納秒脈沖激光清洗對AZ31B鎂合金激光焊接質(zhì)量的影響*

張明軍，李 雄，李河清，李晨希，張 健，程 波，王開明，毛 聰，胡永樂

（長沙理工大學，汽車與機械工程學院機械裝備高性能智能制造關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，長沙 410114）

前言

全球氣候變化為人類生存與發(fā)展帶來了諸多挑戰(zhàn)。實現(xiàn)“雙碳”目標（2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和）是我國應對全球變暖的一項重大戰(zhàn)略決策。據(jù)統(tǒng)計，全球交通運輸領(lǐng)域的碳排放占碳排放總量的14%［1］。車輛輕量化是交通工具可持續(xù)發(fā)展的重要共識。鎂合金是國際公認的最有潛力的輕量化材料之一，被譽為“21世紀綠色工程金屬”［2］。近年來高性能鎂合金研究突飛猛進，鎂合金和鋁合金等輕量化材料逐步替代傳統(tǒng)鋼鐵材料是汽車輕量化的一種有效方法［3-4］。鎂合金已在汽車儀表板橫梁骨架總成［5］和輪轂［6］等零件推廣應用。

鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料，焊接是關(guān)鍵制造技術(shù)之一。鎂合金常見焊接方法有電弧焊、激光焊、激光-電弧復合焊、攪拌摩擦焊、電子束焊、等離子弧焊和電阻點焊等［7-9］。當前，實際生產(chǎn)中電弧焊是鎂合金的主要焊接方法。然而，傳統(tǒng)電弧焊存在焊接效率低、熱輸入大、熱影響區(qū)大、晶粒粗大等問題。攪拌摩擦焊能得到較好的焊接質(zhì)量，但由于其全機械化特性，對于通道結(jié)構(gòu)或形狀復雜焊縫（如角焊縫）難以適用［10］。與固相焊接相比，熔焊具有多功能、高速度和高柔性的顯著優(yōu)勢。激光焊不僅具有接頭深寬比大、焊接速度快、熱輸入小、能量可控、加熱區(qū)域小和加工柔性高等突出優(yōu)勢，是鎂合金優(yōu)質(zhì)高效連接的重要方法［11］。Zhu等［12］研究指出氣孔是鎂合金激光焊接的主要問題之一，形成原因包括凝固過程中表面臟污、固相中氫析出以及小孔坍塌和熔池湍流。Masoud等［13］研究了鎂合金搭接接合面存在的表面氧化層對熔池小孔動力學和焊縫質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)氧化層的存在會在兩層重疊板的界面形成氣孔，從而影響焊縫質(zhì)量。由于鎂合金化學性質(zhì)活潑熔點低、導熱快等特點，鎂合金焊接接頭焊縫組織的晶粒粗大，易形成氧化物及夾渣，同時，由于接頭存在應力集中以及殘余拉應力，這些因素均會降低鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的力學性能（抗拉強度、疲勞強度），從而影響鎂合金焊接結(jié)構(gòu)的可靠性［14-16］。此外，焊縫成形差（凹坑、咬邊）也是接頭性能差的主要原因。崔澤琴等［17］研究指出元素燒損蒸發(fā)、飛濺、裂紋、氣孔、夾雜等是AZ31B鎂合金脈沖激光焊接存在的主要問題，是接頭塑性差的主要原因。唐海國等［18］采用高功率CO2激光焊接了10 mm厚AZ31鎂合金，并對焊縫微觀組織和接頭抗拉強度進行了研究，發(fā)現(xiàn)在高溫作用下，因為鎂元素的高溫蒸發(fā)與燒損，焊縫表面會形成難以克服的凹坑缺陷。

激光清洗是采用高能激光束照射材料表面通過汽化或熱振動去除污染物［19］。與其他清洗工藝相比，激光清洗在清洗效果和工藝靈活性上具有明顯優(yōu)勢，逐漸成為最常用的工業(yè)清洗方式。最近，學者們嘗試通過在焊接前對工件表面進行激光清洗來提高焊接效果［20-21］。Zhou等［22］比較研究了皮秒和納秒脈沖激光清洗鋁合金表面狀態(tài)及其對激光焊接質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)皮秒脈沖激光清洗所獲得的表面質(zhì)量遠遠優(yōu)于納秒脈沖激光清洗。Wei等［23］發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面激光清洗產(chǎn)生的魚鱗坑可以改善鋁合金與不銹鋼激光搭接焊時液態(tài)鋁合金在不銹鋼表面的鋪展，進而獲得較強的界面機械結(jié)合力，提高搭接接頭的強度。Liu等［24］發(fā)現(xiàn)激光清洗后的表面微觀形貌可以提高鋁合金激光焊接過程中小孔的穩(wěn)定性，從而抑制焊接氣孔。陳一鳴等［25］研究了鋁合金板材光纖激光清洗機理并且通過對優(yōu)化后的清洗參數(shù)進行焊接評估，發(fā)現(xiàn)激光清洗可以改善焊縫成形，顯著提升接頭力學性能。陳俊宏等［26］采用砂紙打磨、酸洗、激光清洗等方式對Ti6Al4V鈦合金進行焊前清洗，比較了不同清洗條件對氣孔率的影響。發(fā)現(xiàn)激光清洗可有效清除焊接試件表面氧化層，并改善表面粗糙度，得到較低的氣孔率。

然而，目前的研究主要針對鋁合金和鈦合金等材料開展焊前激光清洗處理對焊接質(zhì)量的影響，未見鎂合金材料相關(guān)研究報道。本文以AZ31B鎂合金為研究對象，重點探討未處理、鋼刷打磨、激光清洗3種表面處理方式對焊縫宏觀成形、顯微組織和力學性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗裝備包括納秒脈沖光纖激光清洗系統(tǒng)和連續(xù)光纖激光焊接系統(tǒng)，如圖1所示。納秒脈沖光纖激光清洗系統(tǒng)由納秒脈沖光纖激光器（MF-100-EA）、振鏡掃描頭和工作臺等組成。連續(xù)光纖激光焊接系統(tǒng)由連續(xù)波光纖激光器（IPG YLS-3000）、激光焊接頭和焊接夾具等組成。

試驗以平板對接焊方式對5 mm厚的AZ31B鎂合金進行焊接，試件尺寸為200 mm×50 mm×5 mm，基材的化學成分如表1所示。焊前，采用未處理、鋼刷打磨和激光清洗3種不同的表面處理方式對鎂合金表面進行處理。激光清洗原理如圖1（a）所示，激光器產(chǎn)生的短脈沖激光束由光纖傳輸進入激光掃描頭內(nèi)，經(jīng)準直鏡、掃描振鏡和聚焦鏡后，在鎂合金表面形成點狀聚焦光斑；由于掃描振鏡的高速擺動，點狀聚焦光斑將變?yōu)榫哂幸欢ㄩL度的線狀光斑，并在計算機的控制下以一定速度對鎂合金表面進行激光燒蝕，從而去除表面氧化膜。鎂合金表面的激光清洗工藝參數(shù)如表2所示。其中，NP為激光光斑重疊率，即相鄰光斑之間的重疊程度；NL為掃描路徑重疊率，即兩個相鄰激光掃描軌跡的重合程度；L為相鄰兩個激光掃描軌道的中心線距離。試驗中使用的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 試驗裝置圖

表1 AZ31B鎂合金化學成分

表2 激光清洗工藝參數(shù)

表3 激光焊接工藝參數(shù)

焊前，用丙酮清洗不同表面處理方式后的試件，干燥后真空包裝，得到焊接試件。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析不同表面處理后鎂合金的表面形貌和氧元素質(zhì)量分數(shù)。焊后采用LEICA S9i體視鏡對焊縫表面成形進行觀察。然后采用電火花線切割截取拉伸和金相試樣。金相試樣經(jīng)打磨拋光，根據(jù)GB∕T 4296—2004變形鎂合金腐 蝕辦法，采用1 g草酸、1 mL乙酸、1 mL硝酸加150 mL蒸餾水的配比配制腐蝕液，腐蝕時間15 s，干燥后在金相顯微鏡下觀察焊縫微觀組織。采用半自動維氏硬度計進行硬度測試，壓力值100 g，保壓時間10 s。沿焊縫橫截面熔深中間位置的水平線測量顯微硬度值，測量點的間距為0.2 mm，在豎直方向測量3處，取其平均值。依據(jù)GB∕T 16865—2013制備拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖2所示。參照GB∕T 228.1—2010，在CMT 5205單柱式微機控制電子萬能試驗機上進行焊接接頭室溫拉伸性能測試，加載速率為0.5 mm∕s，采用SEM和Bruker-D8 X射線衍射儀（XRD）對拉伸斷口進行觀察與分析。

圖2 拉伸試樣示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 激光清洗對AZ31B鎂合金表面形貌和氧質(zhì)量分數(shù)的影響

圖3和圖4分別為不同表面處理方式時AZ31B鎂合金表面形貌圖和表面氧質(zhì)量分數(shù)結(jié)果。由圖可知，未處理的鎂合金試樣表面存在疏松的氧化鎂且厚度不均勻（圖3（a）和圖3（f））；EDS面掃發(fā)現(xiàn)，未處理表面氧元素質(zhì)量分數(shù)高達30.1%（圖4）。采用鋼刷打磨處理的鎂合金試樣表面未見疏松氧化膜，但存在機械打磨遺留的條紋，EDS分析發(fā)現(xiàn)在相鄰打磨槽中間位置（圖（b）中B點）主要是鎂元素，存在少量氧元素，如圖3（b）和圖3（f）所示。與此同時，EDS面掃發(fā)現(xiàn)，與未處理相比，鋼刷打磨處理表面氧元素質(zhì)量分數(shù)大大減少，僅為8.29%，如圖4所示。采用激光清洗處理的試樣表面未見疏松氧化膜，而是激光燒蝕斑點和材料快速熔凝形成的微結(jié)構(gòu)［27-28］，如圖3（c）～圖3（e）所示。這是因為在納秒脈沖激光作用下，材料快速氣化反沖壓力驅(qū)動熔融金屬向外鋪展，同時由于冷卻速度極快，液態(tài)金屬快速凝固導致的［29］。

圖3 不同表面處理方式時鎂合金表面清洗效果

進一步對不同激光清洗功率的表面形貌進行分析，發(fā)現(xiàn)當激光清洗功率為15 W時，鎂合金表面快速熔凝形成微結(jié)構(gòu)特征，但微結(jié)構(gòu)特征呈分散狀態(tài)，存在一定程度的暗沉區(qū)（圖3（c）），能譜分析表明暗沉區(qū)存在氧化鎂（圖3（f）），說明鎂合金表面氧化膜沒有完全去除。此時，EDS面掃發(fā)現(xiàn)，表面氧元素質(zhì)量分數(shù)較鋼刷打磨的低，為6.37%，如圖4所示。隨著激光清洗功率增加到20 W時，鎂合金表面出現(xiàn)連續(xù)且致密的微結(jié)構(gòu)特征，如圖3（d）所示。同時，EDS面掃發(fā)現(xiàn)，鎂合金表面氧元素質(zhì)量分數(shù)低至5.20%，如圖4所示。當激光清洗功率進一步增大到25 W時，鎂合金表面材料快速熔凝形成的微結(jié)構(gòu)變粗，呈云層狀［29］，此外還存在較多黑色斑團，能譜分析表明黑色斑團處主要是鎂元素，存在少量氧元素，如圖3（e）和圖3（f）所示。EDS面掃發(fā)現(xiàn)，鎂合金表面氧元素質(zhì)量分數(shù)增大到6.88%，如圖4所示。由此可知，激光清洗功率為20 W時清洗效果良好，激光清洗功率較低或較高時表現(xiàn)為清洗不充分或過清洗。

圖4 不同表面處理方式時鎂合金表面氧質(zhì)量分數(shù)

2.2 激光清洗對AZ31B鎂合金激光焊接質(zhì)量的影響

2.2.1 焊縫宏觀成形

圖5為不同表面處理方式時焊縫宏觀形貌圖。由圖可知，表面未處理的試件，焊縫上表面和下表面成形一致性差，存在較多粗大的魚鱗紋；焊縫上表面熔寬窄且凸起，下表面存在咬邊。焊縫表面粗大魚鱗紋的出現(xiàn)是焊接過程熔池流動不穩(wěn)定的直接結(jié)果［30］。由于未處理表面活性氧元素較多改變了熔池表面張力梯度方向，使得焊縫熔寬窄而凸起［31］。與表面未處理試件相比，經(jīng)過鋼刷打磨處理的試件，焊縫上下表面成形一致性有明顯的改善，但仍存在少量粗大的魚鱗紋。經(jīng)過激光清洗處理的試件，焊縫上下表面成形光滑平整，魚鱗紋一致性較好，僅極少量粗大魚鱗紋。與未處理和鋼刷打磨相比，激光清洗試件激光焊焊縫上表面熔寬較大。當激光清洗功率為20 W時，焊縫表面成形最佳，魚鱗紋均勻性好，粗大魚鱗紋少。

圖5 不同表面處理方式時鎂合金焊縫宏觀形貌

為進一步明確焊縫表面成形的規(guī)律，對不同表面處理方式時激光焊接過程進行了高速攝像觀察，結(jié)果見圖6。由圖6（a）可以看出，表面未處理試件焊接過程中某一時刻t0，焊接小孔開口呈圓形，小孔前沿壁熔化金屬層較薄。緊接著，小孔開口收縮且熔融金屬從小孔后沿伸出熔池表面形成金屬液柱（t0+0.498 ms），金屬液柱末端熔滴脫離熔池形成飛濺，剩余液柱向熔池中心移動，并融入到熔池中（t0+0.664 ms）。隨后，小孔開口不斷擴張，小孔后沿熔融金屬隆起且不斷增大（t0+1.494～t0+1.814 ms）。隨著小孔開口不斷擴張，小孔后沿熔融金屬向后流動加劇，熔融金屬隆起變矮。此后，小孔開口再次縮小（t0+2.416 ms）。小孔開口的擴張和伴隨的小孔后沿熔融金屬隆起波浪是焊縫表面粗大魚鱗紋（圖5）產(chǎn)生的直接原因。與表面未處理相比，表面鋼刷打磨處理時激光焊接上表面熔池大小略微增大，小孔前沿熔融金屬層較厚；小孔開口大小波動較小，小孔后沿熔融金屬易隆起，如圖6（b）所示。熔融金屬在熔池邊緣隆起，隨后向中間流動（t0+0.664～t0+1.194 ms）；最后，熔融金屬隆起向后、向下流動，直至熔池表面恢復正常（t0+1.858 ms）。據(jù)此可知，鋼刷打磨處理試件焊縫表面存在少量粗大魚鱗紋和凸起特征（圖5）。表面激光清洗處理的試件，焊接上表面熔池長度進一步增大，且穩(wěn)定性良好，未見劇烈熔融金屬隆起，如圖6（c）所示。與未處理和鋼刷打磨試件相比，激光清洗試件焊接小孔前沿熔融金屬層較厚，這是因為去除氧化膜的鎂合金基體熔點較低且激光清洗表面產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)有助于提高激光能量的吸收率［18］。伴隨小孔開口的擴張，小孔開口周圍出現(xiàn)皇冠狀熔融金屬隆起，隨后熔融金屬隆起向小孔后沿匯聚，形成較大隆起，迅速地熔融金屬隆起變矮，并向熔池后方推移（t0+0.332～t0+1.650 ms）。據(jù)此可知，激光清洗處理試件焊縫表面較少出現(xiàn)粗大魚鱗紋和凸起特征（圖5）。

圖6 不同表面處理方式時激光焊接過程小孔開口和熔池動態(tài)過程

2.2.2 顯微組織

圖7為3種不同表面處理方式試件激光焊接接頭金相組織。由圖可知，表面未處理的試件接頭上部熔合線附近存在較寬的柱狀晶區(qū)（圖7（a）中Ⅰ區(qū)），而接頭底部熔合線附近未見明顯柱狀晶區(qū)（圖7（a）中Ⅲ區(qū)）。此外，接頭上部熔合區(qū)中心組織為六重對稱等軸樹枝晶，且平均尺寸較大，約為37.7 μm（圖7（a）中Ⅳ區(qū)）。這是因為未處理試件表面疏松結(jié)構(gòu)的氧化膜促進了材料對激光能量的吸收，同時，焊接熔池上部熔融金屬大量聚集，導致接頭上部的溫度梯度與結(jié)晶速度比值較大［32］，為焊縫上部熔合線附近柱狀晶生長和中心區(qū)等軸晶生長提供了有利條件［33］。此外，在接頭上部和中部熔合線附近存在連續(xù)孔隙狀裂紋（圖7（a）中I和Ⅱ區(qū)），這是由于焊接熔池中上部的熱量聚集（接頭橫截面寬），母材中低熔點相顆粒在焊接熔池熱作用下發(fā)生液化行為，使得熱影響區(qū)液相流失［34-36］。表面經(jīng)過鋼刷打磨的試件，接頭上部和中部熔合線附近存在少量柱狀晶（圖7（b）中Ⅰ和Ⅱ區(qū)），下部熔合線附近未見明顯柱狀晶（圖7（b）中Ⅲ區(qū)）。接頭上部熔合區(qū)中心組織為等軸樹枝晶，且平均尺寸較小，約為30.3 μm（圖7（b）中IV區(qū)）。表面經(jīng)過激光清洗的試件接頭上部和下部熔合線附近存在窄而均勻的柱狀晶區(qū)（圖7（c）中Ⅰ和Ⅲ區(qū)），中部熔合線附近未見明顯柱狀晶（圖7（c）中Ⅱ區(qū)）。接頭上部熔合區(qū)中心組織存在極少量細小的六重對稱等軸樹枝晶，主要為細小的等軸晶（圖7（c）中IV區(qū)）。由此可知，表面激光清洗處理的試件焊接過程中，激光能量在板厚方向上的吸收較均勻，焊接過程穩(wěn)定，從而使得接頭組織分布均勻。

圖7 焊縫顯微組織

2.2.3 力學性能

圖8為不同表面處理方式試件焊接接頭橫截面上的顯微硬度分布圖。3種表面處理方式的試件焊縫中心等軸晶區(qū)的硬度最大，均高于母材（66.2 HV），這是由于焊縫區(qū)的等軸晶晶粒較母材區(qū)細小。進一步地，激光清洗和鋼刷打磨處理的試件焊縫中心區(qū)的總體硬度值較大。3種表面處理方式的試件焊縫中心平均硬度值相差不大，但表面未處理試件的焊縫區(qū)硬度值波動較大。

圖8 焊縫橫截面硬度分布圖

圖9和圖10為不同表面處理方式試件焊接接頭拉伸試驗結(jié)果。從圖9可以看出，AZ31B鎂合金母材抗拉強度為280 MPa，延伸率為12.5%。表面未處理的試件焊接接頭抗拉強度和伸長率最小，分別為218 MPa和6.06%；接頭拉伸斷裂于焊縫中心，斷裂面垂直于拉伸力方向，如圖10所示。與表面未處理試件相比，表面經(jīng)過鋼刷打磨的試件焊接接頭抗拉強度提升有限，但伸長率得到大幅提高，達到10.2%，為母材的81.6%；接頭拉伸斷裂于焊縫中心，斷裂面局部呈45°斜斷，且延伸至母材區(qū)，如圖10所示。表面經(jīng)過激光清洗處理的試件，焊接接頭抗拉強度略微增大，且伸長率進一步提高；接頭斷裂位置從焊縫區(qū)延伸到母材，且大部分在母材，斷裂面整體呈45°斜斷，如圖10所示。當激光清洗功率為20 W時，焊接接頭抗拉強度和伸長率分別達到245 MPa和12.2%，達到母材的87.5%和97.6%；接頭拉伸斷裂于母材，斷裂面整體呈45°斜斷，如圖10所示。由此可知，焊前激光清洗處理可以有效改善鎂合金焊接接頭的伸長率。

圖9 拉伸應力-應變曲線

圖10 拉伸試驗接頭斷裂位置

圖11為焊接接頭拉伸斷口形貌圖。由圖11（a）可知，母材試樣拉伸斷裂斷口存在較多的韌窩，局部區(qū)域存在河流花樣，呈韌-脆混合斷裂特征，斷口處還存在少量的氣孔。表面未處理的試件焊接接頭斷口主要為解理面，還存在大量氣孔，可見淺的韌窩，未見明顯塑性變形，呈典型解理斷裂特征，如圖11（b）所示。此外，接頭斷裂面上存在顆粒狀夾雜物。EDS結(jié)果表明，元素組成為89.22 O-8.66 Mg-2.12 Al（at.%）。對夾雜顆粒進行微區(qū)XRD測試，進一步確定顆粒夾雜物為氧化鎂，如圖12所示。這是由于未處理表面存在大量氧化物層，在激光焊接過程中難以完全分解，在熔池對流過程中卷入熔池內(nèi)部，從而殘留于焊縫內(nèi)部形成夾雜［37-38］。顆粒狀夾雜物的存在使得接頭在拉伸載荷的作用下易形成應力集中，惡化接頭力學性能［39］。表面經(jīng)過鋼刷打磨處理的試件，焊接接頭斷裂面主要為以河流花樣為主的典型解理斷裂特征，局部存在少量韌窩，可見少量氣孔，未見顆粒狀夾雜物，如圖11（c）所示。表面經(jīng)過激光清洗（功率20 W）處理的試件，焊接接頭斷裂面焊縫區(qū)域氣孔很少，未見顆粒狀夾雜物，存在少量韌窩和解理面，呈韌-脆混合斷裂特征，如圖11（d）所示。

圖11 接頭拉伸斷裂斷口分析

圖12 顆粒夾雜物X射線衍射分析

3 結(jié)論

本文研究了焊前未處理、鋼刷打磨和激光清洗3種表面處理方式對鎂合金激光焊接接頭成形和性能的影響，主要結(jié)論如下。

（1）納秒脈沖激光清洗可以有效去除鎂合金表面的氧化膜。當激光清洗功率為20 W時，鎂合金表面出現(xiàn)細密的微結(jié)構(gòu)特征，同時氧元素質(zhì)量分數(shù)最低為5.20%。

（2）焊前激光清洗試件激光焊時，焊接小孔前沿熔融金屬層較厚，小孔后沿熔融金屬隆起易消失，小孔和熔池穩(wěn)定性好，使得焊縫表面魚鱗紋均勻細小。

（3）焊前激光清洗試件激光焊接接頭顯微組織沿板厚方向分布均勻，柱狀晶區(qū)較窄，等軸晶晶粒細小，氣孔和裂紋等缺陷少。

（4）焊前激光清洗可以顯著提升鎂合金激光焊接接頭拉伸伸長率，與未處理和鋼刷打磨處理相比，接頭伸長率分別提高50.3%和16.4%。采用20 W激光清洗功率處理的試件，焊接接頭大部分斷裂在母材，呈45°斜斷。