008， 21（5）：313-328.

[5]FRIEDRICH H， SCHUMANN S. Research for a “new age of magnesium” in the automotive industry [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001， 117（3）： 276-281.

[6]尹斌，王玉松. AZ61鎂合金自行車的焊接[J]. 現(xiàn)代焊接，2008，8 ：40-41.

[7]稽文鳳.MgAlZn系變形鎂合金板材大應(yīng)變軋制成形工藝研究[D].長沙：湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2012.

[8]王紅英，李志軍. AZ61鎂合金激光焊接接頭的組織與性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2006，16（8）：1388-1393.

[9]WANG H Y， LI Z J. Investigation of laser beam welding process of AZ61 magnesiumbased alloy [J]. Science Direct， 2006， 19 （4）： 287-294.

[10]俞照輝. ZK系高強(qiáng)鎂合金的激光焊接研究[D].長沙：湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2010.

[11]彭建，周綢，判復(fù)生.AZ61鎂合金薄板TIG焊接頭的組織與性能[J]. 金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，39（21）：1-3.

[12]KOU S. Welding metallurgy [M]. New York： John Wiley Sons， Inc，2002：189-199.

[13]陳振華，夏偉軍，嚴(yán)紅革， 等.變形鎂合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：101-110.

[14]ANRU W U， XIA Changqing， WANG Shaowu. Effects of cerium on the microstructure and mechanical properties of AZ31 alloy [J]. Rare Metals， 2006， 25（4）： 371-376.

[15]YANG Y K， DONG H， CAO H， et al. Liquation of Mg alloys in friction stir spot welding [J]. Welding Journal， 2008， 87（7）：167-177.