LZ92鎂鋰合金激光焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能

姜炳春，付 琴，胡少華，唐聯(lián)耀，劉方方

(廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，東莞 523083)

0 引 言

鎂及鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、電子屏蔽性能優(yōu)良、抗阻尼性好及易回收再利用等特點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”[1-3]。具有密排六方(hcp)晶體結(jié)構(gòu)的鎂及鎂合金在室溫下的滑移系有限，塑性變形及成形能力較差，這限制了鎂合金產(chǎn)品的工業(yè)應(yīng)用范圍。隨著鎂及鎂合金中添加的鋰含量增加，鎂鋰合金的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[4-5]。根據(jù)Mg-Li二元相圖[6]：當(dāng)鋰質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5.7%時(shí)，鋰原子完全固溶在鎂中，組織為hcp結(jié)構(gòu)的α相，塑性變形能力較差；當(dāng)鋰質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10.3%時(shí)，組織為體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)的β相，滑移系大于5個，延展性和塑性成形能力較好，但其強(qiáng)度較低；當(dāng)鋰質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5.7%10.3%時(shí)，合金組織中存在α相和β相，雙相結(jié)構(gòu)的鎂鋰合金兼顧強(qiáng)度和延展性，是交通運(yùn)輸車輛制造中代替鋁合金和鋼的理想結(jié)構(gòu)材料[7]。在交通運(yùn)輸車輛制造中，整體成形工藝成本大，難度高，結(jié)構(gòu)件間通常采用焊接方式進(jìn)行連接。為擴(kuò)大鎂鋰合金的工業(yè)應(yīng)用范圍，有必要開發(fā)一種有效環(huán)保的連接方式，以解決鎂鋰合金的連接問題。

鎂鋰合金的主要成分以鎂為主，該合金的焊接工藝可借鑒鎂合金的焊接工藝，也可采用鎂合金的焊接設(shè)備[6]。但是，鎂鋰合金的焊接工藝比鎂合金的更加復(fù)雜與困難，這是因?yàn)樵阪V鋰合金的焊接過程中，不僅要考慮因合金再結(jié)晶溫度范圍寬而造成的焊縫氣孔及裂紋，以及高溫下鎂和鋰形成氧化物和脆化相等夾雜物的問題，還要考慮在焊接過程中因高溫發(fā)生爆炸而造成高溫熔融物飛濺的安全隱患問題。目前，有關(guān)鎂鋰合金焊接工藝的研究報(bào)道主要集中在氬弧焊方面[7-9]。但是，氬弧焊的熱輸入大，焊后焊件的變形程度嚴(yán)重、熱影響區(qū)范圍較寬、組織粗大，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能下降。與氬弧焊相比，激光焊接具有熱輸入低、冷卻速率快和接頭熱影響區(qū)較小、焊縫組織細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，更適用于鎂鋰合金的連接。呂君霞等[10]對Mg-9.8Li-2.9Al-Zn合金進(jìn)行激光焊接后發(fā)現(xiàn)：接頭熱影響區(qū)范圍較小，寬度僅為120 μm，焊縫組織由α相和β相組成，與母材組織相比，焊縫中α相數(shù)量增加且呈細(xì)針狀，顯微硬度比母材的高約20 HV。劉旭賀等[11]對LZ91鎂鋰合金薄板進(jìn)行激光焊接后發(fā)現(xiàn)：焊縫組織由樹枝晶區(qū)、等軸晶區(qū)組成，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的81.2%，拉伸斷裂發(fā)生在熔合線處。余文祥[12]研究了焊接功率、焊接速度、保護(hù)氣流量等焊接工藝參數(shù)對LZ91鎂鋰合金激光焊接接頭組織與性能的影響，獲得成形良好焊接接頭的工藝參數(shù)。但是，在上述研究中的激光焊接鎂鋰合金存在焊縫晶粒仍較大，接頭抗拉強(qiáng)度較低等問題。為解決上述問題，作者采用CO2激光焊接技術(shù)焊接LZ92鎂鋰合金，研究了焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能，以期獲得綜合性能良好的鎂鋰合金連接件。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為10 mm厚的擠壓態(tài)LZ92鎂鋰合金，制備工藝參考文獻(xiàn)[13]。將擠壓板置于200 ℃下保溫2 h后空冷，然后在室溫下進(jìn)行多道次軋制至厚度為2 mm。焊接前依次對焊接試樣進(jìn)行打磨、脫脂、酒精和去離子水清洗、冷風(fēng)吹干處理。采用YLS4000型光纖激光器進(jìn)行焊接，采用平板對接方式，拼接縫中不填充金屬，高純度氬氣作為保護(hù)氣體，采用正面氣罩法進(jìn)行保護(hù)。激光的固定輸出功率為1 000 W，焊接速度為3 m·min-1，氬氣流量為20 L·min-1，離焦量為1 mm。

激光焊接完成后，在焊接接頭處截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用0.2 g苦味酸+1 mL冰醋酸+25 mL無水乙醇+5 mL水組成的溶液腐蝕30 s后，采用LEICADM4000型光學(xué)顯微鏡觀察接頭不同區(qū)域的顯微組織。采用X pert pro PANalytical型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，采用銅靶，加速電壓為60 kV，掃描速率為5 (°)·min-1，掃描范圍為20°80°。采用HX-1000TM/LCD型維氏硬度計(jì)測接頭不同區(qū)域的維氏硬度，載荷為4.9 N，保載時(shí)間20 s。按照ISO 4136-2012標(biāo)準(zhǔn)，在接頭上以焊縫為中心截取如圖1所示的拉伸試樣，采用SUN10型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm·min-1，每組測3個試樣取平均值。采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and dimension of tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 LZ92鎂鋰合金母材與焊縫的XRD譜Fig.2 XRD patterns of base metal and weld of LZ92 magnesium lithium alloy

2.1 物相組成與顯微組織

由圖2可以看出，母材與焊縫的物相組成基本相同，主要由α相、β相和少量中間相Mg7Zn3化合物組成。觀察發(fā)現(xiàn)，激光焊接LZ92鎂鋰合金后，焊接接頭成形良好，焊縫中無明顯氣孔、裂紋等缺陷。由圖3可以看出：焊接接頭母材組織中β相呈等軸狀，晶粒尺寸約為70 μm，α相呈枝晶狀和顆粒狀沿β相晶界分布；熱影響區(qū)主要由粗大的β相和少量細(xì)小顆粒狀α相組成，β相晶粒尺寸約為260 μm，熱影響區(qū)和焊縫之間存在明顯的熔合線；焊縫中大量細(xì)小的顆粒狀和細(xì)針狀α相均勻分布在β相中，β相晶界消失。在焊接接頭中未觀察到中間相的存在，可能原因是中間相Mg7Zn3含量較少且鋅在α相和β相中的溶解度大。在激光焊接過程時(shí)，大量的熱量使焊縫金屬完全熔化，焊接結(jié)束后快速冷卻，使得焊縫處形成過飽和固溶體；在余熱的作用下，處于過飽和狀態(tài)的焊縫組織發(fā)生沉淀析出反應(yīng)，因此在焊縫組織中可觀察到細(xì)顆粒狀和細(xì)針狀α相[12]。

圖3 LZ92鎂鋰合金焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.3 Microstructures of different regions in LZ92 magnesium lithium alloy welded joint: (a) base metal; (b) heat affected zone and (c) weld

圖5 LZ92鎂鋰合金母材與焊接接頭的拉伸斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of tensile fracture of LZ92 magnesium lithium alloy base metal (a) and welded joint (b)

2.2 力學(xué)性能

測得焊接接頭母材、熱影響區(qū)以及焊縫的平均硬度分別為58,52,64 HV，焊縫的硬度高于母材與熱影響區(qū)的，熱影響區(qū)的硬度最低。合金中不同區(qū)域的硬度差異與顯微組織有關(guān)。在焊接過程中熱影響區(qū)溫度較高，α相溶入相基體中，較軟的β相晶粒快速長大，導(dǎo)致硬度較低。在焊接過程中焊縫的冷卻速率較大，組織中析出大量的細(xì)小針狀和顆粒狀α相，α相硬度較高，同時(shí)根據(jù)霍爾佩奇公式可知，晶粒越細(xì)小，合金的硬度越高，因此焊縫的硬度最高，母材的次之，熱影響區(qū)的最低。

圖4 LZ92鎂鋰合金母材與焊接接頭的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-true strain curves of LZ92 magnesium lithium alloy base metal and welded joint

由圖4可以看出，母材的抗拉強(qiáng)度為182 MPa，斷后伸長率為36%，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為158 MPa，斷后伸長率為27%。斷裂位置位于熱影響區(qū)與焊縫間的熔合線處，這是由于熔合線兩側(cè)熱影響區(qū)與焊縫的組織差異明顯，使得熔線合處的結(jié)合力較低導(dǎo)致的。

2.3 拉伸斷口形貌

由圖5可以看出，母材拉伸斷口由大小不一的韌窩組成，呈典型的韌性斷裂特征。LZ92鎂鋰合金屬于雙相鎂鋰合金，在室溫拉伸應(yīng)力作用下，α相和β相中的位錯會發(fā)生劇烈的滑移。由于β相位錯開動的臨界分切應(yīng)力小于α相的，因此β相更容易產(chǎn)生滑移。隨著應(yīng)變的增加，大量的位錯在α相表面堆積，當(dāng)位錯密度堆積到一定程度，便在位錯塞積的區(qū)域形成細(xì)小的空洞，繼而形成細(xì)小的韌窩[14]。焊接接頭拉伸斷口中存在韌窩和解理面，呈典型的混合型斷裂特征。

3 結(jié) 論

(1) 激光焊接LZ92鎂鋰合金后，焊接接頭成形良好，焊縫中無明顯氣孔、裂紋等缺陷；母材與焊縫的物相組成相同，由α相、β相和中間相Mg7Zn3化合物組成；焊接接頭母材由等軸狀β相和枝晶狀與顆粒狀α相組成，熱影響區(qū)由粗大的β相和少量細(xì)小顆粒狀α相組成，焊縫區(qū)中大量細(xì)針狀和細(xì)小顆粒狀α相均勻分布β相中，β相晶界消失。

(2) 焊接接頭中焊縫的硬度最高，母材的次之，熱影響區(qū)的最低；焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為158 MPa，為母材的86.8%，斷后伸長率為27%；母材室溫拉伸斷口由韌窩組成，斷裂形式為韌性斷裂，焊接接頭的斷口位于熱影響區(qū)與焊縫間的熔合線處，斷口由韌窩和解理面組成，斷裂形式為混合型斷裂。