沈言锦 刘海渔 李雪丰 陈学永
（1．湖南汽车工程职业学院；
2．湖南大学材料科学与工程学院；
3．江西昌河铃木汽车有限责任公司；
4.中建五局第三建设有限公司）
摘要 采用激光焊接方法对AZ31镁合金薄板进行焊接，借助金相显微镜、布氏硬度计、拉伸试验机等手段研究超声波功率对焊接接头组织与性能的影响。同时利用图像分析软件Image-Pro Plus测量焊缝平均晶粒尺寸。结果表明，超声波功率对接头组织与性能影响明显。随着超声波功率的增加，空化效应以及声流作用越来越明显，平均晶粒尺寸由54 ym减小到24 ym，接头宏观硬度与抗拉强度均呈先增加后减小的变化。其中当超声波功率增加至1200 W时，平均晶粒尺寸最小，其最小值仅为24 Um，而宏观硬度(HB)与抗拉强度均达到最大值，分别为56和286. 54 MPa。
关键词 镁合金；超声波功率；激光焊接；晶粒细化
随着汽车工业的高速发展，汽车轻量化是解决油耗、环保的有效途径之一。由于镁合金具有密度小、比强度高、加工性好以及优异的抗震性和耐腐蚀性，镁合金结构件将被广泛应用于生产汽车车架、发动机气缸体、曲轴箱等零部件。因此，采用激光焊接镁合金制造汽车零部件已成为汽车轻量化领域的研究热点与焦点。然而，激光能量密度极高，单位时间单位面积热输入非常大，容易导致焊接接头晶粒粗大，使焊接接头性能恶化，从而导致与母材的匹配性下降，阻碍镁合金在汽车行业中的应用。
超声波具有独特的声学效应和空化作用，在液态金属熔池凝固过程中引入超声波可以使焊接接头由粗大的组织转变为均匀细小的组织。此外，超声波处理还可有效消除焊接接头中的气孔和夹杂等焊接缺陷。因此，本课题在激光焊接AZ31镁合金薄板的过程中引入超声波处理，并着重研究分析超声波功率对AZ31镁合金焊接接头组织与性能的影响。
1 试验方法
1.1试样制备
试验材料选用尺寸为400 mm×100 mm×2.5 mm的AZ31镁合金板材，其化学成分见表1。用砂纸打磨镁合金表面以去除油污与氧化膜，待露出金属光泽后用丙酮清洗干净。为防止板材变形，在焊接前将板材两端固定。
采用C02激光器对AZ31镁合金板材进行激光焊接，焊接工艺参数：激光功率为1 800 W，焊接速度为700 mm／min，Ar气流量为15 L／min。由于焊接熔池体积小，故通过基体引入超声波（频率20 kHz），调节超声波的功率以制备试样，见表2。
1-2 组织和性能分析
用线切割机沿垂直于试样表面方向切开，制备尺寸为15 mm×15 mm×2.5 mm的金相试样，选用5 mL冰醋酸+100 mL蒸馏水+5 g苦味酸混合液对试样进行腐蚀。采用奥林巴斯GX51金相显微镜观察焊缝显微组织，其中焊缝组织晶粒大小采用Image-Pro Plus软件进行测算。
硬度用HB-3000B型布氏硬度计进行测定，载荷为980 N，加载时间为30 s，每个试样的硬度值取6次的平均值。采用电火花切割机在焊缝垂直方向切取拉伸试样，拉伸试样形状见图1。用SANS CMT5105型微机控制电子式万能材料试验机进行拉伸试验(速率为2mm／min)。
2 结果与讨论
2.1 AZ31镁合金接头的显微组织分析
图2为不同超声波功率的AZ31镁合金的焊接接显微组织。从图2a中可以看出，无超声时，晶粒粗大，形状各异，且在晶粒内存在大量的析出相pM 9i，Al12，采用Image-Pro Plus软件测算，其平均晶粒尺寸为54um左右。从图2b可以看出，大部分晶粒都较粗大。此外，其晶内的析出相p-Mg17Al12含量降低。经测算，其平均晶粒尺寸为46tlm左右，相对1号试样，晶粒尺寸减小了14. 8%左右。这表明当超声波功率达到300W时，超声波的空化作用与声流作用对熔池内金属的晶粒起到了细化作用，但由于超声波功率过小，焊缝显微组织细化不明显。从图2c和图2d可以看出，焊缝区内大颗粒晶粒数量减少，细颗粒晶粒数量增多。经测算可知，平均晶粒尺寸下降到35 pm左右。与1号试样相比，晶粒尺寸减小了35. 2%左右。当超声波功率继续增加到1 200 W时，平均晶粒尺寸减小至24 Um左右。此时晶粒尺寸达到最小，各晶粒形状和大小基本趋于一致，基本以等轴晶的形式存在，焊缝性能达到最佳状态，见图2e。随着超声波功率继续增加到1500 W时，经测算，平均晶粒大小为25 um左右，相对于5号试样，焊缝显微组织反而有所粗化，见图2f。这表明在高功率超声波作用下，超声波的热效应明显，熔池温度升高，组织粗化。
当超声波从基体引入液态熔池中时，会在焊接熔池中产生空化效应和声流效应。而镁合金晶粒的细化主要取决于超声波的空化效应和声流效应。
(1)空化效应 一方面，空化泡的长大需吸收大量的热量，使得空化泡周围存在一个低温区，从而形成局部瞬间的成分过冷区，在成分过冷区内生成大量的形核质点，提高液态金属的形核率，从而在一定程度上细化晶粒；另一方面，在超声波的正相作用下，长大的空化泡瞬间塌陷和爆破，在液态熔池中产生冲击波，将熔池中粗大晶粒打碎形成数量更多的细小固态形核质点，这大大提高了液态熔池非均匀形核几率。根据晶粒生长理论，晶粒度取决于形核率与晶粒生长速度的比值，该比值越大，则所生成的晶粒越细。此外，吸附在镁合金熔体表面的气体和杂质在冲击波作用下脱离镁合金熔体，对其表面起到了净化作用，从而改善了固相颗粒与熔体之间的润湿性，这也在一定程度上细化了晶粒。
(2)声流效应 超声波与液态熔池在相互作用的过程中，会产生一定的声压梯度，从而造成液态金属形成对流，从而使得空化效应形成的细小晶核均匀分布在焊接熔池中，最终获得分布均匀的细小晶粒。此外，高速对流可对粗大的晶粒产生冲击作用，粗大晶粒在冲击作用下瓦解，形成众多细小晶粒，为非均匀形核提供形核质点，提高非均匀形核几率，从而促进晶粒细化。
超声波在液态熔池传播过程中，液态金属不断吸收超声波振动能量，从而使得液态金属自身热量增加。当超声波功率增加到1 500 W时，超声波的热效应增大，致使熔池温度升高，液态熔池冷却速度减慢，凝固时间延长，晶粒长大时间延长，致使6号试样与5号试样相比，焊接组织出现粗化现象。
2.2 力学性能分析
图3为超声波功率对镁合金焊接接头硬度的影响。可以看出，随着超声波功率的增加，镁合金焊接接头的硬度呈先增加后减小的变化。其中当无超声时，其硬度(HB)最低，只有42。当超声波功率增加至1 200 W时，硬度达到最大值56，相对1号试样，5号试样的硬度提高了将近33. 3%。然而，当超声波功率继续增加至1500 W时，硬度(HB)只有53，出现下降趋势。
图4为超声波功率对镁合金焊接接头抗拉强度的影响。可以看出，随着超声功率的增加，抗拉强度先增加后减小。当无超声波时，抗拉强度仅为218. 86 MPa，而当超声波功率为1 200 W时，抗拉强度高达286. 54MPa，提高了近30. 9%。超声波处理可明显改善镁合金激光焊接接头的抗拉强度。
图5为5号试样的拉伸断口显微形貌。可以看出，在断裂面分布了大量的撕裂棱，在撕裂棱之间夹杂着细小的韧窝。这表明经过超声波处理后组织细化明显，焊接接头韧性增强，力学性能得到改善。
根据Hall-Petch公式，材料的强度与晶粒尺寸有密切关联。
式中，σ。为材料屈服强度；σ。为移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力；k为常数，表征晶界对强度影响的程度，与晶粒的界面结构有关；d为晶粒的平均直径。
一般而言，当晶粒越细时，晶粒边界数量也相应增加，位错在晶界处缠结与塞积造成的应力集中小，需要较大的外力方可使相邻晶粒发生变形，因而使得材料强度增大。此外，细小的晶粒在晶粒内部和晶界造成的应变相差较小，因应力集中引起的开裂倾向低，故可有效解决焊接过程中的镁合金开裂问题。随着超声波功率从0增加到1200 W时，焊接接头处的显微组织逐渐细化，所以，镁合金焊接接头的硬度与抗拉强度都随超声波功率的增加而增加。然而当超声波功率为1 500W时，在超声波的热效应作用下，熔池温度升高，冷却速度减慢，晶粒有足够的时间长大，从而使得焊缝区的晶粒粗化，焊接接头力学性能恶化，表现为硬度与抗拉强度下降。
3 结论
(1)随着超声波功率增加，空化效应与声流效应对AZ31镁合金焊接接头组织细化作用越明显。当超声波功率为1200 W时，镁合金焊接接头组织晶粒细化最明显，晶粒尺寸仅为24 um左右，相对于未施加的试样减少了55. 6%左右。
(2)随着超声波功率的增加，AZ31镁合金焊接接头的硬度和抗拉强度均呈先增加后减小的变化。其中无超声时，其硬度(HB)和抗拉强度都最小，只有42和218. 86 MPa。当超声波功率为1 200 W时，硬度与抗拉强度均达到最大值，分别为56和286. 54 MPa。
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