AZ31B镁合金的几种激光焊接特性研究

方栩强

摘要：采用激光焊、激光-TIG、激光-MIG及激光-超声4种焊接方法对AZ31B镁合金进行焊接，并讨论分析4种焊接方法下的镁合金焊接特性、微观组织以及力学性能。结果表明，激光焊焊缝下塌严重，激光复合焊接技术（激光-TIG、激光-MIG和激光-超声）则能显著改善焊缝下塌缺陷，得到成形良好的连续焊缝。激光复合焊接可有效减小焊缝中的气孔缺陷，其中激光焊焊缝中气孔率为4.3%，激光-TIG和激光-MIG焊缝中气孔率分别为3.4%和3.9%，而激光-超声焊缝中气孔率最低，仅为0.9%;同时，施加超声有助于细化焊缝晶粒尺寸，提高焊接接头的力学性能，接头强度可提高至母材的88.9%，与激光焊相比，提高了7.7%。

关键词：AZ31B镁合金;焊接;微观组织;力学性能;焊接特性

中图分类号：TG457.19 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0058-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.12

0 前言

镁合金作为轻质结构材料，具有密度小、比强度高、热导性好等一系列优质特性，被广泛用于航空航天、汽车工业、机械电子等工业领域[1-3]。在汽车车身结构中，使用镁合金替代钢、铝等金属材料，可在保证车身结构强度的同时有效减轻车身质量，达到节约能耗的目的[4-5]。由于镁合金材料的弹性模量与人体骨骼相近且生物降解特性良好，该材料可作为外科植入物的理想材料[6]。基于此，镁合金被誉为21世纪最具发展潜力的绿色工程材料，探究镁合金材料简便可行的加工方法成为当前工程领域的热点问题。

目前，镁合金的加工技术以铸造为主，其焊接技术发展则相对缓慢，包括焊接冶金原理、焊接工艺控制、焊接材料生产技术等尚不成熟，因此深入开展镁合金焊接技术的研究是拓展镁合金材料應用的有效途径[7]。镁合金焊接的方法主要有电弧焊（TIG、MIG）[8]、电阻点焊[9]、搅拌摩擦焊[10]、电子束焊[11]和激光焊等[12]，其中激光焊接具有能量密度高、热影响区窄、变形小、柔性好、易于实现自动化等优点。然而，镁合金导热率、线膨胀系数大，易氧化，表面张力小等一系列材料特性，使其在激光焊接过程中稳定性较差，容易产生气孔、热裂纹、晶粒粗大和成形不良等缺陷，同时镁合金对激光的反射率较高，进一步增大了镁合金激光焊接的难度，严重限制了镁合金的应用范围。

为了提高镁合金材料的激光焊接特性，国内外学者针对镁合金激光复合焊接工艺进行了相关研究。激光-电弧复合焊接方面，袁胜涛等[13]对AZ31B镁合金T形件激光-TIG复合焊接工艺进行研究发现，当焊接电流为100 A、激光功率为300 W，热源间距为3 mm时可得到理想的镁合金T形结构件焊缝成形。李娜等[14]研究AZ31镁合金激光-MIG复合焊接工艺发现，焊缝热影响区较小，焊缝区为细小的等轴晶组织，且焊接接头沿焊接方向疲劳性能呈现“先减后增，而后再减”的变化规律。超声辅助激光焊接方面，沈言锦等[15]采用激光焊接方法对AZ31镁合金薄板进行焊接，发现随超声波功率的增加，焊缝平均晶粒尺寸逐渐减小，当功率为1 200 W时，平均晶粒尺寸最小，为24 μm，而宏观硬度与抗拉强度均达到最大值，分别为56 HB和286.5 MPa。因此，采用激光复合工艺焊接镁合金可显著改善其焊接接头外观成形、微观组织和力学性能，提高焊接适应性[16]。

本文分别采用激光焊、激光-TIG及激光-MIG、激光-超声复合4种焊接方法对AZ31B镁合金进行对接，并针对不同方法下的镁合金焊接特性进行对比分析，以期为镁合金的焊接应用提供参考依据。

1 试验材料及方法

试验材料选用3 mm厚AZ31B镁合金板材，采用电火花线切割机加工焊接试样，焊接试板尺寸为200 mm×100 mm×3 mm。母材化学成分及机械性能分别如表1、表2所示。试验前采用机械打磨方法去除镁合金表面氧化膜，待露出金属光泽后用丙酮清洗干净。为防止板材变形，焊接前固定板材两端。

采用YLS-5000光纤激光器对AZ31B镁合金板材进行激光焊接，保护气为Ar，不同焊接方法的焊接工艺参数如表3所示。焊后用线切割机沿垂直焊缝方向切出金相试样，镶嵌后用金相砂纸按#200、#400、#600、#800依次打磨，用粒度1 μm的金刚石抛光剂进行抛光处理，用腐蚀液（5.5 g苦味酸+90 mL无水乙醇+5 mL乙酸+10 mL水）腐蚀10 s，然后用无水乙醇冲洗、吹干，制成金相试样待观察。采用VHX-1000E超景深光学显微镜观察和分析接头成形、微观组织;在AG-X电子万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度2.0 mm/min，测试前用砂纸磨平焊缝，以消除应力集中对实验结果的影响，拉伸试样尺寸如图1所示;采用S-3400N型扫描电子显微镜分析拉伸断口;并利用HXD-1000TM型数字式显微硬度计测试焊接接头硬度，加载载荷50 g，保压时间10 s。

2 结果与讨论

2.1 焊接性能分析

不同焊接方法获得的接头形貌如表3所示。激光焊焊缝熔宽较小，焊缝正面存在严重的下塌缺陷;激光-TIG复合焊的焊缝成形连续，下塌缺陷得到明显改善;激光-MIG复合焊焊缝正面存在一定量的余高，焊接过程由于填丝的作用变得不稳定;激光-超声复合焊焊缝表面平整光滑，焊缝正面、背面熔宽相差不大，焊接过程较为稳定。在激光-TIG复合焊接过程中，电弧热量作用在熔池上部，焊缝横截面呈上宽下窄的形貌特征[16]，造成焊缝正面下塌量减小;对于激光-MIG焊，由于填丝造成飞溅现象，使得焊接过程稳定性下降，无法在较高的速度下进行焊接[17];而在激光-超声焊接过程中，超声波的加入能够促进焊接过程中熔池液态金属的流动，使焊接过程更加稳定，获得较为优质的连续焊缝。

对焊缝进行X射线无损检测，如图2所示。激光焊焊缝中存在大量的气孔缺陷，气孔尺寸较小且分布均匀;激光-TIG和激光-MIG方法中由于电弧热源的加入，熔池凝固速度下降，熔池中的气体有充足的时间逸出，降低了焊缝中的气孔缺陷;激光-超声焊缝中几乎不存在气孔缺陷。用宏观显微镜将焊缝纵截面扫描成照片后对图片进行调整和二值化处理，采用Image-Pro Plus软件统计焊缝气孔百分比，气孔率如式（1）所示

经计算可知，激光焊焊缝中气孔率为4.3%，激光-TIG和激光-MIG焊缝中气孔率为3.4%和3.9%，而激光-超声焊缝中气孔率最低，仅为0.9%。

不同焊接方法得到的焊缝气孔率不同，究其原因：镁合金热导率高、密度低，而激光焊冷却速度快，焊缝中的气泡形核长大后来不及上浮留在焊缝中形成气孔缺陷;而对于激光-电弧复合焊接，电弧的加入提高了焊接热输入，延长了焊缝金属高温停留时间，有助于熔池中气泡上浮逸出，减少了焊缝中的气孔缺陷;在激光-MIG焊接过程中，添加AZ92A焊丝增加了熔池的合金元素含量，增大合金凝固区间，在凝固后期，呈树枝状的晶枝互相交集闭合，容易形成一定空间度的真空，析出的氢进入此真空并形成气孔[18]。在激光-超声焊接过程中，超声波振动在液态熔池中產生冲击波，促进熔池中的气泡形核长大，同时超声波的空化效应和声流效应可以加速熔化流动，促进熔池中气泡长大并加速其逸出，能显著降低焊缝中的气孔缺陷。

2.2 焊缝微观组织

AZ31B镁合金母材及焊缝微观组织如图3所示。母材原始组织为细小的等轴晶，晶粒内部存在一定量的孪晶，这是由于镁合金晶体结构为密排六方结构，在板材轧制过程中发生变形所导致。焊缝区微观组织如图3b～3e所示，在焊接过程中随着热输入的增大，焊缝区晶粒尺寸增大，同时4种焊接方法的冷却速度都较快，造成熔池发生非平衡凝固过程，焊缝中黑色β-Mg17Al12相的数量增多。对比4种方法得到的焊缝区晶粒尺寸发现，激光-TIG焊焊缝的等轴晶尺寸略大于单激光焊接、激光-超声和激光-MIG焊接，这是因为：TIG电弧的加入明显增大了焊接过程中的热输入量，故晶粒尺寸增大;在激光-超声焊接过程中，超声波的空化效应能显著细化晶粒;而激光-MIG焊接过程中w（Al）高于母材的AZ92A焊丝增加了熔池的合金元素含量，提高了熔池内的形核率并细化晶粒，从而抵消了电弧热引起的晶粒长大，使得激光-MIG焊缝晶粒尺寸与激光焊相似[17]。

2.3 接头力学性能

2.3.1 焊接接头的显微硬度

4种焊接接头硬度曲线如图4所示。由图4可知，4种接头在热影响区处硬度均呈下降趋势，但下降幅度不大。这是因为这4种焊接方法与其他方法相比具有热输入小、焊接速度快的特点，使得接头热影响区较小，晶粒来不及长大，因此组织软化区小，硬度值下降幅度不大[19-20]。但激光-MIG和激光-超声复合焊接头焊缝区硬度明显高于其他两种方法，这是因为前者AZ92A焊丝中w（Al）较高，提高了焊接熔池中Al含量，焊缝晶粒细小并析出大量强化相，使焊缝组织得到强化;而后者由于超声波的空化效应，使焊缝组织晶粒细化，故接头硬度有所提高[21]。

2.3.2 焊接接头的抗拉强度及断口形貌

对不同接头及原始母材进行单向拉伸试验，每种方法测试3个拉伸试样区平均值，如图5所示。可以看出，4种焊接方法得到的接头的抗拉强度均低于母材，激光焊、激光-MIG和激光-超声焊接头抗拉强度较高，其中激光焊接头抗拉强度为234 MPa，为母材的81.2%，激光-MIG焊接头抗拉强度247 MPa，为母材的85.8%，激光-超声焊接头抗拉强度256 MPa，为母材的88.9%，而激光-TIG焊接接头抗拉强度较低（205 MPa），约为母材的71%。对比4种接头的微观组织可知，激光-TIG焊缝区晶粒尺寸粗大，使其抗拉强度有所降低;激光-MIG由于填丝作用，减少了焊接过程中合金元素的烧损，提高了焊缝区α-Mg的固溶强化效果，因此抗拉强度有所提高。而激光-超声由于超声的空化效应使得熔池内部枝晶破碎，增多了异质形核的质点，促进焊缝中等轴晶的形成，晶粒尺寸相对细小，提高了焊接接头强度。

母材及焊接接头拉伸断口形貌特征如图6所示。母材及4种接头的断口均为韧-脆混合断裂，断口中可发现大量表征脆性断裂的准解理裂片层和少量表征韧性断裂的韧窝。这是因为焊缝区微观组织主要由塑性较好的α-Mg基体和脆性β-Mg17Al12相组成，由于激光焊接、激光-电弧及激光-超声复合焊接过程中的不稳定冷却，导致脆性β相增多，在拉伸过程中造成应力集中形成准解理断口，并存在少量韧窝，呈韧-脆混合断裂模式，因此接头抗拉强度有所下降。

3 结论

采用激光焊、激光-TIG、激光-MIG及激光-超声复合4种方法对3 mm厚AZ31B镁合金进行焊接，得到以下结论：

（1）激光焊焊缝正面下塌严重，且焊缝存在大量的小尺寸气孔，气孔率为4.3%;激光-TIG、激光-超声焊缝成形良好，存在少量下塌现象;激光-MIG焊的焊缝成形连续，焊缝表面呈现不规则的鱼鳞纹。与激光焊接相比，其他三者焊缝中的气孔率均有所降低，激光-TIG和激光-MIG焊缝中气孔率分别为3.4%和3.9%，激光-超声焊缝中气孔率最低，仅为0.9%。

（2）AZ31B母材原始组织为细小的等轴晶，晶粒内部产生大量的孪生现象，随热输入的增大，焊缝组织晶粒尺寸有所长大。硬度测试发现3种焊接接头热影响区硬度均呈下降趋势，但下降幅度不大;激光-MIG焊与激光-超声复合焊接头焊缝区硬度明显高于其他两种方法。

（3）力学性能测试得到4种接头的抗拉强度均低于母材，其中激光-超声焊接头抗拉强度最高，达到母材的88.9%;不同方法焊接的拉伸断口中都发现存在大量表征脆性断裂的准解理裂片层和少量表征韧性断裂的韧窝，呈韧-脆混合断裂。

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