AZ91鎂合金超細晶板材激光焊接工藝優化研究

沈言錦，李治國

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412001）

1 引言

AZ91鎂合金超細晶板材激光焊接工藝條件不但直接影響熔池區的凝固組織形態和冶金反應條件，而且還決定了熱影響區和半熔化區的組織演變和熱循環狀況。若焊接工藝參數選擇不當，會出現焊接裂紋、咬邊、氣孔、凹坑和焊不透等現象。因此，合理的焊接工藝條件可以很好的保證焊接接頭的焊接質量和力學性能[1]。因此，對于此類的焊接，對焊接的條件要求更為嚴格，需要制定更為精確的工藝規范。目前，針對AZ系鎂合金的激光焊接研究較多，但針對超細晶的AZ91系鎂合金的激光焊接研究很少。

2 試驗方法

本實驗板材主要為高應變軋制的2mm厚的AZ91超細晶板材。本實驗的主要實驗內容包括焊接工藝對焊接熔池的作用，焊接工藝對焊接板材力學性能的影響，焊接工藝對焊接裂紋的影響規律，在此基礎上，建立這些參數之間的關系曲線，探究不同板材的激光焊接的最佳焊接工藝。因此，本實驗著重探究焊接的激光電流I（激光功率P）和焊接速度對焊接性能的影響。

激光焊接用的透射或反射聚光鏡的焦距F一般為63mm～254mm之間。本研究采用的焦距F為126.5mm的中距離的純銅反射聚焦鏡，在焊接的過程中，通過采用水冷的方式防止聚光鏡因為溫度的變高而使得聚焦參數發生變化。本試驗采用的CO2激光器輸出光束模式為TEM01，波長為10.6μm，聚焦前激光束直徑約為38mm，采用的CO2激光焦深L和焦點直徑d的計算值分別為0.3mm、0.88mm。

3 試驗結果分析

如表1所示為焊接速度、焊接電流和熔寬之間的尺寸關系，如圖1所示為焊接速度、激光電流和熔寬之間的關系曲線圖。由圖可見，隨著焊接速度的增大，熔池的寬度逐漸減小，減少的幅度也越來越少，在所選的五個激光電流的范圍內，當焊接速度V=4m/min時，焊接寬度的變化已經很平緩了，趨于穩定，而且焊縫的寬度也控制在2mm以內。因此，從焊接熔池的寬度考慮，焊接速度的選擇因該是V≥4m/min比較合適，該速度范圍的熔池寬度大小合適，且也趨于穩定。

表1 焊接速度、焊接電流和熔寬之間的尺寸關系

圖1 焊接速度、焊接電流和熔寬之間關系曲線圖

結合激光電流的實際情況，從焊接熔寬的角度考慮，下述的焊接參數均可以滿足使用要求：焊接電流 I=5A 時 ，V=1m～8m/min；I=5.5A 時 ，V=3m～8m/min；I=6A 時，V=3m～8m/min；I=6.5A 時，V=3m～8m/min；I=7A 時，V=5m～8m/min 都可以滿足熔池寬度的要求。

表2為焊接速度、焊接電流和熔深之間的尺寸關系，圖2為焊接速度、焊接電流和熔深之間關系曲線圖。由該曲線可以很明顯得知焊接熔池的深度，為初步確定焊接工藝參數打下基礎。本次研究的鎂合金板材厚度為2mm，所以熔池深度低于2mm厚的參數首先排除。當激光電流I=5A，只有 V=1m/min的可以滿足熔深，而這個參數下的焊縫有出現燒損現象，所以本實驗的激光電流I＞5A。然而當I≥6.5A時,熔池的深度一般都高于3mm，超出了我們所需要的范圍，所以本實驗的激光電流還必須I＜6.5A。因此，從熔池的深度選擇，當激光電流I=5.5A時，V=4m～5m/min；當激光電流 I=6A時，V=7m～8m/min；當激光電流 I=6.5A時，V=8m/min均可以滿足要求。

表3焊接速度、焊接電流和深寬比之間的尺寸關系，圖3為焊接速度、焊接電流和深寬比之間關系曲線圖。當激光電流I=5和I=5.5時，深寬比呈下降的趨勢，反應了激光焊接由深熔焊轉為傳熱焊接；當激光電流I≥5.5時，在測定的焊接速度范圍內，深寬比呈上生的趨勢。因此，從焊接的深寬比考慮，以下的焊接參數可以滿足要求：激光電流I=5A，V=1m～2m/min；激光電流I=5.5A，V=1m～7m/min；激光電流I=6A，V=1m～8m/min；激光電流 I=6.5A，V=1m～8m/min；激光電流I=7A，V=1m～8m/min。

表2 焊接速度、焊接電流和熔深之間的尺寸關系

圖2 焊接速度、焊接電流和熔深之間關系示意圖

表3 焊接速度、焊接電流和深寬比之間的尺寸關系

綜上所述，從熔池寬度、熔池深度和熔深比考慮，當焊接2mm厚的AZ91系鎂合金，選用下述的參數比較合適：I=5.5A，V=5m～6m/min；I=6A，V=6m～7m/min；I=6.5A，V=7m/min；I=7A，V=8m/min。

上述的工藝參數只是考慮的材料的厚度和材料的大概特性，結合材料的具體組織和焊接接頭的焊接機制，還需近一步優化。

圖3 焊接速度、焊接電流和深寬比之間關系曲線圖