張秋美 侯軍才

(陜西理工大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 漢中 723003)

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焊接速度對(duì)Mg-Mn系鎂合金光纖激光焊接接頭組織和成形的影響

張秋美 侯軍才

(陜西理工大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 漢中 723003)

采用大功率光纖激光器對(duì)Mg-Mn合金進(jìn)行一系列激光焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)焊縫成形的形成規(guī)律、接頭的微觀組織進(jìn)行研究。使用金相顯微鏡分析測(cè)試手段，研究光纖激光焊接接頭各區(qū)域的顯微組織，分析主要焊接參數(shù)(焊接速度)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)焊接功率為2 200 W、焊接速度為1 500～1 800 mm/min時(shí)，焊縫成形良好，無(wú)氣孔缺陷。Mg-Mn合金激光焊接在不同的焊接參數(shù)下，焊縫的晶粒中均存在等軸晶和柱狀晶，且晶粒主要組織為α-Mg固溶體和Mg8Ce金屬間化合物。焊縫的組織形態(tài)受到焊接速度的影響比較明顯，隨著焊接速度的不斷升高，焊縫的熔寬相應(yīng)減小，且晶粒尺寸也隨之減小。

晶粒尺寸 樹(shù)枝晶 等軸晶 熔寬 氣孔

0 序 言

鎂合金由于具有密度小、比彈性模量大、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，可有效減小汽車(chē)的振動(dòng)與噪聲。此外，產(chǎn)品回收利用率高，可高度集成化應(yīng)用，減小部件在加工和組裝過(guò)程中的費(fèi)用，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中更加簡(jiǎn)潔、靈活，對(duì)于研究環(huán)保型的低能耗工程機(jī)械、交通工具和醫(yī)療器械等具有重要的意義。而激光焊具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、工件變形小、自動(dòng)化程度高、熔深大等優(yōu)點(diǎn)，其焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高，在不銹鋼[1]、鈦合金[2]、鋁合金[3]上均進(jìn)行相關(guān)的研究。 鎂合金采用普通的熔焊焊接時(shí)容易晶粒長(zhǎng)大?？梢?jiàn)，激光焊非常適合焊接鎂合金。國(guó)內(nèi)對(duì)鎂合金焊接研究主要集中于AZ系列合金(AZ31[4-6]，AZ61[7]和 ZK60[8])和AM系列合金(AM60[9])，而對(duì)具有優(yōu)異的耐腐蝕和高溫性能的Mg-Mn系鎂合金焊接研究較少，只有高明等人[10]研究了MB8鎂合金CO2激光焊。為此，文中采用大功率光釬激光器對(duì)4 mm厚的Mg-Mn合金薄板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究焊接速度對(duì)接頭顯微組織和成形的影響規(guī)律，獲得工藝參數(shù)窗口，為Mg-Mn系鎂合金激光焊接的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用尺寸為200 mm×80 mm×4 mm的長(zhǎng)方體Mg-Mn鎂合金薄板，并對(duì)其表面氧化膜和油脂進(jìn)行清理。表1為Mg-Mn系鎂合金的化學(xué)成分。用99.99%的高純氬氣作為焊接保護(hù)氣體，并且分別在背面、側(cè)面、正面進(jìn)行保護(hù)。在正面進(jìn)行施焊，背面穿孔焊接，側(cè)面吹高純氬氣，進(jìn)行不填絲對(duì)接焊。

表1 Mg-Mn系鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 研究方法

試驗(yàn)選取3組試樣進(jìn)行激光焊，選用的輸出功率均為2 200 W，速度分別為1 200 mm/min,1 500 mm/min,1 800 mm/min，并采用高純氬氣保護(hù)，保護(hù)氣流量為20～30 L/min，離焦量均為0。為防止焊接變形，焊件兩端采用夾具固定。表2為具體焊接工藝參數(shù)。焊接完成后，分析試樣的表面成形質(zhì)量。

1.3 金相試樣制備

焊接完成后，用牙托水和牙托粉進(jìn)行鑲嵌，鑲嵌后分別使用 120#，240#，600#，800#干砂紙將金相試樣逐級(jí)磨平拋光后，使用腐蝕劑進(jìn)行腐蝕(表3)，腐蝕時(shí)間約為20～30 s。然后在金相顯微鏡上觀察焊接接頭微觀組織形貌。

表2 激光焊接工藝參數(shù)

表3 腐蝕液的化學(xué)成分

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接速度對(duì)焊縫表面成形的影響

Mg-Mn合金激光焊在焊接功率均為2 200 W，不同焊接速度下，試樣正面和背面均形成焊縫，表明在三個(gè)焊接速度下，接頭均被焊透。隨著焊接速度的增大，魚(yú)鱗紋連續(xù)均勻，焊縫成形質(zhì)量進(jìn)一步提高。當(dāng)焊速為1 800 mm/min 時(shí)，焊縫正面的寬度為3 mm，背面的寬度為2 mm。

2.2 焊接速度對(duì)焊縫宏觀形貌的影響

在不同焊接速度下接頭的宏觀組織如圖1所示，焊接速度為1 200 mm/min的1#試樣焊縫上部和下部均出現(xiàn)了氣孔缺陷，而2#和3#試樣未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，在焊縫厚度方向上無(wú)界面，說(shuō)明焊縫均已經(jīng)被焊透，呈典型指狀形貌，為小孔焊接，組織明顯，所以焊接速度應(yīng)選用1 500～1 800 mm/min為宜。且圖1中1#試樣熔寬明顯最大，說(shuō)明在激光功率恒定的條件下，隨著焊接速度的不斷減小，焊接熱輸入隨之升高，熔池體積也相應(yīng)增大，且焊縫的熔寬明顯變大。這是因?yàn)殡S著焊接速度的不斷減小，熔池流動(dòng)的動(dòng)能和方式將會(huì)改變，低速焊接下熔池吸收熱量多，尺寸大而寬，且容易產(chǎn)生焊縫上表面下塌，熔化金屬的體積較大，熔池的自身重力太大，其表面張力難以維持液態(tài)熔池的平衡，而使熔池從焊縫中間下沉，隨后熔寬變大，在焊縫上表面形成凹坑，接頭尺寸增大。當(dāng)焊接速度較小時(shí)，熱輸入較大，熔化的金屬體積較大容易使小孔坍塌將等離子氣體封在小孔狀的焊縫中從而形成氣孔缺陷，如圖1所示。

2.3 焊接速度對(duì)焊接接頭微觀組織的影響

2.3.1 母材區(qū)顯微組織

Mg-Mn鎂合金母材的顯微組織形態(tài)如圖2所示。可以看出，母材中分布著沿相同方向拉長(zhǎng)的晶粒，個(gè)別處發(fā)生了明顯的再結(jié)晶。母材的顯微組織表明，母材經(jīng)歷熱軋加工過(guò)程，發(fā)生了部分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。母材的顯微組織為均勻α-Mg固溶體，且α-Mg固溶體基體中以及晶界上中布滿了黑色細(xì)小顆粒Mg8Ce，其作為Mg-Mn合金中最重要的沉淀相之一，可以強(qiáng)化Mg-Mn鎂合金板材，提升力學(xué)性能，而粗大的塊狀相為Mn相。

圖1 不同焊接速度接頭的宏觀組織

圖2 母材區(qū)微觀組織

2.3.2 焊接接頭的結(jié)晶形態(tài)

根據(jù)濃度過(guò)冷的結(jié)晶理論，焊縫的晶態(tài)與溶質(zhì)濃度C0、結(jié)晶速度R和溫度梯度G有關(guān)。從圖3可以看出，在激光焊接即將完成時(shí)，由于母材的急冷作用，使得焊縫邊緣區(qū)域具有很大的溫度梯度G，界面成分過(guò)冷幾乎為零，此時(shí)晶核結(jié)晶速度R非常小，使得平面晶得到發(fā)展，但由于冷卻時(shí)間相對(duì)很短促，溫度梯度變化相應(yīng)很快，平面晶區(qū)域面積很小，并與液態(tài)金屬前沿的成分過(guò)冷形成的胞狀晶粒夾雜在一起，從而形成平面晶及胞狀晶(圖3a)，圖3a區(qū)域不穩(wěn)定[7-8]。熔合線附近不斷生長(zhǎng)的晶粒開(kāi)始向焊縫中心位置長(zhǎng)大并伸入，隨著晶粒的不斷生長(zhǎng)，熱量不斷傳遞，潛在的結(jié)晶熱量析出等，熔合區(qū)液態(tài)金屬的溫度梯度G逐漸減小，結(jié)晶前沿的成分過(guò)冷明顯增大，同時(shí)結(jié)晶速度也隨之上升，在接近焊縫中心位置形成樹(shù)枝晶(圖3c)。隨著成分過(guò)冷度增大，樹(shù)枝晶占主導(dǎo)地位，其枝干不斷向液態(tài)前沿生長(zhǎng)，二次橫枝也隨之伸出，當(dāng)焊縫中心附近的溫度梯度G很小時(shí)，液態(tài)金屬中成分過(guò)冷隨之進(jìn)一步上升，晶粒生長(zhǎng)開(kāi)始不受限制，自由生長(zhǎng)，生成等軸樹(shù)枝晶(圖3e)，所以鎂合金激光焊焊接接頭熔合線至焊縫中心的結(jié)晶趨勢(shì)為平面晶-樹(shù)枝狀晶-等軸狀樹(shù)枝晶。因?yàn)槠矫婢У膮^(qū)域較小，Mg-Mn合金激光焊接接頭主要由柱狀樹(shù)枝晶和等軸狀樹(shù)枝晶組成。

2.3.3 焊縫熔合區(qū)微觀組織

不同速度下熔合區(qū)附近的組織形態(tài)如圖4所示，焊速?gòu)? 200～1 800 mm/min變化時(shí)，熔合線附近均為柱狀晶。焊速最大的3#試樣的晶粒最細(xì)小，表明在焊接功率一定時(shí)，焊接速度越大，焊接熱輸入越低，從熔合線處生長(zhǎng)的聯(lián)生晶粒越細(xì)小，化學(xué)成分和組織越均勻，晶粒沿熔合線生長(zhǎng)的方向越清晰。熔合區(qū)附近的組織中發(fā)現(xiàn)了黑色的Mn相和少量的Mg8Ce。表明，其組織為α-Mg基體分布著Mn相和少量的Mg8Ce。

圖3 C0,R和G對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響

圖4 不同焊接速度試樣的熔合區(qū)的微觀組織

2.3.4 焊縫中心區(qū)微觀組織

圖5為在激光功率一定的條件下，隨著焊接速度的不斷提升，焊縫區(qū)的晶粒尺寸隨之減小。這是因?yàn)楹附铀俣忍嵘髮?huì)使熔池中心的溫度梯度相應(yīng)減小，導(dǎo)致成分過(guò)冷增大，晶粒結(jié)晶速度也隨之增大；因此，當(dāng)快速焊接時(shí)，在焊縫中心易出現(xiàn)細(xì)小均勻的等軸晶(5a)；而低速焊接時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)輸入熔池的熱量較大，冷卻速度相對(duì)降低，焊縫中出現(xiàn)的等軸晶較大(圖5c)；當(dāng)焊接速度介于兩者之間時(shí)，在焊接接頭中出現(xiàn)了較細(xì)的等軸晶(圖5b)。當(dāng)焊接速度從1 200～1 800 mm/min變化時(shí)，接頭中均出現(xiàn)了較多塊狀的黑色Mn相和少量的Mg8Ce相，且分布比較均勻。這是由于激光焊能量密度高，焊接速度大，焊縫中心的晶粒較細(xì)，致使第二相分布均勻。組織中未發(fā)現(xiàn)其他形態(tài)的新相生成?？梢?jiàn)，焊縫區(qū)的組織仍然為其組織為α-Mg基體分布著Mn相和少量的Mg8Ce。

圖5 不同焊接速度試樣的焊縫中心微觀組織

3 結(jié) 論

(1)Mg-Mn系鎂合金激光焊縫呈典型指狀形貌，當(dāng)焊接功率為2 200 W、焊接速度為1 500～1 800 mm/min時(shí)，焊縫成形良好，在焊縫厚度方向上的宏觀形貌無(wú)界面，4 mm厚鎂錳合金板材被完全焊透，且未發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷。

(2)Mg-Mn系合金激光焊接接頭主要由樹(shù)枝狀晶和等軸晶組成，晶內(nèi)有大量均勻的顆粒狀α-Mg相和少量的間隙化合物Mg8Ce。

(3)隨著焊接速度的增大，焊縫的熔寬減小，晶粒尺寸減小。

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2017-02-07

陜西省教育廳科技基金項(xiàng)目(16JL1136);蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLAB02014007)。

TG456.7

張秋美，1978年出生，碩士研究生，講師。主要研究方向?yàn)楦咝Ш附臃椒安牧系母g與防護(hù)。