激光干預對鎂合金焊縫成形性與力學性能的影響

姚巨坤， 王之千， 王曉明， 殷鳳良

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室, 北京 100072)

激光干預對鎂合金焊縫成形性與力學性能的影響

姚巨坤， 王之千， 王曉明， 殷鳳良

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室, 北京 100072)

采用激光-氬弧復合焊技術焊接ZM5鎂合金，研究激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊對鎂合金焊縫成形性與力學性能的影響。成形性分析表明:在焊接速度為5、15 mm/s時，激光-氬弧復合焊能得到良好的焊縫，且無氣孔缺陷；而鎢極氬弧焊不適于高速焊接，且氣孔缺陷明顯?？估瓘姸确治霰砻?激光-氬弧復合焊縫平均抗拉強度為246 MPa，屈服強度為94.53 MPa，斷裂伸長率為2.48%，均大于鎢極氬弧焊，且2種焊縫均呈韌性-脆性混合斷裂。硬度測試分析表明:激光-氬弧復合焊縫區平均硬度為63 HV0.05，熱影響區硬度值與母材區相當，約為55 HV0.05，均高于鎢極氬弧焊的硬度。上述分析說明：激光的干預有利于提高鎂合金焊縫成形性和力學性能，適用于焊接速度要求高、情況緊急時的焊接，這為裝備鎂合金零部件體積和結構損傷的修復與再制造提供了數據依據。

鎂合金；激光-氬弧復合焊；鎢極氬弧焊；力學性能；再制造

鎂合金具有比強度、比剛度高，導熱性、電磁屏蔽性良好等優點，被譽為“21世紀綠色工程材料”[1]，受到人們的青睞并廣泛應用于汽車、航空航天和武器裝備等領域。然而，鎂合金性質活潑、電極電位較低，導致其零部件在生產和服役過程中易發生缺損、掉塊、裂紋和斷裂等體積和結構損傷的狀況，縮短了零部件壽命，容易存在潛在危險。尤其在武器裝備中服役的鎂合金零部件，其修復與再制造更需要一種快速、高效的技術手段，以滿足提升和恢復裝備戰斗力的需求。為了解決上述問題，研究采用焊接技術修復缺陷、恢復尺寸，起到延長鎂合金零部件壽命的作用，從而達到修復與再制造的目的。

鎢極氬弧焊是鎂合金最常用的焊接方法，具有價格低廉、易操作等優點[2]；但焊接的鎂合金存在接頭力學性能低、熱影響區晶粒粗大等缺點[3]。激光焊是利用高能激光束作為焊接熱源的加工技術，具有焊接速度快、熔深大等優點[4]；但在激光焊接鎂合金過程中，存在金屬對激光束的反射，造成激光能量利用率低[5]；激光和母材作用時間短，熔化金屬凝固過快，導致熔池中氣體不易逸出，易形成氣孔、熱裂紋等缺陷，降低了接頭的力學性能[6]。因此，國內外學者采用激光與氬弧復合的焊接方法來減少焊縫缺陷，提高激光利用率，增強接頭的力學性能[7]，從而完成鎂合金零部件的修復與再制造。

筆者采用激光-氬弧復合技術焊接鎂合金，討論激光干預對鎂合金焊縫成形性和力學性能的影響，發掘激光-氬弧復合焊技術焊接鎂合金的優勢，為鎂合金零部件體積與結構損傷的修復與再制造提供數據依據。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗材料與設備

母材采用ZM5鎂合金鑄件板材，焊絲為WE-33M型1.6 mm鎂合金，其化學成分如表1所示。

表1 母材與焊絲的主要化學成分 %

實驗采用英國GSI公司生產的JK2003SM型Nd:YAG激光器，以及奧地利Fronius公司生產的Magic Wave 4000型數字化脈沖交/直流鎢極氬弧焊機。激光-氬弧復合技術焊接原理如圖1所示。

圖1 激光-氬弧復合技術焊接原理

1.2 試樣制備

將母材加工成直徑300 mm、厚度5 mm的圓板。焊接前，用丙酮去除母材與焊絲表面的油脂，干燥后用砂布、鋼刷打磨等機械方法去除表面氧化膜備用，處理后至使用前的時間不超過12 h[8]。為防止板材焊接后變形，采用輔助夾具夾緊，并用簡易的加熱板對焊板進行預熱。

在保持鎢極角度45°、鎢極高度2 mm、熱源間距3 mm、氬氣流量15 L/min不變的焊接工藝條件下，分別對比同一焊接速度、送絲速度和焊接電流時，激光-氬弧復合焊(激光功率500 W)與鎢極氬弧焊(激光功率0 W)焊縫成形性及力學性能之間的差異。若文中不進行特殊說明，則焊接速度為5 mm/s，送絲速度為39 mm/s，焊接電流為120 A。

1.3 實驗方法

采用堆焊熔敷實驗的方法，分析研究激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊焊縫的成形性。實驗完成后，切取試樣，經粗磨、細磨、粗拋、細拋，待無劃痕時，再經水洗、酒精清洗后吹干。采用奧林巴斯金相顯微鏡觀察焊縫形貌和氣孔缺陷，并測量焊縫尺寸，對比2種焊接方式對成形性的影響。

焊板開90° V型坡口進行對接焊實驗，測試焊縫的拉伸強度。根據國標GB2651—89制備焊接接頭拉伸試樣，如圖2所示。采用美國MTS 809型電子萬能實驗機進行拉伸實驗，拉伸加載速率控制為3 mm/min，拉伸結果取3個試樣的平均值。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌，分析斷裂形式。

圖2 焊接接頭拉伸試樣

采用HXD-1000型顯微硬度儀測試接頭硬度，實驗載荷為50 g，保壓時間為10 s，經拋光后，自試樣焊縫表層向內每隔0.25 mm測試一次硬度值，同樣深度測試3個點取平均值。

2 實驗結果與分析

2.1 焊縫成形性分析

2.1.1 焊縫表面形貌分析

當焊接電流為120 A、送絲速度為39 mm/s，焊接速度分別為5、15 mm/s時，激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊焊縫的宏觀形貌對比如圖3所示，可見：1)當焊接速度為5 mm/s時，激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊均可制備出成形性良好、表面光滑、無明顯缺陷的焊縫，且焊接過程穩定、電弧擾動??；2)當焊接速度提高到15 mm/s時，激光-氬弧復合焊所得焊縫表面仍然光滑，焊接過程穩定；3)當關閉激光器，僅氬弧焊機工作時，所得焊縫均勻性差，表面起伏大，并且在焊接過程中電弧擾動性大，焊接過程穩定性低。由此可見：激光的干預可以起到穩定電弧的作用，且在焊接速度較高的情況下也能很好地完成焊縫的制備；同時,通過電弧的預熱，熔池對激光的吸收率得到提高，降低了鎂合金對激光的反射作用。

圖3 焊縫宏觀形貌對比

2.1.2 焊縫截面形貌與尺寸分析

當焊接電流為120 A、焊接速度為5 mm/s、送絲速度為45 mm/s和焊接電流為130 A、焊接速度為5 mm/s、送絲速度為39 mm/s時，激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊所得焊縫的截面形貌對比如圖4所示?？梢姡烘u極氬弧焊所得焊縫均存在氣孔，且最大氣孔尺寸約為0.3 mm；而激光-氬弧復合焊成形性較為良好，并無氣孔缺陷存在。

圖4 焊縫截面形貌對比

鎂合金在焊接過程中產生的氣孔主要以氫氣孔為主[9]。鎂合金是良好的儲氫材料，在鎂合金中存在大量的氫元素，但氫在鎂中的溶解度會隨著溫度的降低而急劇減小，這成為鎂合金焊接過程中產生氣孔的重要原因。鎂合金焊接中產生氫氣孔主要存在2種形式：1)鎂合金的凝固速度快、密度低，在焊縫固化過程中，焊接保護氣體中存在的氫氣或母材中含氫元素的雜質通過高溫析出的氫氣來不及溢出，形成了大小不一的氫氣孔；2)鎂合金在鑄造過程中，受到鑄造工藝和技術的影響，母材本身也會產生氣孔。上述2種形式的氫氣孔在焊接時隨著熱輸入和內部壓力的變化，不斷地聚集、擴展、受熱膨脹或相互結合，最終形成了可見的焊縫氣孔。另外，鎂合金中存在部分低熔點、高蒸氣壓合金元素，比較典型的有鋅和鎂，這些元素由于熔點相比電弧溫度較低，在焊接過程中容易受熱蒸發逸出熔池或發生燒損造成焊縫金屬不足而形成氣孔[10]。

激光的加入提高了電弧的抗干擾能力，增強了焊接過程的穩定性，減小了電弧波動，并降低了氣孔產生的趨勢。激光束與電弧復合后，通過氬氣的保護減小了熔池與空氣的接觸，并且抑制了低熔點、高蒸氣壓元素的蒸發，減少了鎂元素的損失，同時提高了鎂合金熔池對激光的吸收率。另外，通過激光的干預和電弧壓力的攪拌作用，熔池液態金屬的流動性加快、熔池冷卻速度降低，有助于增強熔池中析出氫氣的融合和逸出，從而減少了焊接中氣孔的產生。

激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊焊縫尺寸對比如表2所示?？梢姡?)激光-氬弧復合焊所得焊縫熔深、熔寬比鎢極氬弧焊都要大，但余高較??；2)當焊接電流升高、送絲速度降低時，激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊的焊縫熔深和熔寬都有所增加，且前者提高更明顯；3)送絲速度與焊縫成形性成反比，在不考慮焊接效率的情況下，送絲速度越小，焊絲與熔池熔合越均勻，焊縫成形性越好；4)焊接電流與焊縫成形性成正比，當電流增大時，電弧功率也隨之增大，熱輸入提高，熔池熔深增大，同時，激光與電弧的相互作用也增強，有助于增大熔深、提高熔寬。因此，在保持高電流的情況下，降低送絲速度，焊縫的成形更完美。

表2 激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊焊縫尺寸對比

2.2 焊縫抗拉強度分析

常溫下，激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊的焊縫抗拉強度、屈服強度及斷裂伸長率對比如圖5所示。可見：激光-氬弧復合焊焊縫平均抗拉強度為246 MPa，屈服強度為94.53 MPa，斷裂伸長率為2.48%，均大于鎢極氬弧焊的196 MPa、48.51 MPa及1.86%；同時，激光-氬弧復合焊拉伸試樣的一個斷裂位置發生在母材上，而鎢極氬弧焊拉伸試樣的斷裂位置均發生在焊縫處。進一步研究拉伸試樣斷裂原因發現：鎢極氬弧焊中的一個拉伸試樣斷口處出現了氣孔缺陷，氣孔的存在降低了焊縫的拉伸性能。這說明激光的干預有利于減少組織內氣孔，對提高焊縫的拉伸強度起到了一定的作用。

圖5 焊縫抗拉強度、屈服強度及斷裂伸長率對比

圖6為激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊的焊縫拉伸樣斷口的SEM形貌?？梢姡?)2種焊接方式所得焊接接頭的斷口均存在撕裂棱與韌窩交錯分布的現象，這說明焊縫接頭呈韌性-脆性混合斷裂；2)2種焊接方式所得的接頭斷口表面粗糙不平，顏色灰暗，但無明顯的縮頸現象，進一步證實了焊縫接頭屬于韌性-脆性混合的斷裂形式。

圖6 焊縫拉伸樣斷口的SEM形貌

鎂是密排六方晶格，室溫下變形時只有單一的滑移系，塑性較低，在正應力作用下易發生解理斷裂，所以斷口會出現大量的撕裂棱[11]。但焊接過程中，焊縫區容易析出β-Al12Mg17脆性相，這些脆性相在不大的應力下便與基體脫開或本身裂開，形成微孔，微孔成核、不斷長大，進而形成大小不一的韌窩[12]。因此，焊縫拉伸的斷口呈現韌性-脆性混合的斷裂形式。

2.3 焊縫硬度分析

圖7是激光-氬弧復合焊與鎢極氬弧焊所得焊縫硬度值對比?？梢姡?)激光-氬弧復合焊所得焊縫硬度值明顯高于鎢極氬弧焊，其焊縫區硬度平均值為63 HV0.05，而熱影響區硬度值與母材區相當，約為55 HV0.05；2)在單純鎢極氬弧焊條件下，焊縫區的硬度為50 HV0.05，而熱影響區的硬度小于母材區，為43 HV0.05。因此，激光的介入有助于提高焊縫的硬度。

圖7 焊縫硬度值對比

3 結論

1) 在焊接速度為5、15 mm/s時，激光-氬弧復合焊均可獲得表面光滑、無缺陷的焊縫；而當焊接速

度為15 mm/s時，鎢極氬弧焊出現了焊縫均勻性差、表面起伏大的問題。同時，研究發現激光與電弧的相互作用有助于增大熔深、提高熔寬。因此，激光-氬弧復合焊更適用于焊接速度要求高、情況緊急的焊接修復，為裝備鎂合金的修復和再制造提供了數據依據。

2) 激光-氬弧復合焊焊縫的平均抗拉強度為246 MPa，屈服強度為94.53 MPa，斷裂伸長率為2.48%，均大于鎢極氬弧焊的196 MPa、48.51 MPa及1.86%。通過對斷口SEM形貌分析，發現2種焊縫均呈韌性-脆性混合斷裂。

3) 激光-氬弧復合焊縫區硬度平均值為63 HV0.05，熱影響區硬度值與母材區相當，約為55 HV0.05；而單純鎢極氬弧焊縫區的硬度為50 HV0.05，熱影響區的硬度遠小于母材區，為43 HV0.05，前者明顯大于后者。因此，激光的介入有助于提高焊縫的硬度。

[1] 陳振華.鎂合金[M]. 北京：化學工業出版, 2004.

[2] 張福全, 王響群, 陳振華, 等. AZ31鎂合金鎢極交流氬弧焊焊縫氣孔的研究[J]. 焊接, 2006(3):36-39.

[3] 孟保戰. 鎂合金焊接技術的研究發展現狀[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(7):168-170.

[4] 宋東風, 胡繩蓀, 馬力. 鋁合金激光焊接技術的發展現狀[J]. 電焊機, 2004,34(9):1-3.

[5] 全亞杰. 鎂合金激光焊的研究現狀及發展趨勢[J]. 中國激光, 2012, 49(5):1-11.

[6] 郭院波, 單平, 胡繩蓀. 激光-電弧復合熱源[J]. 電焊機, 2003,33(6):1-3.

[7] Liu L M, Wang J F, Song G. Hybrid Laser-TIG Welding, Laser Beam Welding and Gas Tungsten Arc Welding of AZ31B Magnesium Alloy[J]. Materials Science and Engineering:A,2004,381(1/2):129-133.

[8] 孫德新. 鎂合金(AZ91D, AZ31B)焊接性的研究[D]. 長春: 吉林大學材料學院, 2008.

[9] 張福全, 王響群, 陳振華, 等. AZ31鎂合金鎢極交流氬弧焊焊縫氣孔的研究[J]. 焊接, 2006(3):36-39.

[10] 陳鎧, 楊博, 楊武雄, 等. AZ91D鑄造鎂合金激光焊接氣孔研究[J]. 應用激光, 2009, 29(12):476-480.

[11] 姚軍, 魏鑫. AZ31B鎂合金焊接接頭組織特征及力學性能[J]. 焊接技術, 2012, 41(1):17-19.

[12] 張新恩, 周吉學, 詹成偉, 等. AZ31鎂合金氬弧焊接接頭組織與力學性能研究[J]. 山東科學, 2012,25(3):92-94.

(責任編輯: 尚菲菲)

Effect of Laser Intervention on Appearance and Mechanical Property of Weld on Magnesium Alloy

YAO Ju-kun, WANG Zhi-qian, WANG Xiao-ming, YIN Feng-liang

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Laser-arc hybrid welding technology is used on welding ZM5 magnesium alloy to study and compare the differences of appearance and mechanical property of laser-arc hybrid welding and TIG welding. The result of forming property shows that laser-arc hybrid welding can always achieve better beads when welding speed is 5 or 15 mm/s, however, TIG welding can not. Moreover, beads of TIG welding exist gas cavities, while beads of laser-arc hybrid welding have nothing. Furthermore, tensile strength of laser-arc hybrid welding is 246 MPa, yield strength is 94.53 MPa, and extension percentage is 2.48%, these datum are better than TIG welding. Hardness test shows that the average hardness of laser-arc hybrid welding reaches 63 HV0.05, which is superior to TIG welding. Besides, these are proved that laser intervention increases appearance and mechanical property; it is applicable for high speed and emergency welding. And it provides the data support for repairing and remanufacturing of the surface and architecture damage on magnesium alloy of armored equipment.

magnesium alloy; laser-arc hybrid welding; TIG welding; mechanical property; remanufacturing

1672-1497(2015)03-0100-05

2015-03-16

國家自然科學基金資助項目(51205408)

姚巨坤(1974-)，男，副教授，博士。

TG444+.77; TG456.7; TG457.19

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.020