AZ31B镁合金激光焊接接头组织和性能的研究

孔海旺，王学锋

（太原科技大学，山西太原 030024）

镁合金是21世纪的新型材料，其密度为1.75 g/cm3～1.90 g/cm3，是最轻的金属结构材料。镁合金的加工成本低廉，机加工性能优良，其耐腐蚀性优于低碳钢，电磁屏蔽性及减振性比铝合金好得多。镁合金不仅可实现产品的轻量化，而且给产品带来优良的特殊功能。因此，镁合金材料的优良性能使其具有广阔的发展前景，广泛应用于各行各业。先进的激光焊接技术，是一种热传导焊接，具有热量集中、功率密度大和焊接速度快等特点。激光焊的焊缝深宽比大，焊缝组织细化，热影响区窄，焊后变形小、焊缝质量好、接头强度高等优点。因此，激光焊接是一种高效的焊接镁合金的方法。

1 镁合金的焊接性

焊接时必须根据镁合金的物理及化学性质，一定要考虑到其对焊接性能的影响因素。

1）镁的化学性质很活泼，在常温下与氧反应可生成 MgO、Mg（OH）2等化合物，MgO的熔点高达2500℃左右，而镁熔点为650℃，二者相差极大，在焊接中极易形成氧化膜，且不易从熔融的金属中排除，因而工件的焊缝易产生夹渣缺陷，带来电化学腐蚀。

2）镁合金的导热性能好，弹性模量小，焊接变形大，冷却速度快，使熔池一次结晶速度快、时间短。凝固时焊缝的内应力和焊接接头的刚性拘束度较大，导致焊后工件产生较大的内应力。

3）由于镁的蒸发温度高，在高温下出现的蒸发、燃烧等现象，形成一定的氢和氧。产生的气体在焊缝凝固中不易逸出，使工件出现气孔缺陷。

2 试验材料及方法

2.1 试验装置

试验采用焊接设备为大陆激光成套设备：1 DL-H L-T 5000激光焊机，如图1所示。

图1 1DL-HL-T5000激光焊机

2.2 试验材料

试验材料采用AZ 31 B变形镁合金板材（90 mm×40 mm×4 mm），其抗拉强度为255 MPa，母材化学成分如表1所示。采用CO2激光焊接试件。焊接前对试样进行处理，油污用丙酮清洗来去除，凉干后用钢丝刷清理以去除表面的氧化膜层。

2.3 试验方法

试验采用CO2气保激光平板对接焊，单面焊双面成型。焊接示意图如图2所示。

2.4 试样的制备

对于易变形、不利于加工处理或本身不易夹持的试样，可采用镶嵌的办法。镶嵌分为冷镶嵌和热镶嵌两种。实验用热镶嵌，把试样和镶嵌料一块放在钢模内加热加压，冷却后脱模而成。把磨制好的试样在抛光机上进行抛光备用。采用2%～4%的硝酸进行腐蚀试样。金相组织如图3所示。

表1 母材的化学成分 （质量分数，%）

图2 激光焊接示意图

3 试验结果及分析

3.1 接头组织分析

由图3可知AZ 31 B焊缝成形好，接头狭窄，变形小。图3 a）所示出母材为粗大的等轴晶，在焊缝区的晶粒细小。图3 b）为焊缝组织图，可见在焊缝上表面为较大的等轴晶，细小的等轴晶出现在其下。镁合金的物理特性与试件的受热状态密切相关。由于在激光焊接时，激光的能量密度大，焊接过程中所需的热输入小，因此，热影响区窄；此外，镁合金的导热性能好，冷却速度快，有利于焊缝组织的进一步晶粒细化。

图3 激光焊AZ31B显微组织图（250x）

3.2 硬度分析

由洛氏硬度计测出母材的硬度为24HRC，焊缝的硬度为25 H R C.这表明在接头、焊缝及热影响区三者间硬度变化不明显，焊缝和母材的硬度大体相同。焊缝强度的提高是因为材料组织晶粒发生了细化，从材料内部自身弥补了因加工硬化造成的硬度降低。热影响区组织晶粒与母材晶粒相比变化小，因此，二者的硬度接近。

3.3 焊缝缺陷与防止措施

3.3.1 焊缝缺陷

1）气孔

通过试验发现，AZ3l镁合金的激光焊接试件气孔是主要缺陷之一。一般认为镁合金焊缝中气孔的形成与焊缝中的氢有着密切联系。因为高温时氢在镁合金中的溶解度很高，镁熔液可以吸收大量的氢。在焊后的冷却过程中，随着温度的降低.氢在熔池中的溶解度急剧下降。在液态中，氢的最大溶解度约为0.2ml/g，而在凝固时的溶解度从9 ml/g陡降几乎为零，导致氢气大量析出。并且镁的密度比铝小，析出的气体不易逸出，因而容易在焊缝中形成气孔。

2）裂纹

镁合金是典型的共晶合金，焊缝在快速凝固过程中，发生不平衡结晶时，AZ 31镁合金的焊缝中也存在低熔点共晶；另外，镁合金的热膨胀系数大，在焊接过程中存在局部加热和冷却，很容易形成较大的内应力。因此，镁合金焊接时易出现裂纹的倾向。

3.3.2 防止措施

1）选用质量好的母材

由试验可知，在焊缝中有较多缺陷时，在焊缝附近的母材中也发现气孔、夹杂等缺陷的存在。所以，选用无内部缺陷，质量较好的母材非常重要。

2）焊前及焊后的处理

在试件进行焊接前，首先将试件焊接表面的氧化膜清除干净，以防止产生未熔台、未焊透、夹杂等缺陷；其次焊前工件的预热，对裂纹的产生能起到有效的作用；焊后用激光束对焊件表面做重熔处理，可有效减少焊缝中气孔的产生；对焊件退火处理可降低内应力，有利于防止试件变形和裂纹的产生。

3）气体保护

镁合金焊接过程中，在试件的正反两面，一般要求同时采用惰性气体作保护，以防止焊接过程中工件被氧化（常用CO2、Ar等）。

4）合理的焊接工艺参数

在激光焊接中影响焊接接头质量的工艺参数主要有激光的能量（功率）、焊接速度以及激光束的离焦量。而在薄板材的焊接中，离焦量的影响并不大。所以，对除薄板材的激光焊接外，主要考虑的工艺参数是功率和速度的影响。

4 结论

1）对AZ 31 B变形镁合金，经CO2气保激光焊接发现，在焊缝组织中是细小的等轴晶，而其表面存在大晶粒。试件焊缝狭窄、热影响区极小、成型质量好

2）焊缝硬度大于母材，沿熔深方向硬度变大。

3）AZ 31镁合金薄板CO2气保激光焊时，在焊缝中存在氢和低熔点的共晶，所以，试件的焊接缺陷主要表现为气孔和裂纹。

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