Ca對AZ31鎂合金CO₂激光焊接接頭組織和性能的影響

摘要:采用添加填充材料的CO2激光焊接工藝對AZ31鎂合金薄板進行焊接，研究了不同Ca含量對焊縫金屬的顯微組織和力學性能的影響。結果表明:當激光功率為1500W，焊接速度為3m/min時， AZ31鎂合金CO2激光焊接的焊縫金屬中添加一定量的Ca(不多于0.19wt%)元素，可以得到成分相對較均勻、組織細小的焊縫。當填充帶材為AZC04(焊縫中Ca含量為0.19wt%)時，焊縫區晶粒相對細小，第二相細小彌散，此時焊接接頭的力學性能最優，焊接效率基本上可達到100%。

關鍵詞: CO2激光焊接;AZ31鎂合金;填充金屬帶材;Ca

Effects of Ca addition on microstructure and mechanical properties of AZ31magnesium alloy laser welds

YAN Hong-ge， CHEN Qiong， CHEN Jihua， YU Zhao-hui， TIAN Jin， SHI Jin-lei

(College of Materials Science and Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract: The AZ31 magnesium alloy sheets were welded by CO2 laser welding with filler metal process. The effects of different amount of calcium (Ca) additions were carried out on the AZ31 laser welded joints and its effects on microstructure and mechanical properties were investigated. In the fusion zone， the grains were refined with appropriate amount of Ca addition (no more than 0.19wt%Ca) resulting in the mechanical properties of the joints improved. The optimum welds were obtained with the AZC04 filler metal strip (0.19wt%Ca contained in the fusion zone)， the grains and the precipitates in the fusion zone were both refined， and the welding efficiency of the joints can be up to 100% to the base metal.

Keywords: CO2 laser welding; AZ31 magnesium alloy; Filler metal strip; Ca

鎂合金由于具有密度低、比強度和比剛度高、導熱性好、電磁屏蔽性佳、對振動及沖擊能量的吸收性優異及可回收等優點，是目前非常重要的輕量化結構用綠色工程材料，在航空、汽車、電子、通訊等領域具有廣泛的應用前景[1-2]。然而，鎂合金具有密排六方結構，其室溫塑性加工成形性不好，在制造一些復雜結構大尺寸零部件時的工藝難度很大[3]。如果采用焊接成形的方法將一些難以加工的結構件分解成簡單易加工成形的小尺寸零部件再采用拼焊連接成復雜的結構件，則可大大降低鎂合金的制造工藝難度[4]。

目前，可用于鎂合金焊接的方法很多，其中激光焊接工藝由于具有焊接速度高，焊接有效熱輸入小，焊縫和焊接熱影響區窄，焊縫組織細小以及焊接變形小等優點，可以彌補傳統熔焊工藝在焊接鎂合金過程中所產生的缺點，成為了鎂合金焊接的優選方法之一[5]。但有研究表明，激光焊接工藝并不能細化AZ31鎂合金的焊縫組織[6]。AZ31合金中合金元素含量低，導致其激光焊焊縫的晶粒組織反而粗化，進而增加接頭凝固裂紋敏感性，從而降低其焊接接頭的力學性能。Sanders等[7]指出，提高焊接速度可以顯著降低AZ31鎂合金激光焊焊縫晶粒的粗化傾向，但焊縫晶粒仍然比較粗大。根據焊接冶金學原理，對焊縫金屬進行微合金化處理可以有效地細化焊縫組織，降低焊接接頭的裂紋敏感性，優化焊縫組織，提高焊接接頭的性能。有關研究表明，采用Ca對鎂合金進行合金化，不僅可以細化合金的晶粒組織，還可以提高其耐腐蝕性[1]。到目前為止，有關Ca合金化對鎂合金組織和性能影響的研究主要集中在鑄造方面，而有關Ca合金化/微合金化對鎂合金激光焊接接頭組織和性能的影響尚未見報道。

本論文采用添加填充金屬的CO2激光焊接工藝對AZ31鎂合金進行焊接，其中填充金屬以Ca微合金化鎂合金帶材而非常規焊絲的形式加入，研究了Ca含量對AZ31合金激光焊焊縫組織和性能的影響，討論了Ca的作用機理，以便為生產實際中獲得高質量的焊接接頭提供理論指導。

1實驗材料及工藝

本實驗采用尺寸為100mm×50mm×2mm的軋制態AZ31鎂合金薄板(150℃去應力退火15min)進行焊接，其焊接板材及填充帶材(0.5mm厚)的化學成分如表1所示。焊前，采用丙酮去除焊接板材及填充帶材上的油脂后進行真空干燥，然后分別用砂紙和鋼刷去除氧化膜。為防止焊件變形，焊件兩端采用夾具固定。保護氣體為純度為99.99%的高純氬氣。

焊接設備采用GS#8722;TFL#8722;3000W高功率橫流CO2激光器。焊接形式為對焊。焊接時，將填充帶材置于焊縫上方，采用夾具固定，見圖1所示。通過預實驗對焊接工藝參數進行優化，最終確定的焊接工藝參數為:激光功率1500W，焊接速度3m/min，焦平面0mm，上表面保護氣體流量10L/min，下表面保護氣體流量12L/min。

焊接接頭的微觀組織觀察在Leitz MM-6型臥式光學顯微鏡和Quanta 200掃描電鏡上進行，浸蝕劑為苦味酸溶液(5g苦味酸+5g冰醋酸+10ml水+100ml酒精)。根據圖2截取拉伸試樣并在WDW#8722;E200型電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，然后在Quanta 200掃描電鏡上觀察拉伸斷口進行觀察。

2 實驗結果及分析

2.1 焊縫成分分析

添加不同成分填充帶材后得到的AZ31激光焊焊縫的化學分析結果如表2所示。可見，焊縫中的Ca含量隨著填充帶材中Ca含量的增加而增加。采用AZC1填充帶材的焊縫中各元素分布如圖3所示。由圖可知，焊縫中各元素分布較為均勻，說明在上述工藝下通過添加填充帶材的方法可以得到合金元素分布相對均勻的焊縫，并不存在宏觀的成分偏析。

2.2 焊接接頭微觀組織

圖4為AZ31鎂合金母材及各焊接接頭焊縫區的顯微組織。可見，母材為典型的不完全退火組織，由于塑性變形作用而形成的孿晶并沒有完全消失，晶粒不均勻，并且在較大的條帶狀組織周圍往往分布著細小的再結晶組織，如圖4(a)所示;比較圖4(b)和(c)可知，自熔接焊(不添加填充金屬)接頭焊縫區和填充帶材AZ31的接頭焊縫區組織均由等軸樹枝晶和分布在晶界及晶粒內部的細小析出相組成，組織變化并不明顯。這些細小的析出相為Mg17(Al，Zn)12相[8]。與母材(平均晶粒大小約為13μm)相比，這兩種焊接接頭的焊縫區晶粒(平均晶粒大小約為18μm)發生粗化。A. Weisheit等[6]也研究和報道了類似的結果。當焊縫金屬中加入0.09wt%Ca時，焊縫區晶粒明顯細化，如圖4(d)所示。這主要是與Ca的加入加劇了焊縫金屬凝固時的固/液界面前沿擴散層的成分過冷，從而抑制晶粒的長大以及促進液態金屬形核有關[9]。此時，由于Ca含量較低，在激光焊接的冷卻速度很快的條件下，Ca來不及擴散析出，因而Ca主要以固溶原子形式存在于AZ31焊縫合金中形成過飽和固溶體，并沒有形成新相。當焊縫中Ca的加入量增加到0.19wt%時，焊縫中的析出相變得細小彌散，晶粒也相對較細，如圖4(e)所示。圖5(a)的EDS分析表明，焊縫中的析出相中含有少量Ca。相關研究表明，當Mg-Al系合金中加入一定量的Ca時，一部分Ca會固溶到Mg17Al12相中[10]。由于Ca的加入，可能導致了Mg17Al12相的熱穩定性提高，減弱了Mg17Al12相的聚集長大現象，同時，晶粒細化了，晶內組織也隨著細化，使得焊縫成分更為均勻，因而析出相分布更為細小彌散。隨著焊縫中Ca含量的繼續增加，當Ca含量達到0.43wt%時，焊縫組織反而變得粗大，其析出相形貌也由原來的球狀或短條狀轉變成網狀分布，如圖4(f)和圖5(b)所示。這主要是由于合金中Ca加入量過高時會形成高熔點的含Ca相并產生團聚，從而降低Ca對組織的細化作用 [11]。

2.3 焊接接頭力學性能

圖6為在不同焊接條件下AZ31鎂合金板材激光焊接的焊接效率。在此焊接效率定義為焊接接頭的抗拉強度和母材抗拉強度之比。實驗中所用母材的抗拉強度為308MPa。由圖可見，添加填充金屬的CO2激光焊焊接接頭的焊接效率比自熔焊焊接接頭的焊接效率要高。這主要是由于焊接時添加填充金屬可以降低焊縫的凝固裂紋敏感性，以及減少氣孔、熱裂紋等缺陷，提高焊接接頭的力學性能[12]。此外，AZ31鎂合金激光焊接接頭的焊接效率隨著Ca含量的增加先提高而后下降，其中添加AZ31+ 0.4wt%Ca填充板材的焊接接頭(焊縫Ca含量為0.19wt%)的焊接效率基本上可以達到100%，延伸率可以達到母材的76.7%。顯微組織分析表明，在AZ31合金焊縫中加入少量的Ca可以細化焊縫晶粒，且當焊縫Ca含量為0.19wt%時，焊接接頭焊縫區組織細化且第二相分布彌散，從而有利于焊接接頭性能的提高;當進一步加大焊縫中Ca含量時，焊接接頭的焊接效率和延伸率均下降，這與過量Ca的加入導致焊縫區晶粒粗化、析出相呈網狀分布有關。這些網狀連續分布的析出相割裂基體組織，對合金的力學性能產生不利影響，由此粗大的晶粒和網狀分布的析出相使得接頭的強度和塑性降低。

根據實驗結果，AZ31鎂合金激光焊接試樣的斷裂通常發生在焊縫區，但焊縫中Ca含量為0.19wt%的焊接試樣除外，其部分試樣的斷裂發生在熱影響區，這主要與焊縫組織均勻細小有關。圖7為焊接接頭拉伸斷口的SEM形貌。由圖可知，各焊接試樣的斷口呈現混合斷裂特征，不僅存在韌窩和撕裂棱，也存在解理臺階。當焊縫含Ca量較大(達到0.43wt%)時，焊接接頭斷口的韌窩顯著減少，解理臺階明顯增加，與延伸率下降一致。

3 結論

(1)采用添加填充材料的CO2激光焊接工藝對AZ31鎂合金薄板進行焊接時，選擇合適的工藝參數，可以得到成分相對均勻、不存在明顯宏觀偏析的焊縫;采用Ca元素對AZ31鎂合金CO2激光焊接接頭進行微合金化，可以細化焊縫組織，提高焊接接頭的力學性能。

(2)當焊縫中Ca含量為0.09%時，焊縫晶粒相對自熔接焊和添加填充材料為AZ31的接頭焊縫而言明顯細化，而析出相不存在明顯的變化;當焊縫中Ca含量增加到0.19wt%時，所得到的接頭焊縫組織較細小特別是析出相變得很細小彌散;當焊縫中Ca含量繼續增加到0.43wt%時，焊縫區晶粒反而粗化，第二相則由顆粒或短棒狀轉變呈網狀分布。

(3)AZ31合金激光焊接接頭的焊接效率隨著焊縫中Ca加入量的增加先提高而后降低;當焊縫中Ca加入量為0.19%時，焊接接頭的力學性能最佳，焊接效率基本可達到100%。

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