（材料物理与化学专业论文）镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在金属结构材料中镁合金的密度是最低的。与其他金属材料及工程塑料相比，镁合 金具有很高的比强度和比刚度，优良的阻尼减震性能、电磁屏蔽性、机械加工性能和铸 造性能，这些优点使镁合金的产品在航空、汽车、电子等领域获得了越来越广泛的应用。 随着越来越多镁合金焊接件在工业上的应用，研究和推广镁合金高效、优质焊接工艺已 成为实际生产的迫切要求。前期对镁合金活性电弧焊研究，发现活性剂能够大幅度提高 电弧焊熔深能力。 本文着重探索活性剂对镁合金激光焊的影响。发现在a z 3 1 b 镁合金低功率激光焊 接的过程中加入活性剂，大幅度提高了镁合金低功率激光焊的熔深。通过系统的工艺试 验分析了各工艺参数对焊接过程的影响规律，并总结出活性剂作用效果明显的规范区 间。分析微观组织和接头性能并与传统激光焊对比发现：接头组织均为典型的激光焊组 织，熔合线清晰，热影响区窄；晶粒大小不规则但与单独激光焊相比尺寸有所增加，焊 缝中出现了一定量的氧化物夹杂，导致焊接接头拉伸强度有所降低，接头的断裂形式由 韧性断裂转变为韧脆混合断裂。活性剂增加激光焊熔深的主要原因为：活性剂的使用提 高了激光作用初期试样对激光能量的吸收率。 本文为改善镁合金a t i g 焊接头性能，在氧化物活性剂中添加一定量的增强相颗 粒。发现a t i g 焊的熔深比未涂敷活性剂有了明显增加，使熔深增大了1 5 倍以上。且 s i c 在活性剂中的比例对熔深影响不大。分析焊缝微观组织发现添加在活性剂中的微小 s i c 陶瓷颗粒较均匀分布在焊缝中。焊缝力学性能测试结果表明：t i 0 2 活性剂中加入s i c 陶瓷颗粒后焊缝的拉伸强度有所增加，当s i c 在活性剂中的质量分数为4 0 时，焊接接 头的拉伸强度达到母材强度的8 9 6 ，与传统t i g 焊接头的强度相当。焊缝强度提高的 主要原因为：氧化物活性剂改变了传统t i g 焊熔池的流动方式，使加入的s i c 颗粒随着 熔池液态金属的流动顺利进入熔池，并且由于熔池的强烈搅拌作用而均匀分布于焊缝内 部，对焊缝金属起到弥散强化的作用。 关键词：镁合金；活性激光焊；活性电弧焊；增强相颗粒；氧化物 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 s t u d y o nf l u x - a s s i s t e dl a s e rw e l d i n ga n dp a r t i c l ee n f o r c e da - - t i g w e l d i n gf o rm a g n e s i u ma l l o y a b s t r a c t a st i cl i g h t e s ts t r u c t u r em a t e r i a l ，m a g n e s i u ma l l o y sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c h 船l o w d e n s i t y ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h , d a m p i n gc a p a c i t y ，b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，r e c y c l a b l ea n d s oo n , w h i c ha l ea t t r a c t i n gm o r ea t t e n t i o nf r o mt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n w i t ht h ew i d eu s e o f m a g n e s i u ma l l o ys t r u c t u r ei nm a n u f a c t u r e ，i ti sr e q u e s t e d t oi n v e s t i g a t ea n da p p l yt h eh i g h e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yw e l d i n gt e c h n i q u eo fm a g n e s i u ma l l o y a t i gw e l d i n go fm a g n e s i u m w a ss t u d i e dp r e v i o u s l y a n dr e s u l t ss h o w e dt h a ta p p l y i n gt h ea c t i v a t i n gf l u xo nt h ea z 3 l b a l l o ys u r f a c el e a d st oa ni n c r e a s ei nw e l dp e n e t r a t i o nd e p t h t h eb e h a v i o r so f l a s e rw e l d i n gw r o u g h tm a g n e s i u ma z 3 l ba l l o yw i t ha c t i v a t i n gf l u x e s w e r es t u d i e di nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o w e dt h ef l u x e sc a ni n c r e a s et h ew e l dp e n e t r a t i o no f t h el a s e rw e l d i n g n 伦e f f e c to fp a r a m e t e r so np e n e t r a t i o n sw a ss t u d i e db ys y s t e m i c e x p e r i m e n t s 1 1 圮m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b e t w e e nt h ew e l d sw i t ha n dw i t h o u tf l u x 1 1 l em i c r o s t r u c t u r e sw e r ea 1 1o ft y p i c a ll a s e r w e l d i n g ，a n dt h ef u s i o nl i n ew a sc l e a r ，t h eh e a ta f f e c tz o n ew a sn a r r o w a ni r r e g u l a ra n d l a r g e rg r a i ns i z ew a se x h i b i t e di nt h ew e l dm e t a lp r e p a r e dw i t hf l u xt h a nt h a tw i t h o u tf l u x o x i d ep a r t i c l e sw e r ef o u n di nt h ew e l dm e t a lw h e nf l u xw a su s e d t h er e s u l t so ft e n s i l et e s t s s h o w e dt h a tw e l dm e t a lw i t hf l u xw a sl o w e rt h a nt h a tw i t h o u ta n yf l u x t h em a i nm e c h a n i s m f o rt h ei n c r e a s e so fp e n e t r a t i o nw a st h a tt h ef l u xc o a ta b s o r b e dm o r el a s e re n e r g yd u r i n gt h e e a r l yp e r i o do f l a s e ra c t i o n a 一1 r i gw e l d i n go fm a g n e s i u ma l l o yw a si n v e s t i g a t e d a n do x i d ep o w d e rm i x e dw i t h e n f o r c e dp a r t i c l e sw a ss e l e c t e da st h ef l u x t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep e n e t r a t i o n sw i t h d i f f e r e n tp e r c e n t a g eo fs i ci nt h ef l u xv ，e 他a l m o s tt h es 锄e a n dt h a tt h e yw e r e1 5t i m e s t h a nt h a tw i t h o u tf l u x i tw a ss h o w e dt l l a tt h es i cp a r t i c l e sw e r ed i s t r i b u t e dd i s p e r s e di nt h e w e l db e a d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l db e a d sw e r eo b v i o u s l yi m p r o v e db yt e n s i l e t e s t s ，w h e ns i cw a sa d d e di nt h ef l u xt i 0 2 w h e nn 坚6 0 蟛确钫科o s i cw a su s e d ，t h e t e n s i l es t r e n g t ho ft h ew e l db e a dr e a c h e d8 9 6 o fb a s em e t a l a n di tw a sa l m o s tt h es a l n e w i t ht h a to ft h ew e l db e a dw i t h o u ta n yf l u x 1 1 l er e a s o no fh a r d e n i n go ft h ew e l db e a dw i t h s i ci nt h ew e l dm e t a lw a sa sf o l l o w e d ：t h eo x i d ef l u xc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lp o o lf l o w , a n d t h es i cp a r t i c l e sw e r ei n v o l v e di nt h ep o o la n dd i s t r i b u t e du n i f o r mi nt h ew e l dm e t a lo w n i n g t oi n t e n s es t i ro fp 0 0 1 t h ew e l dm e t a lw a sh a r d e n e db yd i s p e r s i o nh a r d e n i n go ft h es i c p a r t i c l e s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma n o y ；a c t i v a t i n gl a s e rw e l d i n g ；a - t i gw e l d i n g ：e n f o r c e dp a r t i c l e s ： o x i d e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：孙灵日期： 夕醒，8 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借闲。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 蜀卜红 年月e t 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 镁及镁合金概述 镁合金是工业应用中最轻的结构金属，具有比重小、比强度和比刚度高、电磁屏蔽 性好以及易于机械加工等优点【。因此，它被用作各种优质工业合金的基础材料，是 目前国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，在航天航空、电子、汽车、国防 军工等领域有广泛的应用前景。我国是镁资源大国，镁的产量和储藏量都居世界前列， 其中原镁产量占全球的4 0 以上，而且8 0 用于出口【5 一。但是，我国的镁工业发展还 存在很多问题，如规模小、技术含量低、质量不稳定等。如何将我国的资源优势转化为 技术优势、产品优势，推动我国镁合金产业的发展，已成为目前亟待解决的问题。 镁的原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 2 ，电子结构为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，位于周期 表中第3 周期第2 族。镁的晶体结构为密排六方，在2 5 时的晶格常数为： a = 0 3 2 0 2 n m ，c = 0 5 1 9 9 n m ；晶胞的轴比为c a = 1 6 2 3 7 ，接近完美的密排结构。配位数 等于1 2 时的原子半径为0 1 6 2 n m 。 m g ，a 1 及f e 的物理性质对比如表1 1 所示 7 1 。镁在2 0 时的密度只有1 7 4 9 c m 3 ， 是常用结构材料中最轻的金属。镁在2 0 。c 时的热容量为1 7 7 8 j ( m 3 k ) ，比其它所有的 金属都低；而热传导率为1 6 7 w m k ，仅略低于铝。因此，镁及其合金的加热升温和散 热降温都比其它会属快。镁的标准电极电位为2 3 7 v ，比铝( 1 7 1 v ) 低，是电负性很 强的金属，其耐蚀性很差。镁在潮湿大气、海水、无机酸及盐类、有机酸甲醇等介质中 均会发生剧烈的腐蚀。镁在金属中是电化学顺序最后的一个，因此具有很高的化学活泼 性。在室温下，镁的表面能与空气中的氧起作用，形成氧化镁薄膜，但是由于氧化镁薄 膜比较疏松，不像氧化铝薄膜那样致密，所以耐蚀性很差。另外，该氧化膜在焊接时不 能提供保护，极易形成氧化加渣，严重阻碍焊缝的成形【2 训。镁的表面张力小，远低于 铝和铁，所以其在焊接时焊缝容易下塌，不利于焊缝成型。镁的弹性模量低，与其它金 属相比，当受同样的外力时，镁能够产生较大的弹性变形，受到冲击载荷时能够吸收较 大的冲击功。 纯镁的力学性能很低，不能直接用作结构材料，向镁中加入一些合金元素，即镁的 合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径，而其它强化方法往往都首先 建立在镁的合金化基础上。 镁合金与镁一样，其最大的优点是重量轻，约为铝的2 3 ，钢铁的1 4 ；具有较高的 比强度，其比刚度与铝合金和钢相当。镁合金的力学性能优良，具有良好的切削加工性 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 能和铸造性能。镁合金的电磁屏蔽性能较好，既是优异的导体，又具有高于无电解电镀 塑料的优异的电磁屏蔽性。镁合金还具有其它一些优良性质如：吸震性好，有利于减震 和降噪；可回收性能好，符合环保要求；尺寸稳定性高，在9 5 c 以下，即使长时间持有， 也基本上看不到变形。 表1 1 m g , a i 及f e 的物理性质比较 t a b1 ic o n t r a s to f p h y s i c a lc s t i c a m o n g m g , a ia n df e m g a i f e物理参数单位温度蔸鹰 密度 m g m s 2 0 1 7 42 7 0 了百亍一 熔点 一 6 5 16 6 0 1 5 3 6 沸点 一 1 1 0 72 0 5 6 2 7 3 5 表面张力k n m熔点 5 5 99 1 4 1 8 7 2 比热 j k g k 2 0 1 0 2 29 0 0 4 4 4 热容量 j m 3k 2 0 c 1 7 7 8 2 4 3 03 4 9 4 热膨胀率 1 0 。6 k 2 0 1 0 0 c 2 6 j2 3 。9 1 2 2 热传导率w m k2 0 c 1 6 72 3 87 3 3 电阻率1 0 “m 2 0 c 4 2 2 6 71 0 1 杨氏模量 1 0 1 l p 42 0 0 4 4 3 0 7 5 71 9 0 镁合金材料已广泛应用于汽车、电子、3 c 等相关行业。镁合金产品广泛应用于汽 车始于2 0 世纪9 0 年代，目前，汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、 欧洲、日本和韩国，预计年增长率将达到2 0 。国外在汽车上大规模应用镁合金生产的 零部件已超过6 0 种，如驾驶盘、仪表盘框架、变速箱、发动机零件、座椅架、离合器 外壳等等。 镁合金的标记方法有多种，其中以美国试验与材料学会( a s t m ) 标准的标记规则 应用最为广泛，目前我国的镁产品出口也是采用a s t m 标准的标记规则，所以本文的镁 合金牌号均采用a s t m 标准。 目前工业上生产的基本合金系列基于以下主要合金元素：锰、铝、锌、锆和稀土金 属。他们可以分为以下合金系列：镁锰，镁铝锰，镁铝锌锰，镁锆，镁锌锆，镁 一稀土金属- 锆，镁- 银一稀土金属- 锆，镁钇稀土金属锆。上述合金系列通常可分为含有 铝合金元素或不含铝合金元素两种类型。商业上最早应用的合金元素为铝、锌和锰，并 2 一 大连理工大学硕士学位论文 且镁铝锌锰合金系仍然是当今最广泛应用的镁合金。本文采用的主要焊接板材即为该 系列的a z 3 1 、a z 6 1 、a z 9 1 镁合金板材。 在镁铝锌锰系列镁合金中，铝在4 7 3 下在镁中的最大固溶度为1 2 7 ，在室温 下降低到约2 。在原铸造状态下，1 3 相m g l 7 a 1 1 2 在靠近晶粒边界处形成，这种现象在 多数缓慢冷却的砂铸或金属模铸件中很常见。在温度接近4 3 0 c 时，退火或固溶处理将 使1 3 相全部或部分溶解。可以预计，后续的淬火和时效将引发大量的沉淀硬化，但是， 时效使得过饱和固溶体直接转变为粗大的弥散平衡沉淀b 相，且不会出现g p 区或中间 沉淀物。此外，1 3 相可以通过不连续的沉淀来形成，此时，甚至有粗大的晶胞从晶粒边 界伸展出去1 2 ，8 9 1 。 1 2 镁合金焊接现状及发展趋势 目前关于镁合金焊接性及焊接工艺、焊接材料的研究报道主要集中在国外进行的搅 拌摩擦焊 i o - 1 2 1 、t i g 焊1 1 3 , 1 4 1 、m i g 掣15 1 、激光焊接16 ，1 刀以及非真空焊接等方面的研究。 日本的a 鼢h i n a 【1 0 】、k o i e h i 】等人近年来采用了摩擦焊接方法对镁合金进行了焊接研究， 取得了较好的进展和效果。采用摩擦焊方法焊接a z 3 1 镁合金，得到的焊接接头及热影 响区的硬度与母材相当。德国的d r a u g e l a t e s l l8 】等人对a z 3 1 b 铸造镁合金及a m 5 0 a 和 a z 9 1 d 压铸镁合金的非真空电子束焊进行了研究，得到的接头强度与母材近似，接头 的抗腐蚀性与母材相当。日本的a s a h i n at 1 3 3 4 1 等人对a z 3 1 合金的a c 脉冲t i g 焊接 工艺及接头组织进行了研究，得到了具有较好性能的接头，分析了焊接接头的一些特征 并探讨了裂纹敏感性与脉冲频率的关系。 在国内，针对镁合金焊接的研究也取得了一些进展。大连理工大学在研究镁合金焊 接性及其工艺的基础上，对镁合金添丝t i g 焊接埘，等离子弧焊1 2 0 1 ，胶接焊2 n ，激光 一氩弧复合热源焊接1 2 2 , 2 3 】技术进行了一些探索，取得了一定的效果。由哈尔滨工业大学 和南昌航空工业大学等院校结合航天航空、汽车、摩托车等产业对先进镁合金的需要对 镁合金的搅拌摩擦焊 2 4 , 2 5 1 进行了研究，取得了较好的效果。 除了以上的焊接方法外，还可以根据不同的生产条件和焊接结构的使用情况选择如 下的焊接方法：电阻点焊、摩擦焊、扩散焊、硬钎焊、软钎焊、气焊等，还可以采用等 离子弧焊方法或添加活性剂来提高焊接质量和焊接效率，在后面还要做进一步介绍。 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 1 3 激光焊接方法国内外研究现状 1 3 1 激光焊的工艺特点与技术优势 激光光束是由单色的、相位相干的电磁波组成，正因为它的单色性和相干性，激光 束的能量才可以汇聚到一个相对较小的点上，使得工件上的功率密度能达到1 0 7 w c m 2 以上。这个数量级的入射功率密度可以在极短的时间内使加热区的金属汽化，从而在液 态熔池中形成一个小孔，称之为匙孔。光束可以直接进入匙孔内部，通过匙孔的传热， 获得较大的焊接熔深。质量极好的光束甚至可以在4 x1 0 6 w c m 2 的功率密度下就形成匙 孔，这主要取决于激光的功率密度分布情况。 匙孔现象发生在材料熔化和汽化的i 临界点，气态金属产生的蒸汽压力很高，足以克 服液态金属的表面张力并把熔融的金属吹向四周，形成匙孔或孔穴。随着金属蒸气的逸 出，在工件上方及匙孔内部形成等离子体，较厚的等离子体会对入射激光产生一定的屏 蔽作用。由于激光在匙孔内的多重反射，匙孔几乎可以吸收全部的激光能量，再经内壁 以热传导的方式通过熔融金属传到周围固态金属中去。当工件相对于激光束移动时，液 态金属在小孔后方流动、逐渐凝固，形成焊缝，这种焊接机制成为深熔焊，也称匙孔焊， 是激光焊接中最常用的焊接模式。 当激光的入射功率密度较低时，工件吸收的能量不足以使金属汽化，只发生熔化， 此时金属的熔化是通过对激光辐射的吸收及热量传导进行的，这种焊接机制称为热导 焊。由于没有蒸气压力作用，在热导焊时熔深一般较浅。图5 1 描绘了这两种焊接模式 的基本原理闭。 1 等离子体云；2 熔化材料；3 匙孔；4 熔深 图1 1 激光焊接的基本模式 f i g1 1p a t t e r no f l a s e rw e l d i n g 与一般的焊接方法相比，激光焊具有如下特点【2 刀： 4 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 聚焦后的功率密度可达1 0 5 1 0 7 w c m 2 ，甚至更高，加热集中，完成单位长 度、单位厚度工件焊接所需的热输入低，因而工件产生的变形极小，热影响区窄，特别 适合于精密焊接和微细焊接。 ( 2 )可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形。 ( 3 ) 适宜于难熔金属、热敏感性强的金属及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬 殊工件间的焊接。 ( 4 ) 可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接。 ( 5 ) 可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位，y a g 激光还可用 光纤传输，可达性好。 ( 6 )激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象存在，适宜于磁性材料焊接。 ( 7 )不需真空室，不产生x 射线，观察及对中方便。 目前，用于焊接的激光器主要有两大类，气体激光器和固体激光器，前者以c 0 2 激光器为代表，后者以y a g 激光器为代表。根据激光的作用方式激光焊接可分为连续 激光焊和脉冲激光焊。随着设备性能的不断提高、结构的日益复杂，对接头性能和变形 要求越来越苛刻，许多传统的焊接方法已不能满足要求，因而，激光焊接在许多场合具 有不可替代的作用。 1 3 2 镁合金激光焊的发展 近年来随着激光器制造成本的降低及激光器技术的成熟，激光器的最大输出功率有 了大幅度提高。对于y a g 激光器，输出功率等级为0 1 5 k w ，而c 0 2 激光器的输出功 率等级可以达到o 5 4 5 k w 甚至更高。因此镁合金的激光焊技术也成了研究热点。g a l u n w e i s h e i t 和h i r a g e 等人采用n d ：y a g 激光器和c 0 2 激光器对六种铸造镁合金和四种挤 压镁合金进行激光焊接性研究1 2 8 , 2 9 1 。结果发现，对于相同成分和不同成分的镁合金，厚 度从2n l n l 到81 1 1 1 1 1 ，均可利用激光焊接，并可得到很窄的焊缝和很大的熔深。接头焊缝 区为细晶组织，热影响区的硬度和高硬度的熔核区基本相同，微观组织和接头残余应力 场是影响接头疲劳强度的主要原因1 4 2 1 1 3 0 1 。激光焊接时，焊缝的背面成形受热输入和气体 保护流量的影响，在恰当的焊接工艺条件下可以得到很好的表面成型和高质量的接头。 镁合金激光焊接中，气孔是最主要的问题1 4 3 j 【3 l 】。母材中预先存在的微小气孔会在焊接过 程中聚集和扩展，并最后形成一个大的气孔，如图1 2 所示。 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 图1 2 焊缝区( 黑色区域) 大气孔是由a m 6 0 b 母材( 灰色区域) 中存在气孔经过膨胀、聚集形成1 3 研 f i g 1 2f o r m a t i o no f l a r g ep o r e si nt h ef u s i o nz o n e ( t h eb l a c kr e g i o n ) d u et ot h ee x p a n s i o na n d c o a l e s c e n c eo f t h ep r e e x i s t i n gp o r e si nt h eb a s em e t a l ( t h eg r a yr e g i o n ) o f a l l o ya m 6 0 b f 舢l 俐惴m 哪 m l a m e r 舯群l k w 图1 2 ( a ) 中位于图片中心附近的气孔是由原来存在于基体中的小气泡扩展而得到； ( b ) 为原基体中的许多小气孔集合成为一个大气孔；( c ) 为小气孔扩展成大气孔的过 程；( d ) 为小气孔聚集成大气孔的过程。不像激光焊接铝合金那样，在焊接镁合金时，匙 孔的稳定性并不是形成气孔的主导因素。熔合区的气孔随着焊接热输入的增大而增加， 可以通过减小激光能量、增大焊接速度或控制熔核区的重熔，以去除熔合区的气泡，减 少气孔的产生。在镁合金的激光焊接中存在焊缝下榻这一现象，这是由于在激光焊接过 程中熔池在大功率脉冲的冲击下，气化物和熔化物易抛出。j h z h u l 4 5 1 1 3 2 】等人采用1 5 千 瓦二极管激光器和2 千瓦c 0 2 激光器焊接镁合金a z 3 1 ，认为通过合理调整焊接参数， 能够获得无缺陷的镁合金焊接接头。国内王红英【3 3 】等采用利用2 k w c 0 2 激光焊接系统， 成功地实现了a z 6 1 镁合金的激光焊接，获得比较理想的焊缝。全亚杰 3 4 1 采用6 k w c 0 2 6 大连理工大学硕士学位论文 激光器实现了a m 6 0 镁合金的激光焊接。m d h a h r i 总结了在焊接速度3 3 m m s 时使用 c 0 2 激光焊接镁合金w e a 3 的熔深随激光功率的变化情况【3 5 问。如图1 3 所示。 图1 3c 0 2 激光焊接镁合金w e 4 3 时，熔深和熔宽随激光能量的变化情况 f i g 1 3 e f f e c t o f c 0 2 l a s e r p o w e r o n ( a ) p e n e t r a t i o nd e p t ha n d ( b ) b e a d w i d t h o f c a s t w e a 3a l l o y j o i n t s l 3 5 3 “ 可以看出目前国内外科研工作者主要采用大功率激光对镁合金进行深熔焊接。在低 功率激光焊接镁合金薄板方面研究很少，只有王继锋、宋刚等人研究过5 0 0w 的y a g 激光器焊接1 7i t i i t i 厚度的情况1 3 ”。主要是因为金属对于激光束的反射率高，激光能量 利用率低，这对于高热传导率的材料，如铝、铜、镁更加明显，因为表面吸收率随着材 料的热传导率增加而减小【3 ，导致设备的成本随着待焊工件厚度的增加而急剧增加， 能源消耗巨大。 近年来，一种可以大幅度提高焊缝熔深的高效焊接方法一活性焊接法引起人们的 高度重视1 3 9 】。将活性焊接技术同激光焊相结合来达到增加焊接熔深、降低成本，将是今 后镁合金焊接的重要发展方向。目前国内外针对活性激光焊接的研究较少，r k a u l 4 0 1 ， m k u o n l 和f a n d 4 2 1 等人分别进行过关于不锈钢方面的研究，发现在激光深熔焊时活性 剂对熔深增加不显著，但使熔宽有一定程度的减小；在热导焊时，熔深增加较为明显。 1 4 活性化焊接方法国内外研究现状 1 4 1 活性化焊接的特点与产生背景 钨极氩弧焊( t i g ) 是现代工业生产中广泛采用的一种焊接方法，是高质量焊接方 法的代表。但该方法仍存在明显的局限性：一是焊接的熔深浅，熔敷率低，完成单道焊一 次成形的板厚小( 一般仅限于3 m m 以下板厚) ，厚板时需开坡口进行多道焊，焊接工 艺要求高，过程繁琐，成本高，效率低，大大限制了t i g 焊的应用范围。活性化t i g 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 焊接( a 1 1 g ) 的出现，可以在确保t i g 焊各种优点的前提下，表现出其独有的特点， 如：增加焊接熔深、提高生产效率、节约能源、减小变形、消除气孔等，这就使t i g 焊 的使用范围大大拓宽 4 3 】。因而，a 1 1 g 焊得到了迅速发展和广泛应用。 活性剂对焊缝最主要的影响表现在熔深增加效应上。图1 4 显示了在相同焊接工艺 规范和相同板厚的条件下，典型的a t i g 焊接6 m m 不锈钢焊缝熔深与常规t i g 焊熔深 的对比h 。从图中可以看出，在相同的焊接规范下，同常规1 1 g 焊相比，a - t i g 焊可以 大幅度地提高焊缝熔深( 最大可达3 0 0 ) 。 a ) t i g 焊熔深情况 b ) a t i g 焊熔深情况 图1 4t i g 焊与a t i g 焊熔深对比1 4 4 】 f i g 1 4t h ec o m p a r i s o no ft h ep e n e t r a t i o ni nt i ga n da - t i gw e l d i n g 1 4 2a - t i g 焊中活性剂的作用机理 自从2 0 世纪6 0 年代中期s m g v e r e v i c h 发表第一篇关于焊接钛合金时使用活性剂 的文章以来【4 5 】，人们一直对活性剂增加焊缝熔深的机理进行不懈的研究。目前，已经成 为国际上a t i g 焊领域的一个研究热点。人们先后提出了不少的理论，其中最有代表性 的的焊接熔深增加机理的理论是“电弧收缩理论”及“表面张力理论”。 1 ) 电弧收缩理论 针对在a t i g 焊时有明显的电弧收缩现象，人们在电弧方面作了较多的研究，认为 “电弧收缩”对焊接熔深的增加有很大的影响闱。这个理论认为：活性剂在电弧高温下 蒸发后以原子形态包围在电弧外围区域，由于电弧外围区域温度较低，活性剂蒸发原子 捕捉该区域中的电子形成负离子并散失到周围空间，使电弧中的电子数呈现减少趋势， 电弧导电性减弱，其最终结果造成电弧自动产生收缩，热量集中、电弧力集中，从而使 焊接熔深增加【4 7 - 4 9 1 ，如图1 5 所示。 电弧收缩的效果由活性剂蒸汽与电子的结合效果来决定。例如，分解的氟粒子对电 子有较强的吸附能力，会对电子产生强烈的吸引力。但是电弧收缩的能力不全是由卤族 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 元素决定，像其它容易汽化的化合物( 金属氧化物) 虽然不具有电子亲和力，却因为具 有高的解离温度而能产生类似的影响。然而至今，没有确切的测得电弧中是否存在负离 子。 图1 5 电弧收缩理论的原理图 f i 晷1 5t h et h e o r yo f t h ea r cc o n s t r i c t i o n 2 ) a - t i g 焊接中的“表面张力变化”理论 表面张力是温度的函数。由于熔池表面的温度分布不均匀，也就带来了表面张力的 不均匀分布，从而在熔池表面上存在着表面张力梯度。熔池液态金属的流动方式对形成 熔池有着重要影响，而熔池金属流动方式主要由表面张力温度梯度决定。表面张力驱动 液体流动模型是f l 二i h e i p l e 5 0 】等人针对a t i g 焊时焊缝熔深增加的现象作了大量的研究后 提出的，这种理论就是表面张力改变理论，如图1 6 所示。 睦霎匕 温度温度 图1 6 表面张力理论的原理图 5 0 1 r i g 1 6t h et h e o r yo f t h es u r f a c et e n s i o n 表面张力 可 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 焊接工作者对熔池表面张力进行了广泛而深入的研究，该理论认为：在活性化焊接 中，焊接区活性剂的引入改变了熔池液态金属的表面张力，从而引起熔池液态金属运动 状态的变化，使得熔深增加，熔宽变窄【5 l 侧。其基本观点是：熔池金属流动状态对所 形成的熔深起到相当大的作用。一般情况下，温度越高，表面张力越小，即表面张力温 度系数( o r c o t ) 为负值。普通焊接金属熔化状态下表面张力具有负的张力梯度，熔池 中心温度最高，表面张力最小。熔池表面的金属从中心流向四周，所得到的熔深较浅； 当熔池金属中存在某种微量元素( 如s 、o 、s c 等，且含量达到一定数值以上) 或接触 到活性气氛时，熔池液态金属的表面张力数值降低并且转变为正的表面张力温度系数。 在这种状态下熔池中心温度最高，表面张力最大，从而使熔池金属形成从熔池周边向着 熔池中心区的流动，熔池中心区的热量通过液态金属的流动直接传向熔池底部，对熔池 底部的加热效率提高，影响了融合区的形状，从而形成了更大的熔深1 5 5 , 5 6 1 ， 1 4 3 镁合金活性化焊接的发展 镁及镁合金的焊接性能良好，氩弧焊适用于绝大多数镁合金的焊接。因此，在氩弧 焊基础上发展的a t i g 焊在镁合金中的应用也已在国内外开展【5 7 捌，并取得初步的研究 结果。美国科罗拉多州矿业学校研究了直流氩弧焊接条件下氯化物活性剂对镁合金t i g 焊接焊缝熔深的影响 5 9 , 6 0 。对直流t i g 焊接镁合金的电弧电压、电弧光谱、电弧形态进 行了检测和观察，分析焊接接头的形貌和微观组织。其结果表明：所选择的五种氯化物 活性剂均改变了焊缝的尺寸，增加了焊缝熔深和深宽比。大连理工大学焊接研究所张兆 栋博士 6 1 1 研究了氯化物和氧化物活性剂对镁合金交流t i g 焊的影响，深入分析了氯化物 和氧化物活性剂增加镁合金a t i g 焊接熔深的机理。证明采用不同种类的活性剂，其作 用机理有所不同。可以分为如下两种类型。 一、氯化物活性剂：对于氯化物活性剂( c d c l 2 ) 来说，活性剂的加入，增加了交 流焊接正负半波的电弧电压，并且电弧形态变化较大；在电弧发现了c d 原子和c a + 离 子的存在；这些说明氯化物活性剂主要影响了焊接电弧。 二、氧化物活性剂：对于氧化物活性剂( t i 0 2 ) 来说，活性剂的加入，对电弧形态 的影响不大；在电弧中只有少量的t i 原子存在，没有t i 一次离子的存在，并经过实验 验证，t i 0 2 活性剂改变了熔池的流动方式。这些说明氧化物活性剂主要影响了焊接熔池。 在前期的工作当中发现，镁合金a - t i g 焊可以大幅度增加焊接熔深，但是在熔深增 加的同时，焊接接头晶粒粗大 6 1 1 ，导致焊缝的强度有所下降。r ，酉 孤为未涂敷活性剂 以及涂敷这五种氧化物活性剂后焊缝的金相显微照片，从图啐行盹i 看出焊缝的晶粒大 大连理工大学硕士学位论文 小。图1 7 口所示为未涂敷活性剂时的焊缝金相照片，从图中可以看出，焊缝晶粒细小， 晶粒尺寸大约平均在2 0 p z n 左右。然而，从图1 7b - f 可以看出涂敷这五种氧化物活性剂 后焊缝的晶粒比未涂敷活性剂时均有所长大。图1 7b 所示为涂敷m g o 活性剂时的焊缝 金相照片，可以看出晶粒尺寸大约在2 0 - 4 0 p m 左右。图1 7c 所示为涂敷c a o 活性剂时 的焊缝金相照片，可以看出晶粒尺寸大小不一，大约在1 5 6 0 i j t m 左右。图1 7d 所示为 涂敷t i 0 2 活性剂时的焊缝金相照片，可以看出晶粒尺寸大约平均在5 0 p m 左右。图1 7 e 所示为涂敷m n 0 2 活性剂时的焊缝金相照片，可以看出晶粒尺寸大约平均在6 0 哪左右。 图1 一厂所示为涂敷c r 2 0 3 活性剂时的焊缝金相照片，可以看出晶粒粗化比较明显，晶粒 尺寸能够达到1 0 0 肛m 左右。在镁合金的活性焊中，大部分活性剂的涂敷均使得焊缝晶 粒比未涂敷时有所长大。焊缝晶粒大小与焊接热输入息息相关，焊缝热输入大，则相同 材料的焊缝的晶粒尺寸大；热输入小，则晶粒小。涂敷活性剂后焊缝晶粒长大，说明涂 敷活性剂后热输入增加。 其他一些“新”材料在满足设计性能的同时焊接性能变差，特别是在结构件应用中 的动载荷需求，使得推广和应用受到很大的限制。例如：人们对2 5 1 9 高强铝合金进行 熔化极惰性气体保护焊( m i g ) ，接头抗拉强度仅为母材6 1 3 6 2 1 ；焊接2 2 1 9 铝合金双 丝焊正常冷速时焊接接头最低强度仅为母材的6 0 4 1 删；采用传统氩弧焊焊接镁合金 a z 3 1 和a z 6 1 ，获得的焊接接头拉伸强度可达母材的8 0 - 1 0 0 ，但该接头的疲劳强度仅为 母材的5 0 【5 】【矧，并不令人满意，使得镁合金难以在动载环境中得到使用，严重阻碍镁 合会在交通运输等领域中的应用。上述材料焊接性差的主要原因是焊接接头晶粒粗大、 软化现象严重，并且析出相起到了疲劳断裂裂纹源的作用，严重影响焊接接头疲劳强度 等动载荷性能的提高，仅靠熔焊过程中熔池自身的凝固难以使焊缝性能获得根本性的提 高。 为了提高接头性能，考虑在上述焊接接头性能差的金属材料焊接过程中向熔池添加 增强相，以在焊缝中形成类似于金属基复合材料的组织结构，从而达到提高焊缝性能的 目的。但有关这方面研究的国内外文献尚未见报道，究其原因，主要是如何向熔池中添 加增强相粒子存在一定的难度。在复合材料的熔焊过程中，由于增强相与基体的物理性 能( 特别是熔点和密度) 相差很大，使得焊接熔池中液、固两相共存，增强相在焊缝中 的分布状态与熔池金属流动方式直接相关，伴随熔池金属流动，增强相上浮并聚集到熔 池表面使得焊缝组织发生脆化分层，大大降低接头强度。图1 8 1 6 6 5 】为s i c p l d 2 铝基复 合材料的氩弧焊焊缝显微组织，研究表明焊缝上表面s i c 增强相粒子发生了明显的上浮 聚集，极易引起焊缝中心结晶裂纹。 镁合金活性激光焊及颗粒增强活性电弧焊研究 图1 7 未涂敷活性剂以及涂敷氧化物活性剂后焊缝的金相微观组织 a 无活性剂b m g o 活性剂c c a o 活性剂d t i 0 2 活性剂p m n 0 2 活性剂f c r 2 0 3 活性剂 f i g 1 7 0 p t i c a l m a c r o s t r u c t u r e o f g t a w e l d e d m g - a z 3 1 ba l l o y w i t ha n d w i t h o x i d e f l u x e s aw i t h o u tf l u x ；bm g of l u x ；cc a o f l u x ；d t i 0 2f l u x ；em n 0 2f l u x ；c r ：0 3f l u x 1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 8s i c p l d 2 的t i g 焊焊缝中粒子的分布1 6 ，j f i g1 8p a r t i c l ed i s t r i b u t i o no f t i gw e l d i n gb e a d so fs i c p l d 2 1 5 颗粒增强材料概述 颗粒增强材料中，由于微粒子阻碍金属基体的位错运动而强化基体。由于镁合金具 有其独特的优点，自2 0 世纪8 0 年代至今，镁基复合材料已成为金属基复合材料的研究热 点之_ _ 6 6 - 6 引颗粒增强镁基复合材料与连续纤维增强、非连续( 短纤维、晶须等) 纤维 增强镁基复合材料相比，具有力学性能呈各向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉、 易近终成型、易机械加工等特点，是目前最有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基 复合材料1 根据镁基复合材料的使用性能、基体镁合金的种类和成分来选择所需的颗粒增强体 要求增强体与基体物理、化学相容性好，应尽量避免增强体与基体合金之间的有害界面 反应，并使其与基体润湿性良好，载荷承受能力强等常用的颗粒增强物的性能如表 1 2 所示。 表1 2 常用的颗粒增强物的性能 t a b1 2p r o p e r t i e so f c o