（光学工程专业论文）镁铝异种金属激光焊接的研究.pdf

摘墼 摘要 镁合会和铝合会广泛应用于航空航天和汽车制造领域。由于镁和铝应用的广 泛性和交叉性，将镁和铝连接成复合结构是卜分必要的。目自f 镁与铝异种会属的 有效连接方法主要是固相焊，如搅拌摩擦焊( f s w ) 与扩散焊，这些固相焊接方法 在应用中是有局限的。采用t i g 焊、电子束焊以及电阻点焊等熔焊方法进行镁 与铝异种金属焊接时，焊缝内易形成会属问化合物，并由此引发脆性与凝固裂纹， 严重影响其焊接性。本文对a z 3 l b 镁合会和6 0 6 l 铝合金进行了中心搭接焊、边 缘搭接焊和对接焊三种接头形式的异种激光焊接技术研究，旨在改善镁、铝异种 会属的焊接性，提高焊接接头的力学性能。 对a z 3 1 b 镁合金和6 0 6 1 铝合会异种会属激光焊接工艺参数的研究表明， a z 3 1 b 镁合会和6 0 6 l 铝合会c 0 2 激光的深熔焊接f 临界功率密度阂值高于 n d ：y a g 激光。6 0 6 1 铝合金激光的深熔焊接临界功率密度阈值均高于a z 3 l b 镁 合金。保护气体的种类、输送方式、流量均对焊接过程有很大影响。焊缝熔深和 熔宽随着激光功率的增大而增大，随着焊接速度的增大而减小。离焦量对焊缝熔 宽、熔深以及形貌都有很大影响。中心搭接焊焊缝内易出现凝固裂纹，通过减小 焊缝熔深可以得到没有裂纹的焊缝，但其接头强度很低。边缘搭接焊缝内没有裂 纹，在近镁侧焊缝的熔合线区域含有金属间化合物a 1 3 m 和a l l 2 m g l 7 。其余焊 缝组织由a l 固溶体和弥散分布的金属问化合物a 1 3 m 9 2 组成。在本试验条件下焊 制的镁、铝异种金属激光对接焊缝，在近镁侧焊缝的熔合线区域含有金属i 日j 化合 物a 1 3 m 臣和a 1 1 2 m 9 1 7 。其余焊缝组织由m g 固溶体、a l 固溶体和弥散分布的金 属问化合物a 1 3 m 9 2 构成。对接焊接接头抗拉强度为3 1 8 4 m p a 。边缘搭接焊接头 和对接焊接头均易断裂在含有a l l 2 m g l 7 和a 1 3 m 等金属间化合物的镁侧焊缝近 缝区。断裂机制为解理和混合脆性断裂。 关键词异种会属接头，激光焊接，镁合金，铝合金，金属间化合物 a b s t r a c t m a 印e s i u ma 1 1 0 ya n da l u m i 肌ma l l o y a r ew i d c l yu s e di na j r c r a ra n da u t o m o b i l e i n d l l s t r y b e c a u s eo fm e i re x t e l l s i v ea i l dc r o s s i n g 印p l i c a t i o n ，i t sn e c e s s a r yt oj o i n m a g n e s l u ma n da 1 啪i n u ma l l o y s t h ea v a i l a b l ej o i n i n gm e 她d sa r es 0 1 i ds l a t e w e l d i n g a tp r e s e n t ，s u c h 船衔c t i o ns t i rw e l d i n g 觚dd i f f u s i o n 、v e l d i n g h o w e v e rm e s e s o l i ds t a t ew e l d i n gm e t h o d sa r el i m i t e di na p p l i c a t i o n w h e i l 如s i o nw e l d 啦m e m o d s l i k et i g ，e l e c t r o nb e a ma i l dr e s i s t 锄c es p o tw e l d i n ge t c j o i nm a 印e s i 啪a n d a 1 啪i n u ma l l o ”，i n t e r n l e t a l l i cc o m p o u n d s ( i m c ) 盯ef o 彻e di nw e i dm e t a l 。w i l i c h r e s u l t si nb m t l e l l e s sa i l dh o tc 豫c k s ，h e i l c ed e 笋a d e sm ew e l d a b i l i t y 1 1 1 i s 恤e s i s i i l v o l v c sa ni n v e s t i g a t i o no fd i s s i m i l a rm e t a l l a s e rw e l d i n gb e t w e e nm a g n e s i u ma l l o y a z 3 1 ba n da l u m i n 啪a l l o y6 0 6 1 ，i n1 a pa n db u t t j o i n tf o 删sr e s p e c t i v e l y t h e s t u d y o np r o c 韶s i n gp a r a m e t e r so f d i s s i m i l a rm a t e r i a l1 a s e rw e l d i n gb e t w e e i l m a g n e s i 啪a l l o ya z 3 l ba n da l u m i f m ma l l o yi n d i c a t e dt h a tm ec r i t i c a ll a s e rp o w c r d e i l s i t y f o r d e e p p e t r a 虹o n w e l d i n g o f a z 3 1 ba n d 6 0 6 1 w i t h s l a b c 0 2 l a s e r i s h i g h e rm a i lm a to f n d ：y a g1 a s e lc r i t i c a ll a s 盯p o w e rd e l l s i t yf o rd e 印p a l e t r a t i o n w d d i n g o f 6 0 6 1i s h i 曲e r m a n a z 3 l b6 ) r b o t l l l a s e r s t h e k i n d d e l i v e 叮a n d n o wr a t e o f s h i e l dg 勰i n n u e i l c e dt h ew e l d i n g p r o c c s s 1 1 1 ed 印ma i l dw i d mo f w e l di n c r e a s e d w i | hl a s e rp o w e ri n c r e a s i n ga 1 1 dd e c r e 勰e dw i t hw c l d i l 唱s p e e di n c r e a s i n g f o c u s d i s t a n c ea 虢c t e dm e d 印m ，w i d m a f l ds h 印eo f w e l d sg r e a l ly n sd i 街c u l tt oa v o i ds o l i d i f i c a t i o nc r a c k si nc 饥t * l i n ew e l d e dj o i n t j o i m w i t l l o u tc r a c k sc a l lb eo b t a i n e db yd e c r e a s i n gw e l dd 印m ，b u tt h e 蝴殍ho f t h i sk i n d o f j o i n ti sl o w n e r ew c r en oc r a c k si ne d g e - “n ew e l d e dj o i n t i tw 器o b s e r v e dt l l a t 如s i o nl i n ez o n en e a rm gb a s em e t a li sc o m p o s e do fi m ca 1 3 m a 1 1 da l l 2 m g l 7 ，t h e w e l dw 髂m a i n l yc o m p o s e do fa ls o l i ds 0 1 u t i o na 1 1 dd i s p c r s c di m c 舢3 m d i s s i m i l a rm e t a lb u n j o i n tw 勰w e l d e di nt h ee x p 谢m e n t a lc o n d i t i o n s t h e r ew e r en o c r a c k si nb u t tw e l d e dj o i n to f a z 3 l b 锄d6 0 6 1 ，t o o f u s i o n1 i n ez o n en e a rm gb a s e m e t a lw a sc o m p o s e do fi m ca 1 3 m a 1 1 da l l 2 m 自7 ，w h i l et h ew e l dw a sc o m p o s c do f a ls o l i ds o l u t i o n m gs o l i ds 0 1 u t i o na n dd i s p e r s e di m ca l ，m t h em a x i m u mt e n s i l e s t r c n g i ho b t a i n e di s3 1 8 4 m p a r u p t l l r co fe d g e _ l i n ew e l d e dj o i n t 粕db u t tw e l d e d j o i n to c c i l r r e di nf i l s i o nl i n cz o n en e a rm g b 嬲em e t a l ，s h o w i n gac o m b i n e dc l e a v a g e a n di n t e 舀吼e d 矗a c t i l r em o d c i ! ! 星三些叁兰三兰堡! ：兰堡丝三 k e y w o r d sd i s s i m i l a rm e t a lj o i m ，l a s e rw d d i n g ，m a g n e s i u ma l l o y a l u m i n 啪a 1 1 0 y ， i m 咖e t a l l i cc o m p o l l i l d ( i m c ) i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蕉建日期：丛z ：盍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：夺葱导师签名：复盔：曼 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 镁合金在汽车工业的应用 镁是地壳中分布较广的元素之一，占地壳质量的2 1 ，海水、光卤石、菱 镁矿、白云石中都含有镁，并广泛分布于世界各地，是继钢铁、铝之后的第三大 工程金属。镁合会具有密度小、比强度和比网0 度高、尺寸稳定性好、导热性能优 越、切削加工性能好、易铸造、减震性能好、电磁屏蔽好、可无限地再利用等 众多优点，被誉为2 1 世纪绿色金属结构材料，广泛应用于航空航天、汽车、通 信等诸多工业领域】。 进入2 1 世纪，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题。随着金属材 料消耗量的急剧上升和科学技术的飞速发展，大规模生产工艺的出现和广泛使 用，地球表壳的资源同趋贫化。镁合会作为一种轻质工程材料，其潜力尚未充分 挖掘出来，开发利用技术还远不如钢铁、铜、铝等成熟。我国是世界上镁矿资源 最丰富的国家，镁资源占全球总储量的2 2 5 嘣翔，加速开发镁合会的应用，对保 持社会可持续发展具有重要的战略意义。有资料表明 2 1 ，交通工具每减重l o ， 耗油及废气排放将减少8 1 0 。而汽车重量每降低1 0 0 蚝，每百公里油耗可 减少o 7 l ，汽车自重每降低1 0 ，燃油效率可以提高5 5 。镁合金作为工业 应用最轻的金属材料，具有良好阻尼减震性能，体积相同时比铝合金轻3 6 、比 锌合金轻7 3 、比钢轻7 7 ，是汽车轻量化的首选材料【3 】。 镁合金用作汽车零部件的主要优点包括【4 】： ( 1 ) 密度小，可减轻整车重量，提高燃油经济性综合标准，降低废气排放和燃 油成本； ( 2 ) 重量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，同时还可改善刹车和加速 性能； ( 3 ) 镁的比强度高于铝合金和钢，比钢度接近铝合金和钢，能承受一定的负荷： ( 4 ) 镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低； ( 5 ) 镁具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可降低噪声， 用于座椅轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。 近年来，美国三大汽车公司的用镁量不断上升【4 】。1 9 9 7 年福特公司用镁量 1 7 5 0 0 吨，通用汽车公司9 5 0 0 吨，戴姆勒一克莱斯勒公司7 0 0 0 吨，到2 0 0 3 年 福特公司用镁量1 7 9 0 0 吨，通用汽车公司3 0 8 0 0 吨，戴姆勒一克莱斯勒公司l o o o o 吨。在过去四届美国汽车工程师协会和国际1 m s 会议上都专门组织了镁专业会 议，展示出人们和业内人士对汽车用镁的极大兴趣。现在，德国大众汽车公司用 北京t 业人学t 学硕 ：学位论文 镁量仍领先于其他汽车制造厂。在v w p a s s a t 和奥迪a 4 和a 6 车型上，每辆车用 镁量达到1 4 公斤【4 】o 一般欧洲车用镁合金9 公厅争2 0 公斤，北美车崩镁合金6 公斤至2 6 公斤。镁合会也在f i 本乍产的汽车上采用，例如镁合会变速杆、变速 箱体、车门内框、扶手等等。2 0 0 4 年全球汽车工业镁压铸件和镁合金需求总量 为1 1 7 万吨，2 0 0 5 年将达到1 2 8 万吨。近年来，国内镁产品应用的增长点主要 为汽车应用。东风汽车公司丌发了镁合金变速箱上盖、脚踏板、制动阀体等多种 镁合金零件，部分零件已批量装车销售；还与北京有色会属研究总院合作，完成 了攻关项目“镁合金在东风汽车上的应用研究”专题，成功压铸出镁合金空压机 连杆【1 】，实现了真空助力器中阳j 隔板、前油封座和阀体等多种零件的批量试制和 生产。一汽铸造公司开发了镁合会汽缸罩盖、脚踏板、方向盘、增压器壳体等压 铸件并在红旗等车型中得到应用。长安汽车公司开发了8 种镁合金变速箱壳体零 件，用于长安微型汽车，单车用量达8 0 8 k g ，目前居全国首位。重庆镁业股份有 限公司与上海通用、美国福特等大公司合作，专门提供镁合金方向盘产品【2 1 。 图1 1 描述了镁铝合会在汽车上的应用发展阶段吼首先是压铸镁铝合金产 品，主要应用于变速器壳体上【6 】。随着耐热镁铝合金的发展，丌始应用于汽车的 热循环部位，如发动机，自动变速器的壳体。随着压铸技术的进一部发展，可以 压铸薄壁、形状复杂的镁铝合金部件，主要应用于汽车车身的某些部位，如前后 挡板等。随着等温锻造技术在镁铝合金上的进一步发展，等温锻造镁铝合金被开 发出来，主要应用于汽车底盘，但由于汽车底盘对能量吸收能力和抗环境腐蚀能 力的要求较高，制约了镁铝合金广泛使用。随着变形镁铝合金的研究和开发，一 图1 1 镁铝合金在汽车上的应用发展阶段 f i g 1 一ld e v e l o p i e n tp h a s eo f m g - a la l l o ya p p l i c 撕o n 彻卸t o m o b i l e 汽 车 轻 量 化 第1 章绪论 些变形镁铝合会的轧制或挤压产品开始应用于汽车内部的各种部位，如仪表板、 转向盘、座椅等p j 。随着镁合金成形工艺技术的进一步提高，镁合会在汽车上的 应用潜力将进一步发挥。在1 9 9 3 2 0 0 3 的十年期间，用于汽车的压铸镁合金以每 年高于2 0 的速率递增。根据西方汽车工业界的展望，在未来二十年里，平均每 辆汽车上的镁合金用量将达到1 0 0 1 2 0 k g ，届时仅用于汽车的镁合金将超过5 0 0 万吨，约为目前全球镁年，毛产量( 5 0 万吨) 的l o 倍【l 】。因此，发展汽车用镁合金 将是2 1 世纪镁工业发展的核心。 镁合会是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金【引相比，镁合会的研 究和发展很不充分，镁合金的应用也还很有限。目前，镁合会的产量只有铝合金 的l 。镁及镁合会在汽车部件应用方面目| j i 仅限于汽车非结构件，这是由于镁 及镁合金的物理和化学性质所决定，要想进一步取得重大突破尚需做许多技术工 作，还有一段很长的路要走。汽车用镁及镁合会部件包括座椅骨架、仪表盘、方 向盘( 图1 - 2 a ) 和转向柱、轮圈( 图l - 2 b ) 、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳、 支架、导向轴部件、进气岐管等零件。其中方向盘和转向柱、轮圈是应用镁合金 较多的零件。2 0 0 5 年镁汽车部件开发包括车蓬板、结构支架、后甲板盖、内车 门框架、发动机头、发动机主体等【4 】。镁合金汽车压铸件在汽车非结构件应用方 面正在取代铝合金压铸件，随着技术的发展将有更多的零件用镁合金制造。由此 可见，未来的汽车工业必然有一个镁合金和铝合会同时应用在汽车结构件上的阶 段。因此，将镁与铝有效连接起来是十分必要的，对汽车工业的发展具有重大意 义。 ( a ) 方向盘骨架 ( b ) 轮圈 图l - 2 镁合金汽车零件 f 培1 2 a u t o n l o b i l e p a n s o f m ga 1 1 0 y 北京t 业人学t 学硕 学位论文 1 2 镁、铝异种金属焊接 1 2 1 异种金属焊接 异种会属的焊接是指两种或两种以上不同金属在一定工艺条件下进行焊接 加工的过程。异种会属焊接要比同种会属复杂的多。异种金属的焊接性，是指不 同成分不同性能的两种或两种以上金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用是 安全可靠运行的能力【9 】。也就是指在一定的焊接工艺条件下，异种金属材料获得 优质焊接接头的难易程度。异种会属的焊接性首先是指接合性能，也就是指异种 会属材料在给定的焊接工艺条件下，形成完整焊接接头的能力。在焊接生产中， 常用接合性能评定异种会属焊接接头缺陷的敏感性，以便提出防止焊接缺陷的措 施。其次是指使用性能，也就是指异种会属材料在焊接后，接头在长期使用条件 下适用使用要求的程度。在焊接生产中，常用使用性能评定异种金属焊接接头能 否满足技术条件的要求，以便提出改进技术条件的方案。 由于异种会属化学成分物理和化学性能有明显不同，所以焊接时存在很多困 难【1 0 】： ( 1 ) 异种金属的熔点相差越大，越难进行焊接，由于熔点低的金属达到熔化状态 时，熔点高的金属仍呈固体状态，这时已熔化的金属容易渗入过热区的晶界， 使过热区的组织性能降低。当熔点高的金属熔化时，势必造成熔点低的金属 流失，合金元素烧损或蒸发，使焊接接头难以焊合； ( 2 ) 异种金属的线膨胀系数相差越大，越难进行焊接。线膨胀系数大的金属热膨 胀率大，冷却时收缩率也大，在熔池结晶时，会产生很大的热应力，由于焊 缝两侧金属承受的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至 导致焊缝与母材剥离： ( 3 ) 异种金属的热导率和比热容相差越大，越难进行焊接，易使焊缝结晶条件变 坏，晶粒粗化严重，并影响难熔金属的润湿性能。因此应采用强力热源进行 焊接，焊接时热源位置要移向导热性能好的母材一侧； ( 4 ) 电弧焊接时，异种金属的电磁性相差越大，越难进行焊接，焊接电弧越不稳 定，焊缝成形变坏； ( 5 ) 异种金属的氧化性越强，越难进行焊接。冷却结晶时，存在于晶粒间界的氧 化物能使晶间结合力降低： ( 6 ) 异种金属之间形成金属间化合物越多，越难进行焊接。金属间化合物具有很 大脆性，容易使焊缝产生裂纹，甚至会造成脆断： ( 7 ) 异种金属焊接时，焊缝和母材不易达到等强度。这是由于熔点低的金属元素 易烧损蒸发，从而使焊缝的化学成分发生变化，组织性能降低，尤其是焊接 第1 章绪论 异种有色金属时更为明显。 综上分析，焊接异种会属及其合会，只有合理地选用焊接方法，正确地制订 焊接工艺及采取特殊的措施，爿能获得满意的焊接接头。 1 2 2 镁、铝异种金属的焊接特点和焊接方法 镁、铝异种会属焊接特点包含以下几个方面 1 1 1 1 2 】： ( 1 ) 镁与铝能形成有限固溶体，这从a l m g 二元相卧13 1 中可以清楚地看到( 图 1 3 ) 。在共晶温度( 7 1 0 k ) 下铝在镁中的饱和溶解度为1 2 7 m 嬲s ，镁在铝中 的溶解度为1 7 4 m a s s 。未溶解的镁往往以p 相( a 1 2 m 勖) 存在于组织中，在 4 7 0 到4 8 0 之间易形成a 1 2 m 勘、a 1 3 m 、a l m g 等会属间化合物； ( a ) 相图 ( b ) a 1 - m g _ 二元相图中各组成相 图l 一3a l m g - 二元相图 f i g 1 3a l - m gb i n a r ya l l o yp h a s ed i a g m m 北京t 业人学t 学硕f 学位论文 ( 2 ) 镁与铝在空气中均属于活泼金属，很容易与0 2 化合而形成m g o 和a 1 2 0 3 氧化膜，尤其是a 1 2 0 3 结构致密且熔点很高( 2 0 5 0 ) ，很难去除。氧化膜不 仅阻碍两种金属的连接，而且使接头区容易产生夹杂、裂纹等缺陷而使力学 性能变差； ( 3 ) 镁与铝在高温时均能溶解一定量的气体。液态铝中可溶解大量的h 2 ，固态 时则几乎不溶解，这容易使熔合区在凝固时h 2 来不及逸出而产生气孔，使 熔合区塑、韧性降低。 影响异种金属焊接性的因素很多，其中最难解决也是异种金属焊接时要尽量 避免的就是形成会属问化合物。利用异种金属的熔点差，尽量保持熔点低的金属 为固态是解决这类问题的一般方法。例如，铝和铁的焊接就是典型的例子。但是， 镁和铝的熔点相差无几，纯镁的熔点为6 5 l ，纯铝的熔点为6 6 0 ，在熔焊时很 难做到只熔化一种会属而使另一种会属保持固态，因此不可避免地要发生两种金 属液态的接触。液态金属之间的反应速度远远大于固态金属之间的反应速度，镁 和铝之自j 生成会属问化合物( a 1 3 m ，a l l 2 m g l 7 和a 1 3 0 m 3 等) 是很难控制的 1 m ，这是异种金属镁和铝熔焊的最大困难。 目前镁与铝异种金属的有效连接方法主要是固相焊，如搅拌摩擦焊( f s w ) 【1 5 16 】与扩散焊( 1 7 】。由于搅拌摩擦焊的工艺柔性较差、扩散焊需要在真空室中进行 的特点，这些固相焊接方法在应用中是有局限的。熔化焊接方法具有好的工艺柔 性，应用广泛。但是，采用t i g 掣1 踟、电子束焊蚓以及电阻点焊等熔焊方法 进行镁与铝异种金属焊接时，由于较大的热输入，焊缝近缝区易形成较厚的金属 闯化合物层，并由此引发热裂纹，严重影响其焊接性。 1 ，2 3 激光焊接技术的优点 由于激光本身的特性【2 0 2 1 】：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光 焊接对比传统的焊接方法而言有如下优点口2 】： ( i ) 激光的能量密度高，而热输入低，热影响区窄，焊接深宽比大，焊接时产生 变形量小，特别是用于精密、热敏感部件的焊接，常可以免去焊后矫形即二 次加工； ( 2 ) 激光焊接时冷却速度高，从而得到的焊缝组织微细，焊接接头性能良好，它 不像传统焊接的接头那样软化明显，它的接头性能接近母材，有的甚至高于 母材； ( 3 ) 因为是非接触焊接，也无需电极，所以可以节约大量的工时和成本； ( 4 ) 不像电子束焊接时需要真空的气氛，并且保护气和压力都可以选择，焊接时 不产生对人体有害的x - 射线； ( 5 ) 可以在某些特殊空间作业，如町对透明物体内部的工件直接加工、在一些狭 小的空间作业等； ( 6 ) 可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异种材料和不同板厚、不同形状、不 同强度、不同镀层的材料进行焊接，效果良好； ( 7 ) 可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应 用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中： ( 8 ) 激光具有良好的传输和聚焦特性，可以利用光导纤维方便的实现远距离的传 输和利用。可焊接传统焊接方法难以接近的部位，施行非接触远距离焊接， 具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在y a g 激光加工技术中采用了光纤 传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广弓应用； ( 9 ) 激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加 工，不仅很容易实现焊接生产的流水线，为某些特殊的精密焊接提供了条件， 还可以节约大量的人力( 或机器人) ，提高生产效率； ( 1 0 ) 激光焊接可以利用计算机和机械手实现焊接过程的自动化和精密控制，甚至 可以实现在线监控和调节，不仅大大的提高了焊接质量，还很大程度的提高 了生产效率。 激光焊接根据熔深的不同分为热导焊接和深熔焊接1 2 ”，热导焊接是一般指激 光功率密度在1 0 4 1 0 6 w c m 2 时表面金属吸收激光能量向下的热传导后而被加热 至熔化，形成的焊缝近半圆形。深熔焊接一般是激光功率密度在1 0 6 l o7 w 锄2 时，产生所谓的小孔效应，激光深熔焊接的能量传递与转换是通过“小孔”束完 成的，小孔作为一个黑体可使焊件获得更多的能量耦合，这是获得良好焊接质 量的前提条件。激光深熔焊接过程中，会产生小孔效应、等离子体效应和焊缝区 净化效应几种特殊效应。 综上所述，激光焊接的能量密度高、热输入小、热影响区窄，这些因素都有 利于改变焊接接头中金属间化合物的分布情况，因而可能是解决镁、铝异种金属 焊接难题的一种途径。少数发达国家已经开始了对镁、铝异种金属的激光焊接研 究i2 4 】。 1 3 镁、铝异种金属激光焊接的相关研究 国内外有关镁、铝异种金属激光焊接的研究较少【2 ”。国内有学者利用激 光t i g 复合热源对1 7 m m 厚的a z 3 1 b 镁合金板和6 0 6 1 铝合金板进行镁板在上、 铝板在下的中心搭接焊研究【2 9 1 。焊缝底貌如图1 4 所示。在铝板中的熔深很浅， 搅拌极不均匀，据其报道，焊缝中生成了大量以a 1 1 2 m 蜀7 为主的弥散分布的金 属间化合物。然而，该研究未对此种方法得到的焊接接头作力学性能的探讨和相 应组织结构表征。 北京t 业人学t 学顾 ：学位论文 幽1 - 4 镁和铝复合热源焊接焊缝底貌 f i g 1 4b o t l o mo f f i l s i o nz o 衅i i ih 州d 、v c l d i n go f m g 粕da l 有r 本学者对l 咖厚的a z 3 1 b 镁合金板和a 5 0 5 2 o 铝合金板做了异种金 属激光焊接的研究【2 4 1 。采用了中心搭接焊和边缘搭接焊两种焊接方式。采用中心 搭接焊时，发现铝板在上、镁板在下的情况下，在和铝板接触的镁板上出现了氧 化层：而镁板在铝板上面时没有氧化层出现( 由于在9 2 3 k 到1 3 8 0 k 之白j a 1 2 0 + m g 争m g o ( s j + 削m ) 。中心搭接焊接头强度很低，为2 0 m p a 。主要原 因是在熔池底部出现了由a 1 3 m 和a 1 1 2 m g l 7 组成的金属间化合物层( 见图1 5 ) 。 为了减少金属间化合物的生成，减小焊缝熔深可能是一个有效途径。通过 f e m ( f i l l i t ee l e i i l e m m e t h o d ) 分析方法，发现在同样熔深下，边缘搭接焊的熔池宽 度( 图1 6 a ) 大于中心搭接焊熔池宽度( 图1 ，6 b ) 。那么同样的熔宽下，边缘搭接焊 缝的熔深就要小于中心搭接焊缝。采用边缘搭接焊方式，通过优化工艺参数，得 到焊接接头的最大抗拉强度为4 8 m p a 。接头断裂位置在熔池底部，即由a l l 2 m 蜀7 图1 5 中心搭接焊示意图 f i g 1 5l a s c r w e l d i n go f c e t l t e r 1 i i i el 印j o i n t - 8 - 第1 帝绪论 和a 1 3 m 组成的金属间化合物层处。上述方法是通过减小下方板中的焊缝熔深 来控制会属| 日】化合物的生成量，从而改善接头的力学性能。那么如果熔深过浅， 同样会降低焊缝的力学性能。并且在力学性能较好的边缘搭接焊接头中，金属问 化合物层的厚度也达到了1 1 0 至1 7 0 m 之间，这么厚的硬脆金属间化合物层必 然严重影响接头的力学性能。该文献亦没有关于异种会属的对接焊这一应用更为 广泛的方法的论述。 图i - 6 相同熔深下的熔池形状 f i g 1 石1 1 1 es h a p e so f w e l d p o o la t 血es 锄ep e l l e 仃a n o n d e p t h 1 4 本课题研究目的与主要内容 镁和铝在汽车工业应用方面的差异表明，镁及镁合金研究必须重视开发在结 构件和汽车车体主要部件的应用，这就不可必免的会遇到镁合会和铝合金的连接 问题。本课题正是基于上述背景所做的一个具有酊瞻性的探索性研究。镁合金材 料的研究和应用前景是非常广阔的，相对于其它金属材料( 如铝、钢等) 的研究发 展水平，我国与世界发达国家的差距较小，可以说几乎处在同一起跑线上，如果集 中全国的优势力量针对关键科学问题展开研究，就有可能取得重大突破，达到甚 至赶超毽界先进水平。 a z 3 1 b 镁合金【7 】和6 0 6 1 铝合金【s 】广泛应用于航空航天和汽车制造领域。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 a z 3 1 b 是主要合金成分为a 1 和z n 的变形镁合金，强度高、延展性好、力学性能多 样化，可以满足不同场合结构件的使用要求，在国内外研究应用较广。6 0 6 1 铝合 会属于a l m g s i 系列，中等强度，耐蚀性良好，具有优良的冷加工性。典型用途： 要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构件，如制造卡车、塔式建筑、 船舶、电车、铁道车辆、家具等用的管棒型材中的轴结构、框架、机械零件、装 饰件等。6 0 0 0 系列铝合会在欧洲的汽车制造业中应用较多。由于镁和铝应用的广 泛性和交叉性，可以预见在未来的工业应用中，将镁和铝连接成复合结构是十分 必要的，这既可以降低结构的重量，也可降低能源消耗，有利于环境保护。 本课题研究旨在采用激光焊接技术进行a z 3 l b 镁合金和6 0 6 l 铝合金异种金 属的焊接。主要研究内容包括： a z 3 1 b 镁合会和6 0 6 1 铝合金异种金属焊接工艺参数的研究；焊缝显微组织 表征和相关性能测试；焊接接头力学性能试验及相关断裂机制的研究。 第2 章试验材科j 方法 2 1 试验材料 第2 章试验材料与方法 激光焊接试验所用镁合金与铝合金材料分别为a z 3 1 b 变形镁合会板和 6 0 6 1 t 6 5 1 铝合金板，试板尺寸分别为1 0 0 m m x 7 0 m m 2 m m 和 1 0 0 m m x 6 0 r n m 2 m m 。其名义化学成分和部分物理、力学性能分别示于表2 1 、 表2 2 【列和表2 3 f 3 l 】。 表2 1a z 3 l b 镁合金的名义化学成分( 叭) t a b l e2 一lt h ec h 锄i c a lc 咖p o s i t i o n so f m a 印e s i u m a z 3 1 b ( 、v t ) m g a l z ns f ec um n c a 其他 余量 2 5 3 50 6 1 4o 1o 0 0 5o 0 5o 2o 0 4 o 3 表2 - 26 0 6 1 铝合金的名义化学成分( 研) t a b l e2 2 t h ec h 伽i c a lc o m p o s i t i o 衄o f a i u m i n u m6 0 6 i ( 叭) m g a 1z l ls if ec um nt ic r 其他 0 8 1 2 余量 0 2 50 4 m 8o 7o 1 5 0 4o 1 50 1 50 0 4 o 3 5o 1 5 表2 - 3a z 3 1 b 和6 0 6 1 的部分物理性能及力学性能 t a b l e2 3 n ep h y s i c a l 柚d m e c h a i l i c a l p m p e n i 嚣o f 啪印e s i 啪a z 3 l b a l 啪i n u m6 0 6 l 抗拉屈服伸长率室温熔点沸点热导率 材料强度 强度( ) 密度( )( )( w m 1 k 1 ) ( m p a )( m p a )( g c m3 ) a z 3 l b2 6 02 0 01 51 7 3 86 5 01 1 0 71 5 5 5 6 0 6 12 6 02 2 0l o2 6 9 86 6 0 42 4 9 42 4 7 a z 3 1 b 变形镁合金为轧制板材，具有密排六方晶格结构。6 0 6 1 一t 6 5 1 铝合 金具有面心立方晶格结构。图2 1 a 、b 分别为a z 3 i b 和6 0 6 1 的母材组织。a z 3 1 b 的母材组织由粗大的a m g 等轴晶和分布于晶界上的金属间化合物a l l 2 m g l 7 组 成 j 。在图2 1 b 中，基体为铝固溶体，合金中的杂质相( s i ，f e 等) 及一些化合 物相( m 9 5 a 1 8 ，m 9 2 s i ) 析于晶界上【3 2 】。由于受到轧制作用，晶粒沿变形方向被拉 长。图中f 部为靠近板材边缘的组织，其变形现象比板材中心明显许多。 些室三些叁兰三兰堡! ：兰竺丝塞 ( a ) a z 3l b 母材组织 ( b ) 6 0 6 l 母材组织 图2 1 a z 3 l b 和6 0 6 l 母材组织 f i 9 2 - 1m i c m s n c 眦o f a z 3 l b 卸d 6 0 6 lb 勰e m e t a l 2 2 激光焊接试验系统 焊接试验采用了两套激光加工设备。其一为德国r o f i n - s i n a r 公司的扩散冷 却s 1 a bd c 0 3 5c 0 2 激光器( 如图2 2 a 所示) 。激光波长：1 0 6 岬，光束模式接 近t e m o o 模，最大功率3 5 0 0 w 。采用3 0 0 n l n l 焦距的旋转抛物面反射聚焦镜聚 焦，焦斑半径为o 1 3 2 i 砌；配以德国a m 0 1 d 公司的六轴联动机床( 加工范围： 3 0 0 0 删：l l 2 0 0 0 i i l i n x l o o o 删n 士1 2 0 0 3 6 0 0 x 3 6 0 。，如图2 2 b 所示) 进行激光扫描焊 接。 ( a ) c 0 2 激光器( b ) a m o l d 八轴联动激光加i ：机 图2 - 2 c 0 2 激光焊接系统 f i g 2 - 2c o i l a s e rw e i d i l l gs y s t c l i l 其二为r o f i n s i n a r 公司的c w 2 5n d ：y a g 固体激光器( 如图2 3 a 所示) 。激 光波长：1 0 6 岬，最大功率：2 5 0 0 w ( 连续) ，脉冲频率：肛l k h z 。光纤长度： 第2 章试验材料j 方法 1 0 m 。所用聚焦透镜的焦距为1 2 0 m m ，焦斑半径为o 3 6 m m 。通过光纤导光系 统与首钢m o t o r i l l a j l 五轴联动机械手( 如图2 3 b 所示) 配合实施焊接。 ( a ) n d ：y a g 同体激光器 ( b ) m o t o f l i l 五轴联动机械手 图2 3n d ：y a g 激光焊接系统 f i g 2 3n d ：y a gl a s e rw c l d i n gs y s t 锄 2 3 激光焊接试验方法 首先分别对a z 3 l b 镁合会和6 0 6 1 铝合金进行c 0 2 激光和y a g 激光的深 熔焊接阂值试验，而后在此基础上进行镁、铝异种会属激光焊接。试验接头形 式分为三种：中心搭接焊、边缘搭接焊和对接焊。搭接接头形式如图2 4 所示。 ( a ) 中心搭接焊示意图 ( b ) 边缘搭接焊示意图 图2 - 4 激光焊接接头形式示意图 f i g 2 - 4s c h e i i l a cd i a g r a mo f l a s e rw e l d e d j o i n t 光束 北京t 业人学t 学顾 学位论文 试件装在央具上固定施焊。搭接焊试验中分别考虑了镁板在上和铝板在上两种 情况。图示代表的是前一种情况，二者其他条件相同。图2 4 a 为中心搭接焊示 意图，激光束垂直作用在试板上。保护气体喷嘴置于激光扫描方向的前部，与 激光束成4 5 。角。试验所用的激光加工参数范围是：激光功率1 0 0 0 2 5 0 0 w ；焊 接速度1 6 删，m i i l ；离焦量为一2 2 m m ：采用双层喷嘴，内层为h e 气，流量 1 吐1 5 u m i n ，外层为a r 气，流量为5 1 0 m n i n 。 边缘搭接焊施焊前调整机械臂上激光头位置，使光束与板的法线成4 5 0 角。 如图2 4 b 所示。保护气体喷嘴置于激光扫描方向的前部，与激光束成4 5 0 角。试 验的激光加工参数范围为：激光功率1 2 0 0 2 0 0 0 w ；焊接速度1 ，5 3 i i l ，f m i n ；离焦 量0 2 蛐；采用双层喷嘴，内外层流量分别为扣l o 【m i n a r 气。 2 4 焊接接头组织表征与力学性能试验 焊接试验后，对要观察的焊缝试样进行切割、镶样、研磨、抛光与浸蚀。 用于镁合金的浸蚀液为：冰醋酸2 0 m l ，浓硝酸1 m l ，乙二醇5 0 i l l l ，蒸馏水 1 7 m l 。用于铝合金的浸蚀液为：水8 5 m l ，硝酸( 1 1 9 k m 3 ) 1 2 5 i i l l ，氢氟酸( 体 积分数4 0 ) 2 5 i i l l 例。采用0 l y m p u s p m g 3 金相显微镜( 如图2 5 所示) 和 s e m ( f e iq u a n t a2 0 0 扫描电子显微镜，如图2 6 所示) 及e d s ( x 射线能谱) 观 察镁、铝异种合金焊缝的显微组织和进行相应成分分析。采用d 8a d 州c ex 射线衍射仪( 如图2 7 所示) 对焊缝横截面进行物相的定性分析阱l 。 l ! f | 2 5 金相显微镜( o l y m p u s p m g 3 ) f i g 2 5m e t a l i 鲫i c r o s c o p e ( o l ，y m p u s p m g 3 ) 采用f u t u r e t e c hf m 7 0 0 数字显微硬度仪( 如图2 8 所示) 测试焊接接 头的显微硬度。试样表面做打磨、抛光处理。试验所用载荷为5 0 9 ，加载时间 为3 0 s 。 幽2 - 6 扫描电子显微镜( f e lq l l a n 诅2 0 0 ) f i g 2 - 6s e m - s c a 蛐i n ge l e c 仃o nm i c r o s c o p c ( f e iq l l 锄t a2 0 0 ) 图2 - 7x 射线衍射仪( d 8a d w 州c e ) f i g 2 - 7x 啪yd i 能【c t i o na p p a r a t l l s ( d sa d v a n c e ) 图2 - 8 数字显微硬度计( f u n j r e t e c hf m 7 0 0 ) f i g 2 8d i 画协lm i c r o _ h a r d i l e s st 船t e r ( f u t u r e - t e c hf m 一7 0 0 ) 1 5 北京t 业人学t 学硕l 。学位论文 将镁、铝对接焊试件制成图2 9 所示的拉伸试样( g b 2 6 5 1 8 8 ) ，同一批试样 具有相同的形状、尺寸和表面状态。采用i n s t r o n 万能材料试验机( 如图2 一1 0 所示) 测试对接焊缝的拉伸性能。试验采取轴向簏加载荷，由小到大逐渐增加拉 力，拉伸速度为1 舢，m i n 。本实验在室温条件下进行。拉伸试验时，试件两端部 由试验机上下夹具央紧，夹具中心线与试验机施力轴线重合。试验丌始后逐步 增大拉力，直至试件断开为止。根据最大载荷计算焊缝的抗拉强度。 图2 9 拉伸试样 f i g 2 - 9t e n s i l es p e c i m 分别采用o l y m p u s - s z 6 l 体视显微镜