（材料加工工程专业论文）细晶zk60镁合金板材激光焊接行为研究.pdf

细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 摘要 镁合金具有密度低 比强度和比刚度高 减震性好 承受冲击载荷能力强 电磁屏蔽性优异等优点 是重要的轻量化结构工程材料 m g z n z r 镁合金 z k 系1 是目前商用镁合金中综合性能最好的高强镁合金体系之一 特别是z k 6 0 镁合金 不仅力学性能优异 而且抗应力腐蚀性能也极高 然而 z k 6 0 镁合金由于凝固 结晶温度区间达2 0 0 c 以上 采用焊接热输入大的电弧焊工艺焊接时 易产生结 晶裂纹 从而限制了其在工程结构中的应用 因而热输入较小的激光焊接 l b w 工艺成为了z k 6 0 镁合金焊接的优选方法之一 本文以细晶粒z k 6 0 镁合金板材 作为焊接母材 采用c 0 2 激光自熔焊对其进行焊接 研究了细晶粒镁合金的焊 接接头显微组织特征及力学性能 并讨论了板材初始状态和焊后热处理对焊接接 头组织及性能的影响 系统研究了细晶粒z k 6 0 镁合金的c 0 2 激光焊接工艺 结果表明 当焊接热 输入在1 8 j m m 3 0 j m m 焊接速度为2 m m i n 4 m m i n 时 焊接接头具有良好的力 学性能 其中 当焊接速度为4 m m i n 激光功率为1 4 0 0 w 时 焊接接头性能最 好 抗拉强度及伸长率分别达3 0 0 m p a 和1 2 为母材的9 2 5 和6 5 随着焊 接热输入的降低 焊缝中心组织由等轴树枝晶向等轴晶转变 熔合区组织由柱状 晶向等轴晶转变 在最佳焊接工艺条件下 焊缝中心由细小的等轴晶构成 平均 晶粒尺寸约为8 9 m 熔池边界胞状晶和柱状晶以及热影响区 h a z 范围较窄 熔 合区组织均匀 半熔化区 p m z 没有液化裂纹存在 研究表明细化z k 6 0 镁合金 板材的析出相和晶粒是抑制p m z 液化裂纹产生的有效措施 焊后退火处理能释放焊接接头中的热应力 提高了力学性能 在3 0 0 下保 温6 0 m i n 处理后 抗拉强度 屈服强度和伸长率达到了3 2 4 m p a 2 6 0 m p a 和13 分别为母材的9 9 7 9 8 5 和6 8 5 焊缝中心组织不受母材中晶粒和析出相尺寸的影响 但p m z 和h a z 组织受 其影响较大 在焊接速度为4 m m i n 激光功率为1 4 0 0 w 条件下 时效态和退火 态板材的焊接性能低于轧制态板材的焊接性能 弥散分布的析出相抑制了p m z 和h a z 晶粒的长大 其晶粒尺寸只有6 p m 左右 母材晶粒尺寸越大的板材焊接 接头p m z 和h a z 晶粒也越大 当母材的晶粒尺寸大于7 9 m 时 p m z 和h a z 晶 粒受焊接热循环的影响达1 2 9 m 以上 因而时效态和退火态板材焊接接头熔合区 组织不均匀 力学性z h l 匕l 低 关键词 细晶 z k 6 0 镁合金板材 c 0 2 激光焊接 焊接接头 焊后热处理 i l 硕士学位论文 a bs t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v er e c e n t l yb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t r u c t u r e m a t e r i a l sd u et ot h e i rl o wd e n s i t y h i g hs p e c i f i c s t r e n g t h e x c e l l e n tc a s t a b i l i t ya n d s u p e r i o rp e r f o r m a n c ei ni n s u l a t i n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e a b s o r b i n gv i b r a t i o n a n de t c m g z n z r z ks e r i e s a l l o y sh a v eb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s t e x c e l l e n tc o m m e r c i a lm a g n e s i u ma l l o y s e s p e c i a l l yt h ez k 6 0 m a g n e s i u ma l l o y w h i c h p e r f o r m se v e nb e t t e rn o to n l yf o ri t se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t yb u ta l s of o ri t s h i g ha b i l i t yt or e s t r i c ts t r e s sc o r r o s i o np r o p e r t y h o w e v e r z k 6 0i sd i f f i c u l tt ob e w e l d e d b y c o n v e n t i o n a la r c w e l d i n gm e t h o d s b e c a u s ec r a c k i n g o c c u r sa sa c o n s e q u e n c eo fav e r yw i d em e l t i n gt e m p e r a t u r er a n g ea b o v e2 0 0 a n de x c e s s i v e h e a ti n p u t a n dt h i sr e s t r i c t si t sa p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gs t r u c t u r e t h u s l a s e rb e a m w e l d i n g l b w b e c o m e s o n eo ft h ep r e f e r r e dm e t h o d st o w e l d i n g t h ez k 6 0 m a g n e s i u ma l l o yo w i n gt oi t sl o wh e a ti n p u t i nt h i st h e s i s t h ec 0 2l a s e rh a sb e e n a p p l i e dt ow e l d i n gf i n e g r a i n e dz k 6 0m a g n e s i u ma l l o ys h e e t s a n dm i c r o s t r u c t u r e s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa u t o g e n o u s l yw e l d e dj o i n t sa r ei n v e s t i g a t e d o nt h e s e b a s e s t h ee f f e c t so fi n i t i a ls t a t eo fs h e e t sa n dp o s t w e l dh e a tt r e a t m e n to nt h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l d e dj o i n t sa r ea l s od i s c u s s e d t h em a i nr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a nb eo b t a i n e da st h eh e a ti n p u tr a n g e sf r o m 18 j m mt o30 j m ma n dt h ew e l d i n gs p e e dr a n g e sf r o m2 m m nt o4 m m i n w h e nt h e l a s e rp o w e ri so f14 0 0 wa n dw e l d i n gs p e e da t4 m m i n o p t i m u mjo i n t sw i t hu l t i m a t e t e n s i l es t r e n g t ha t3 0 0 m p aa n de l o n g a t i o no f12 w h i c ha r eu pt o9 2 5 a n d6 5 o f t h eb a s em e t a lr e s p e c t i v e l y c a nb eo b t a i n e ds u c c e s s f u l l y t h eo r g a n i z a t i o ni nt h e f u s i o nz o n ec h a n g e df r o m e q u i a x e dd e n d r i t e s i n t o e q u i a x e dc r y s t a l w i t ht h e d e c r e a s i n gh e a ti n p u t u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n t h ef u s i o nz o n ei sc h a r a c t e r i s t i c o fe q u i a x e dg r a i n sw i t ht h es i z eo f8 9 ma n dt h eh e a ta f f e c t e dz o n ei sn a r r o w t h e o r g a n i z a t i o n sn e a rt h ef u s i o nl i n eh a v eag o o du n i f o r m i t y af a v o r a b l ew e l dw i t h o u t d i s t o r t i o na n dl i q u a t i o nc r a c k i n gi nt h ep m zc a nb eo b t a i n e dw h e nt h ef i n e g r a i n e d s h e e t sa r ea d o p t e d t h ep r e s e n t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t l i q u a t i o n c r a c k i n gc a nb ei n h i b i t e de f f e c t i v e l ya t t r i b u t i n gt ot h er e f i n i n gp r e c i p i t a t e sa n dg r a i n s i nt h ez k 6 0m a g n e s i u ma l l o y s t h ee u t e c t i cp h a s ei nt h ew e l d i n gj o i n ts o l u t i o n i z e si n t ot h em a t r i xa sw e l la st h e r e s i d u a ls t r e s s e si nt h ew e l d m e n ta r er e l e a s e dd u r i n gp o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t a sa r e s u l t t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei si m p r o v e da p p a r e n t l y w h e nt h ej o i n t ss t a y i i i 细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 6 0 m i n sa tt h et e m p e r a t u r eo f30 0 c t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nc a n b eh i g hu pt o3 2 4 m p aa n d13 w h i c ha r er e s p e c t i v e l yc l o s et o9 9 7 a n d6 8 5 o f t h eb a s em e t a l t h eg r a i na n dt h e p r e c i p i t a t e s i z ei nt h eb a s em e t a l h a sn oe f f e c to nt h e o r g a n i z a t i o ni nt h ef u s i o nz o n e b u th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es i z eo fg r a i n si nt h e p m za n dh a z t h ew e l d i n gp e r f o r m a n c eo fs h e e t si na g e da n di na n n e a l e di sl o w e r t h a nt h a ti na s r o l l e dw h e nt h ew e l d i n gs p e e di sa t4 m m i na n dt h el a s e rp o w e ri so f 14 0 0 w f i n ed i s p e r s e dp r e c i p i t a t e si nt h eb a s em e t a lc a ni n h i b i tg r a i ng r o w t hi nt h e p m za n dh a z d u r i n gw e l d i n g a n dt h eg r a i ns i z ei so n l y6 p mo rs o w h e nt h es i z eo f g r a i n si nb a s em e t a li sb i g g e rt h a n7 肛m t h eg r a i ns i z ei nt h ep m za n dh a zw i l lb e b i g g e rt h a n 12 9 mb e c a u s eo ft h ew e l d i n gh e a tc y c l e t h u s o r g n i z a t i o n sn e a rt h e f u s i o nl i n ei ns h e e t so fa g e da n da n n e a l e da r en o n u n i f o r m a n dt h i sw i l l p u ta n n e g a t i v ee f f e c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y k e yw o r d s f i n e g r a i n z k 6 0m a g n e s i u ma l l o y c 0 2l a s e rb e a mw e l d i n g w e l d i n g jo i n t p o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t i v 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来 随着交通运输 航空 航天 信息产业及国防军工领域的发展 新 型轻合金材料的研究和应用受到了各国的高度重视 与其它金属结构材料相比 镁合金具有密度低 比强度高 抗震能力强 电磁屏蔽性能优异等一系列优点 在汽车 电子 电器 交通 航天 航空和国防军事工业领域具有极其重要的应 用价值和广阔的应用前景 i 5 j 对镁合金板材进行焊接或拼焊成形可以制备出宽幅 镁合金板材 从而克服通过轧制工艺直接制备宽幅板材存在的工艺难题 通过焊 接成形的方法还可以制备出复杂的结构件 从而克服模具加工的困难及成本高的 问题 采用焊接工艺还可以对镁合金铸件或塑性加工件中的缺陷进行补焊处理 鉴于此 镁合金焊接成形技术的研究备受关注 6 9 z k 系 m g z n z r 合金与传统的a z 系 m g a 1 z n 合金及a m 系 m g a 1 一m n 合 金相比 力学性能更为优异 特别是抗应力腐蚀性能好 但由于此类材料的合金 元素含量高 焊接热裂倾向严重 高z n 含量的z k 系合金凝固温度区间很宽 最 高可达2 0 0 以上 采用热输入大的传统工艺焊接时 容易引起凝固组织粗化 显微偏析严重等问题而导致结晶开裂 从而导致焊接接头质量较低 尤其是z k 6 0 镁合金几乎被视为不可焊材料l l 因而限制了其在工程结构中的应用 因此 有 必要对焊接条件下这类合金的冶金行为及接头性能进行研究 目前国内外主要采 用非熔化极气体保护焊 g 吖州 u l j 及搅拌摩擦焊 f s w 1 2 等热输入较少的焊接方 法焊接z n 含量低的z k 系镁合金 对高z n 含量镁合金研究较少 作者所在课题 组l l3 1 4 j 采用低热输入的c 0 2 激光填带焊技术解决了高z n 含量的z k 系镁合金焊 接接头的结晶裂纹及焊缝表面成形难的问题 此技术是通过引入填充材料 调整 焊缝金属的成分来降低其结晶过程中的热裂纹倾向 实际上 镁合金板材的初始 组织特征对焊接成形性能也会产生一定的影响 1 5 1 6 j 但目前国内外对细晶粒z k 系镁合金板材的焊接性能的研究未见报道 因此 开展这一问题的研究 这对此 类合金在工程结构中的推广应用具有重要的意义 1 2 镁合金的焊接性及焊接方法 1 2 1 镁合金的焊接性 金属材料的物理和化学性质对其焊接性能有很大的影响 表1 1 是几种常用镁 合金的可焊性等级 1 7 1 细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 a 极好 b 好 c 一般 d 差 镁合金具有密度低 熔点低 热导率高 热膨胀系数大 化学活泼性很强 易氧化且氧化物的熔点很高等特点 在焊接过程中会产生焊接不稳定 接头表面 成形性较差及组织和性能不理想等一系列的问题 主要表现为在以下方面 l 黔2 5j 1 气孔镁合金在焊接时容易产生氢气孔 由于高温时熔池中可以溶解大 量的氢 且氢在镁中的溶解度随着温度的降低而减小 因而冷却时在熔池中形成 气泡 同时由于镁合金冷却速度快 镁合金密度低 形成的气泡受到的浮力较小 使气泡溢出困难 因此在熔池中形成较多的气孔 2 粗晶粗晶是焊接镁合金的最重要特点之一 由于镁合金熔点低 热导 率高 当焊接热输入较高时 容易造成熔池区和近缝区晶粒因过热而变粗大 严 重降低焊接接头性能 3 蒸发和氧化由于镁的沸点比较低 高温下容易蒸发 镁有很强的氧化 性 在焊接过程中容易在表面形成氧化膜 m g o 熔点高达2 5 0 0 与镁熔点6 5 0 相差很大 焊接时易在焊缝中形成夹杂 对焊接性能造成不利影响 4 热应力镁及镁合金的线膨胀和热膨胀系数较大 约为钢的2 倍 铝的 1 2 倍 而弹性模量较小 所以在焊接过程中易引起较大的热应力 在热应力作 用下 镁合金焊接件很容易产生结构变形 结晶裂纹等缺陷 5 热裂纹镁合金在凝固结晶过程中凝固收缩较大 热裂敏感性高 焊接 2 硕士学位论文 时接头中容易产生凝固结晶裂纹与液化裂纹 6 焊缝塌陷因为镁的表面张力比较小 当焊缝较宽时易产生焊缝金属下 塌 7 燃烧镁及其合金易燃烧 所以在焊接时需要惰性气体或焊剂的保护 8 飞溅镁合金的熔沸点低 表面张力小 在熔焊过程中容易产生飞溅 1 2 2 镁合金的焊接方法 焊接是一种重要的金属成型工艺 随着人类社会对物质文明的追求 各种新 型材料的不断开发及科学技术的不断发展 焊接已经发展成为一门独立的科学 技术 并广泛应用于航空航天 建筑 电子技术 海洋工程 机械制造 交通 运输等工业部门1 2 6 1 早期镁合金焊接技术的研究和应用主要集中在镁合金铸件的修补方面 近年 来 随着镁合金结构件的出现 对于镁合金焊接的研究也越来越多 由于镁合 金存在以上特点 所以 目前大量的研究集中在怎样改善焊接接头组织结构和 提高接头的性能方面 当前镁合金焊接主要采用的方法有 有钨极惰性气体保护焊 t i g 搅拌摩 擦焊 f s w 熔化极惰性气体保护焊 m i g 电阻点焊 r s w 电子束焊 e b w 和激光焊 l b w 等 1 2 2 1 钨极惰性气体保护焊 t i g t i g 是目前镁合金焊接最常用的方法 2 引 它是利用钨电极与工件间产生的电 弧热熔化母材和填充金属从而形成结合的一种方法 焊接时要求用惰性气体进 行保护 防止过分氧化及氧化物夹在焊缝金属中 根据保护气体的不同 可分为 钨极氩弧焊和钨极氦弧焊 采用钨极惰性气体保护焊焊接镁合金时 其工艺与 焊接铝合金时相同 一般采用交流或直流反极性 当母材为负极时 可在母材 表面产生阴极斑点来破坏 蒸发和去除母材表面的氧化膜 避免氧化夹杂 采 用直流反极性焊接时 难以获得较大的熔深 而利用交流焊接时得到的熔深大 电极消耗更小 因而应用更加广泛 关于镁合金t i g 焊的研究 国外进行的比较早 在上世纪五六十年代就有美 国科学家进行了相关研究 l o c k w o o dlf 1 27 j 进行了镁合金薄板的交流焊接实验 研究了保护气体 电流性质 电弧长度等工艺参数对焊缝成形性能的影响 w i n z e r n 等 2 8 1 和b e nhg 等 2 9 1 研究了a z 3 1 镁合金板材t i g 焊焊接接头组织与应力腐 蚀性能之间的关系 结果表明 晶粒尺寸和析出相形态对焊接接头应力腐蚀性 有很大的影响 近几年国内对镁合金t i g 焊的研究报道也比较多 x un 等1 2 u 讨论了t l g 焊接时热输入对挤压态a z 6 1 镁合金焊接接头显微硬度分布的影响 结果表明 过高的热输入导致的晶粒粗大和应力集中对焊接接头硬度的分布影 细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 响很大 s h e nj 等 3 0 1 研究了a z 9 1 d 镁合金t i g 双面焊时半融化区 p m z 气孔的 形成机理 刘军等 3 1 1 采用t i g 方法对铸态a z 9 1 d 镁合金焊接接头的组织和性能 进行了研究 得到的焊缝均匀 表面呈光亮色 未发现有未焊透 气孔 夹杂 咬边和裂纹等缺陷 焊接接头的抗拉强度为母材的8 0 左右 王红英等 3 2 j 对 a m 6 0 镁合金进行了t i g 焊 对接头性能 焊缝成形特点 接头组织特征及力 学性能进行了研究 在合适的焊接工艺条件下 能得到成形良好 无焊接缺陷 的焊接接头 粱国俐等 3 3 1 以a z 3 1 变形镁合金为研究对象 对其t i g 交流自动 焊接头的微观组织和接头的断口形貌进行了分析 结果表明 在t i g 自动焊条 件下 得到的a z 31 b 镁合金接头熔池区组织主要为细小的等轴晶 热影响区组 织为粗大的过热组织 晶粒比较粗大 1 2 2 2 熔化极惰性气体保护焊 m i g 跟t i g 焊相比 m i g 焊有以下特点 1 1 由于以焊丝作为电极 合适的焊接范 围比较窄 液态镁的表面张力较小 电极丝前端的熔滴脱离困难 且焊接电流 过高时熔滴易爆炸蒸发导致飞溅 电极丝软 送丝稳定性差 因而在焊接过程 时要使用推拉方式的特殊供丝装置 现在市场上直径小于1 6 m m 的焊丝很少 厚度小于2 m m 的工件很难找到匹配的焊丝 而焊丝直径过大将导致焊缝增宽 但m i g 焊的优点是焊接速度快 全自动焊接焊接速度达l m m i n w o h l f a h r th 等 3 4 1 对a z 6 l a z 3 1 镁合金板材m i g 焊焊接接头的组织和性能 进行了研究 结果表明接头的抗拉强度可以达到母材的8 0 10 0 l o c k w o o dl f 1 3 5 j 较早就对a z 3lb 镁合金薄板进行了m i g 焊实验 研究了工艺参数对焊缝成 形及性能影响 并对焊缝中的焊接缺陷进行了分析讨论 s u ndx 等 3 6 研究了 a z 9 1 d 镁合金m i g 焊焊接接头组织演变规律 分析了裂纹形成机理 并讨论了 焊接速度对裂纹敏感性的影响 结果表明 在低焊速下 由于热输入高 使得 h a z 应力集中 导致液化裂纹的出现 因此 在m i g 焊条件下 不宜采用过高 的焊接速度 1 2 2 3 搅拌摩擦焊f f s w f s w 是2 0 世纪9 0 年代提出来的一种固相成形技术 3 7 3 9 它是利用不同形 状的搅拌头伸入到工件中的待焊区域 通过搅拌头在高速旋转时与工件之间产 生的摩擦热使这一部分金属发生处于塑性状态 并在搅拌头的压力作用下使之 从前端向后端发生塑性流动 从而把两个工件压焊成一个接头 在搅拌摩擦焊 过程中 金属没有发生熔化 焊接时温度较低 因此避免了熔焊时产生的那些 缺陷 而且再焊接过程中不会产生飞溅 气孔 烟尘 也不需添丝和保护气体 因此 在焊接镁合金时具有独特的优势 目前有研究者以镁合金薄板为研究对 象 采用搅拌摩擦焊的方法成功对其进行了焊接 焊接接头变形很小 并且焊 4 硕士学位论文 接接头内不存在残余应力 接头上下表面成形性好 无裂纹 气孔及未焊透等 缺陷 总之 搅拌摩擦焊的优点在于 效率高 温度低 可实现不同材料的焊 接 目前研究的方向是优化其工艺参数 l i a oj 等i l5 j 研究了金属问化合物颗粒的分布情况对细晶粒镁合金f s w 焊接 头微观组织的影响 并与同牌号的粗晶粒镁合金焊接接头进行了比较 结果表 明弥散分布的析出相能抑制搅拌区晶粒的长大 c a ox 等 4 0 研究了焊接速度对 镁合金f s w 焊接头性能的影响 并对接头微观组织 缺陷 硬度和拉伸强度的 变化规律进行了讨论 实验结果发现在很大的速度范围内 焊接接头成形性能 良好 说明f s w 在焊接镁合金方面有很大的应用潜力 y a n gj 等 4 1 研究了焊接 热输入对a z 31 镁合金f s w 焊接头拉伸性能和断裂行为的影响 在一定的热输 入范围内 可以得到力学性能较高的焊接接头 1 2 2 4 电阻点焊 r s w l 电阻电焊是指将焊件压紧在两柱状电极之间 然后再通电加热 使焊件在接 触处熔化形成熔核 然后断电 并在压力下凝固结晶 形成致密的焊点的方法 由于镁合金电阻小 散热系数大 因此需要大电流短时间的强规范焊接 但是由 于镁的热膨胀系数很大 因而镁合金在点焊过程中易出现大变形 4 2 1 w a n gyr 等1 4 3 4 4 j 研究了焊接电流对a z 3l 镁合金c 0 2 电阻电焊焊接接头显 微组织和力学性能的影响 结果表明 电极压力为2 0 0 0 n 焊接热输入为8 0 焊接时间为6 周波时能得到最优的力学性能 王长义 4 5 j 采用交流电阻电焊对 a m 5 0 镁合金板材进行了焊接 分析了其焊接接头显微组织 力学性能及断口形 貌 结果表明清理状态对电焊接头的质量有很大影响 1 2 2 5 电子束焊 e b w l 电子束焊接是指利用高电场产生高速电子 经聚合后形成电子流 撞击被焊 金属的接合处 使动能转化为热能 使金属产生熔化 并形成连接接头的一种方 法 46 1 电子束能量密度高 穿透力强 焊接速度快 热输入低 焊缝宽度及热影 响区窄 深宽比大 变形小 焊缝干净等优点 能使用电弧焊接的镁合金一般也能用电子束焊接 这两种方法都需要经焊前 和焊后处理 采用真空电子束焊时 由于合金里镁和锌蒸气压很高 从而促进了 气孔的产生 镁合金的含锌量高于1 时 很难得到性能良好的焊缝 而非真空 的电子束焊也因保护措施非常复杂难以实现工业应用 l c h ict 等 4 7 4 8 研究了a z 系镁合金电子束焊接的焊接性能和断裂模式 发现 镁合金在电子束焊接过程中会产生四种形式的焊接缺陷 空洞 咬边 下榻及热 影响区宽大 并讨论了电子束焊接工艺参数对这些缺陷的影响 u l r i c hd 等1 4 9 j 也 研究了镁合金的非真空电子束及焊接接头的特性 由于镁合金的活性较大 非真 细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 空状态下电子束焊焊接接头质量明显较差 1 2 2 6 激光焊 l b w 虽然t i g 焊和m i g 焊是焊接镁合金最主要的方法 尤其是在修补和消除铸 造缺陷方面 但是 这两种工艺由于焊接速度低 焊接热输入高导致焊缝和热 影响区宽大 收缩严重 微观组织和力学性能不稳定 合金元素蒸发严重 残 余应力和接头变形大 电子束焊接虽然能克服上述缺点 但是需要真空环境 对设备要求较高 因此 焊接速度快 热输入低且不需真空环境的激光焊接得 到关注 用激光焊接得到的焊接接头热影响区小 深宽比大 残余应力低 2 0 5 0 5 1 1 激光焊接易于实现自动化生产 已成为焊接镁合金的首选方法 l b w 是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法 根 据激光器的不同 分为c 0 2 气体激光器和n d y a g 激光器 其中 c 0 2 气体激 光器的光电转换效率较高 光束质量好 功率范围比较大 且能连续输出 设 备和运行成本低 因而是焊接生产中使用最为广泛的激光器 镁合金可以利用 激光进行焊接是由镁合金的性质决定的 镁合金吸收性能好 激光束可将高密 度的能量集中于一点 这样就可以使热影响区减至最小 q u a n yj 等 2 2 对m g a 1 m n 合金的激光焊接特性进行了研究 分析了激光焊 接工艺对焊接接头组织和性能的影响 研究结果表明 在激光焊接条件下 镁 合金能得到成功焊接 接头成形性能良好 热影响区组织没有明显粗大 力学 性能高 最大抗拉强度能达到母材的9 4 全亚杰等 5 2 j 以a z 3 1 变形镁合金为 研究对象 研究了c 0 2 激光焊接镁合金的工艺特点 分析了焊接接头中常出现 的焊接缺陷 并分析了其产生原因和防止措施 实验结果表明 气孔 裂纹是 镁合金激光焊接接头中常见的焊接缺陷 王红英等1 5 3 1 采用c 0 2 激光焊接系统对 a z 6 1 镁合金的激光焊接工艺进行了研究 并通过大量的实验获得了较为优化的 参数范围 陈铠等1 5 4 j 针对铸造镁合金激光焊接气孔的问题 以a z 9 1d 铸造镁合 金为研究对象 围绕气孔产生的原因 影响因素及其控制进行了研究 分析了 铸造镁合金激光焊接气孔产生的特点及机理 研究了激光自熔焊气孔产生的原 因及影响因素 讨论了填充激光焊对焊接气孔的控制以及不同对接间隙焊接的 质量控制 结果表明 铸造镁合金激光焊接稳定性及气孔率主要受母材微孔率 的影响 s c i n t i l l ald 等1 5 5 采用n d y a g 激光焊对a z 31 镁合金进行了焊接 分 析了其焊接性和力学性能 刘顺洪等1 56 j 采用n d y a g 脉冲激光焊单面焊双面成 型的工艺对厚1 5 m m 的a z 9 1 变形镁合金进行了焊接试验研究 6 坝士学位论文 1 3z k 系镁合金的特点及焊接性 1 3 1z k 系镁合金的特点 目前镁合金的焊接主要集中在a z m g a i z n 系和a m m g a 1 一m n 系镁合金 上面 对z k m g z n z r 系镁合金研究较少 和a z 系及a m 系镁合金相比 z k 系镁合金力学性能更为优异 具有更好的抗应力腐蚀性能 且可进行热处理强化 因此 z k 系镁合金是目前应用最广的变形镁合金之一 z n 是m g z n 系合金的主要强化元素 它既可以提高强度 又能增加抗腐蚀性 能 由图1 1 中m g z n 元相图可知 z n 在镁中的极限固溶度为6 2 z n 含量对z k 系镁合金的力学性能影响很大 当z n 含量低于6 w t 时 合金抗拉强度和屈服强 度随z n 含量的增加而提高 延伸率下降 当z n 含量高于6 w t 时 抗拉强度和延 伸率随着z n 含量的增加而下降 延伸率下降更为明显 因此 z k 系镁合金z n 含量一般不高于6 w t 此外 m g z n 系合金在铸造或加工过程中容易产生晶粒的 长大 且随着z n 含量的增加 z k 系合金结晶凝固温度区间变宽 热裂倾向加重 a t n r n ir p m p n i7 n o 图1 1m g z n 二兀相图 z r 是z k 系合金的第二主加元素 具有细化晶粒 降低显微疏松倾向的作用 是m g z n 系合金中最有效的细化晶粒元素 也是影响z k 系镁合金组织和性能的 关键元素 z r 在镁中的溶解度很小 在包晶反应温度下只有o 5 8 w t 一般以固 溶原子的形式存在 在结晶时 z r 首先以1 3 z r 的形式析出 而0 z r 与m g 都是 密排六方结构 在镁合金凝固时q z r 质点起异质形核作用 提高结晶形核率 从 而使晶粒细化 l 5 7 j 同时 z r 还有提高合金再结晶温度 阻止晶粒长大 改善合 金耐蚀性和耐热性的作用 5 8 j 按a s t m 标准 z k 系合金的主要牌号有z k 2 1 a z k 3 l z k 4 0 a z k 5 1 z k 6 0 a 和z k 6 1 等 目前我国只有m b l 5 一种牌号 其合金成分和z k 6 0 成分接 7 细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 近 跟其他合金相比 z k 6 0 镁合金力学性能更为优异 表1 2 是商用镁合金中 强度最高 综合性能最好 应用最为广泛的结构合金 59 1 如果用z k 6 0 镁合金来 代替铝合金制作汽车轮毂 重量可以减轻10 15 同时减震性能更好 6 0 1 表1 2z k 6 0 镁合金和其它合金强度比较 6 1 注 r s 一热加工 人工时效 t 6 一固溶后完全时效 1 3 2z k 系镁合金的焊接性 材料的焊接性能跟材料本身的物理 化学 冶金学性能及加工状态等有很大 的关系 由于镁特有的物理化学性质 镁合金在焊接时容易产生飞溅 燃烧 焊 缝下塌 热裂纹 热应力 蒸发和氧化 粗晶和气孔等缺陷 z n 含量对镁合金的 焊接性能也有很大的影响 从m g z n 二元合金相图可知 z k 系镁合金在非平衡 凝固时会形成共晶 且共晶温度很低 只有6 13 k 左右 z k 系合金的凝固温度区 间很宽 随z n 含量的增加宽化 当z n 含量达到6 w t 时 其结晶温度区间在2 0 0 以上 有研究报道 当合金中的z n 含量超过1 时 焊缝缺陷增多 容易产生热 裂纹 1 1 根据z k 系镁合金的这些特点 焊接时需要选择能量密度集中且热输入小的 焊接热源 此外 在焊接时还需要使用惰性气体保护以防止焊缝的氧化和燃烧 鉴于这些特点 国内外主要采用r s w g t a w f s w 及高能束焊 h e b w 等热输 入较少的焊接方法研究低z n 含量的z k 系镁合金的焊接性 对高z n 含量的镁合 金的焊接研究较少 c a ox 等 6 2 6 3 1 研究了砂型铸造z e 4 1 a t 5 m g 4 2 z n 一1 2 c e 0 7 z r 合金的连续 脉冲y a g 激光焊接头的组织及性能 在优化的工艺条件下 得到了熔池区晶粒 细小 半熔化区范围窄 热影响区晶粒没有明显长大的焊接接头 同时对焊缝裂 纹和孔洞等缺陷的形成机理进行了研究 结果表明母材的性能对焊接缺陷的形成 有很大的影响 k a z z a zah 等1 6 4 对z e 4 1 镁合金进行了激光焊接热模拟和实验研 硕士学位论文 究 分析了在激光焊接条件下焊缝中匙孔的形成机理与焊接接头的几何特性 结 果表明 焊接速度 激光功率 离焦量及接头间隙对其焊接性能有很大的影响 y a r e m asy 等1 6 5 研究了m b l 5 z k 6 0 镁合金焊接接头在循环加载条件下的抗 裂性能 x i eg m 等 1 2 6 6 7 l 采用摩擦搅拌焊对z k 6 0 和m g z n y z r 镁合金的挤压 态板材进行了焊接 实验结果表明 采用f s w 焊接可以成功地对z k 系镁合金进 行焊接 并研究了搅拌摩擦焊接参数对z k 6 0 镁合金焊接接头显微组织和力学性 能的影响 在优化的工艺参数条件下 接头无明显缺陷 焊接系数可达9 0 f s w 是一种半固态焊接方法 不需要填充材料 可以焊接许多传统弧焊方法难以焊接 的材料 但是 f s w 设备构造和焊接方式比较特殊 很难对大厚度 硬质合金及 形状复杂的焊件进行焊接 从而极大地限制了它的应用范围 y uzh 等l l3 1 4 2 3 j 采用低热输入的c 0 2 激光对z k 系镁合金进行了焊接 对该 合金系在激光自熔焊条件下焊接接头的成形性能 显微组织 力学性能及热裂机 理等方面进行了系统的研究 且首次采用激光填带焊技术解决了高z n 含量的 z k 6 0 合金焊接接头结晶裂纹及焊缝表面成形难的问题 研究结果表明 z k 系镁 合金不宜采用冷却速度过高或焊接速度过快的工艺参数 母材的z n 含量和焊接 工艺参数对z k 系镁合金自熔焊接头的显微组织和力学性能有显著的影响 母材 的z n 含量对z k 系镁合金焊接接头热裂倾向具有显著的影响 在激光自熔焊条件 下 z k 6 0 镁合金热裂倾向很大 在其半熔化区中发现了连续孔隙状裂纹和液化 空穴 采用激光填带焊工艺可以将z k 6 0 镁合金焊缝表面易出现的挥发坑及其伴 生的表面裂纹等成形缺陷上移至有效接头以外的填充带材处 1 4 细晶材料的焊接性 材料的焊接性能与母材的组织特征有一定的关系 有研究表明 细晶粒材料 与粗晶粒材料相比 其焊接接头呈现不同的组织特点 1 5 l6 1 细晶金属材料有许多很好的物理 化学及力学性能 尤其是细晶材料能在不 损失甚至提高材料的塑性和韧性的同时大幅度提高材料的室温强度 从而改善其 综合性能 因此 人们寄希望于细晶材料能成为2 1 世纪的新材料 国内外已经有 很多方法成功制备出了细晶粒的钢 铜 铝 钛合金 镁合金等 目前 细晶粒 镁合金可通过强应变塑性变形 如大挤压比挤压成型 等径角挤压 e c a p 叠轧 a b r 多向锻造变形 快速凝固 粉末冶金和高应变速率轧制等方法制备 由于细晶粒材料的特点 使其焊接接头的组织性能呈现出新的特点 出现了 一些新的问题 具体表现在下述几个方面1 7z 7 3 j 1 焊缝与母材的匹配问题 焊缝金属在成分 组织和性能上和细晶粒母材 存在很大差异 且不具备细晶粒的特点 焊缝金属是铸造组织 与母材组织的差 异是焊接接头中存在的现象 而在细晶粒材料焊接接头中 焊缝与母材相比 晶 9 细晶z k 6 0 镁合金激光焊接行为研究 粒大小和均匀度之间的差异更加明显 2 热影响区 h a z 的问题 在焊接热的作用下 h a z 晶粒必然会发生长大 其长大的程度与初始晶粒度和焊接热循环有关 初始晶粒越小 温度越高 晶粒 长大就越快 时间越长 最终的晶粒就会越粗大 同时焊接是一个不均匀的加热 过程 在h a z 不同区域的热循环是不同的 简单地说就是加热温度和时间是不 同的 因而各区域的晶粒长大程度也不同 也就是说h a z 组织会严重不均匀 在同样的焊接条件下 细晶粒材料h a z 晶粒长大程度更加严重 组织不均匀性 也更明显 这样会使性能分布不均匀 同时 细晶粒材料主要是在形变条件下获 得细晶的 不能通过热处理手段来恢复 所以焊后h a z 会出现软化 尤其当高 热输入时 就更加明显 为此 对细晶粒材料的焊接工艺进行研究 力求将h a z 的影响降低到较低 的程度 也是细晶粒材料开发研究工作中的一项重要内容 采用能量密度高的焊 接方法 并尽量控制热输入 以减小h a z 的尺寸 是目前比较认可的方法之一 目前对细晶粒材料的焊接主要集中在钢上 彭云等 7 4 j 比较了细晶粒钢的激光 焊接 等离子电弧焊 m a g 焊接接头各区域的组织和硬度分布特征 发现激光焊 接接头的粗晶区具有较好的韧性 s h iyw 等 7 5 l 对s s 4 0 0 细晶粒钢的焊接热影响 区组织尤其是其晶粒长大的速度进行了模拟研究 结果表明 细晶粒钢热影响区 晶粒长大的程度跟传统钢相比要大些 田志凌等 7 2 1 屈朝霞等 7 3 1 用焊接热模拟试 验研究了焊接h a z 的晶粒长大规律 w a n gw b 等 76 j 对4 0 0 m p a 级细晶粒钢进行 了闪光焊 并对其h a z 的组织和性能进行了分析 z h a ohy 等 7 对4 0 0 m p a 级 细晶粒钢的焊接性能进行了研究 发现通过表面加工硬化的方法能显著细化h a z 的晶粒组织 大幅度提高其力学性能 张旭东等 7 8 研究了c 0 2 激光深熔焊热循环 及其对接头组织性能的影响 建立了以热电偶为温度传感器的激光焊接热循环检 测系统 研究了c 0 2 激光深熔焊的热循环特点 同时研究了激光焊接细晶粒钢时 热循环对h a z 尺寸和接头组织性能的影响 l i ujb 等 79 j 研究了8 0 0 m p a 级细晶 粒钢热影响区的组织转变 结果表明冷却速度对组织转变速度具有很大的影响 在细晶粒镁合金的焊接方面 国外有人对平均尺寸为3 p m 的a z 3 l 变形镁合 金的焊接性能进行了研究 日本的l i a oj 等i l5 j 研究了细晶粒a z 3 1 b 镁合金的摩 擦搅拌焊接头性能 并分析了弥散分布的析出相颗粒对焊接接头组织演变的影响 结果表明 细晶粒a z 3 1 b 镁合金中a 1 6 m n 析出相比相同成分的粗晶粒镁合金中 多 焊后细晶粒a z 3 1 镁合金搅拌区 s z s 的晶粒跟细晶粒母材相比有一点粗化 而粗晶粒镁合金的s z s 晶粒尺寸跟粗晶粒母材相比则小了很多 但是 在相同的 焊接条件下 细晶粒镁合金的s z s 晶粒要比粗晶粒镁合金的s z s 晶粒小很多 弥 散分布的a 1 6 m n 能抑制晶粒的生长 从而得到细小的s z s 晶粒 y ul 等 l6 j 采用光纤激光对细晶粒a z 3 l 镁合金进行了焊接 研究了焊接接头 1 0 硕士学位论文 组织和织