关于半固态触变成型镁合金光纤激光焊接性能的探索 

作者：张毅 

   半固态成型与传统液态铸造相比，成形温度低，铸造缺陷少，晶粒细，散热性好，力学性能高。镁合金焊接常用钨极氩弧焊，但由于工件极易与空气中的氧、氮反应，常造成工件烧损及焊缝夹渣等缺陷。而光纤激光焊接是采用高能量密度的激光束作为热源的焊接方法，具有焊接热输入小、速度快、焊接应力和焊接变形小、热影响区窄、焊件晶粒细小、接头性能好的特点，故激光焊接成为镁合金焊接的重要手段。

  目前关于镁合金的激光焊接主要集中在变形镁合金和砂铸镁合金方面，基于此本文主要研究汽车用触变成型半固态A291D镁合金激光焊接接头的组织及性能。

1  实验材料及实验方法

实验材料采用半固态触变注射成型的A291D镁合金电脑外壳板，其化学成分如表1所示。

  将触变成型的镁合金加工成100 mm×30 mm×1.8 mm的试样，利用RC-YLS-2000光纤激光器进行单激光焊接，保护气体采用纯度为99. 99%的氩气，氩气流量为16 L／min，焊接中采用侧向氩气保护，离焦量为-1 mm。焊接功率为800 W，焊接速度为4.5m／min。硬度实验在HB-3000型布氏硬度试验机上进行，采用CMT5205型电子万能拉力试验机进行抗拉强度测试（拉伸速度为20 mm／min）；断口分析在配有牛津能谱仪的JSM-5500LV扫描电镜上进行，相分析在D/MAX 2000/PC型X射线扫描仪上进行。

2  实验结果的分析与讨论

2.1  宏观形貌分析

图1为A291D镁合金的焊缝宏观形貌。由图1(a)可见，焊缝正面成形性较好，焊缝均匀，无明显可见焊接缺陷，这是由于激光能量大而且集中。由图1(b)可见焊缝反面有凹坑及少量的飞边，这是由于焊接过程中激光器没有背保护所致。

2.2金相分析

X射线衍射分析，采用CuKal射线扫描，加速电压为40 kV，电流为40 mA，扫描范围为20。～80。，扫描速度为5。/min。A291D镁合金的X射线衍射图如图2所示，触变成型镁合金主要由镁固溶体a-Mg和金属间化合物B-Al12 Mg17组成。

2.3微观组织分析

图3为A291D镁合金显微组织图。由图3(a)可见，原始母材晶粒大小均匀，无气孔裂纹，其组织为黑色初生a-Mg基体及其上分布着的不连续不规则的白色B(B-Al12 Mg17)相。由于触变注射成型过程中，镁合金自进入料筒到成型经历的时间短，切屑来不及完全熔化，因而组织中存在固相。由于半固态加工温度低，液相凝固组织细小，由打碎的枝晶组成的固相颗粒尺寸相当细小，因而显微组织中较大固相颗粒均为未完全熔化的镁合金切屑。部分固相内部还存在着形态不一的液相，这是由于在半固态触变成型过程中，固相在被破碎过程中，部分液相被卷入固相颗粒内部，并在随后的凝固过程中形成正常的凝固组织。

  图3(b)为焊缝组织，晶粒细小均匀，这是由于镁合金导热率大，冷却速度快，促进了焊缝晶粒的细化。图中黑色圆点为氢气孔，氢气主要来源于空气及保护气中水的分解，气孔的形成是由于在氢气逸出过程中受到阻碍所致。镁合金凝固过程中，过冷度大，晶核的生长方式为树枝状生长，在主干形成的同时二次晶、三次晶彼此交叉生长，阻碍氢气从熔池中溢出，这样便形成了气孔。图3(c)为焊接接头，可见过渡区较窄，两侧晶粒大小有差异，接头处存在气孔及微裂纹。由于激光能量密度大，焊接时所需的热输入小，因而热影响区不明显，基本上是从焊缝区直接过渡到母材区。分析Al-Mg合金二元相图，随着AI的含量增加，液相线与固相线之间温度范围增加，即两相区增大，这样会导致结晶析出较多的p固溶体。而B固溶体的熔点大约在4500C左右，这样在接头部分易形成熔化区。A291D镁合金Al的含量较高，这样在接头B相含量较多的位置，在焊接残余应力的作用下，比较容易形成早期的显微裂纹，因而从图3(c)接头照片中会发现焊接缺陷。由图3(d)可见焊后母材没有发生变化，都是由a-Mg和B-All2 Mg17组成的。

2.4  力学性能分析

A291D镁合金焊接接头硬度曲线如图4所示。从母材到焊缝区硬度值明显增高，但是在热影响区硬度值有所降低。虽然母材与焊缝化学成分相同，但是激光焊接能量集中，焊后冷却速度快，造成焊缝区晶粒较母材细小，因而硬度值较母材高。而热影响区由于热输入量大，从而导致晶粒粗化，所以硬度值较焊缝区低。

表2为A291D镁合金母材和焊接接头的力学性能。由表2可见，焊后接头的抗拉强度及延伸率都较母材低，这是因为在焊接过程中，由于热的输入，使得热影响区产生过热现象，从而导致了热影响区的晶粒粗化，使得接头性能降低。由于Al的含量较多，接头处存在显微裂纹，同时焊缝区的裂纹通常沿粗化的a-Mg晶界扩展，这些原因都导致接头力学性能下降。

2.5  微观断口分析

焊接接头的断口形貌如图5所示，呈现沿晶的断口形貌，其中还有一小部分是韧窝状的韧性断口，说明断口以脆性为主，同时伴随着韧脆混合断口。根据焊接接头拉伸实验，断裂处发生在热影响区。热影响区的热输入大，晶粒粗大，同时存在早期的显微裂纹，在应力的作用下，裂纹沿晶界扩展，导致焊件最后在热影响区发生沿晶的脆性断裂，而越靠近焊缝，晶粒变得越细小，断口又呈现出韧性断口特征。

3结论

  (1)光纤激光焊接半固态A291D镁合金的焊缝成型比较好，焊缝狭窄，焊缝为细小的等轴晶，组织为a—Mg及不连续分布于其周围的B-A112Mg17。

  (2)焊缝的硬度比母材的高，而热影响区的硬度比母材低，焊接接头的抗拉强度比母材的低，大约为母材强度的87. 8%，而接头延伸率约为母材的66. 7%，断裂主要发生在热影响区的近缝区。

(3)焊缝中存在氢气孔及少量的显微裂纹，断口以沿晶的脆性断口为主，有少量的韧窝状的韧性断口。

4摘要：对半固态触变注射成型的A291D镁合金进行激光焊接，焊接功率为800 W，焊接速度为4.5 m／min，并对接头的显微组织和力学性能进行分析。结果表明：在给定的实验参数下，接头热影响区晶粒粗大，同时有熔化现象，焊缝狭窄，接头成形好，焊缝区晶粒细小，组织为a—Mg和B-Al12Mg17；断口为韧窝断口与沿晶断口的混合，焊缝中存在气孔及微裂纹，硬度沿着熔深方向变大；接头的抗拉强度和延伸率均低于母材。