ZK系高強鎂合金的激光焊接研究.pdf

1、ZK系鎂合金不但擁有鎂基合金共有的低密度、導熱性好、電磁屏蔽性優(yōu)異、吸震能力強等特性,并且具有突出的比強度、更優(yōu)異的抗應力腐蝕開裂性能及可熱處理強化等優(yōu)點,被認為是綜合性能最為優(yōu)異的商用鎂合金體系之一。其在航空、航天及交通等領域的應用,可有效地減輕設備的自重,進而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。然而,高Zn含量的ZK系鎂合金凝固溫度區(qū)間較寬,熱裂傾向嚴重,熱輸入相對較高的傳統(tǒng)電弧焊方法難以對其進行焊接,這極大地限制了該類合金在焊接結(jié)構(gòu)中的應用。為此

2、,在深入理解Zn含量對ZK系鎂合金在焊接過程中的組織演變及熱裂機理基礎上,尋求一種更為有效的焊接方式,以此拓寬該系列合金的實際應用范圍,將具有非常重要的理論意義及工程應用價值。
　　 本文采用低熱輸入CO2激光對ZK系鎂合金進行焊接,對該合金系在激光自熔焊條件下接頭的成形性、顯微組織、力學性能及熱裂機理等方面進行了系統(tǒng)研究,并首次采用激光填帶焊技術(shù)解決了高Zn含量的ZK60鎂合金焊縫的結(jié)晶裂紋及表面成形難的問題。
　　

3、基于ZK系鎂合金的激光焊接工藝研究發(fā)現(xiàn),該合金系不宜采用冷卻速度過高或焊接速度過快的工藝參數(shù),焊接速度v=2～3m/min時,焊縫具有較高的抗結(jié)晶裂紋性能；離焦量Zf=0mm時,焊縫可獲得最大的熔深和深寬比；對于厚度為2mm的ZK系鎂合金板材,在焊接線能量應高于19J/mm條件下,方可獲得完全熔透的焊縫,其中,激光功率P=1200W、焊接速度v=3m/min時,ZK21和ZK40鎂合金自熔焊接頭的抗拉強度分別可達289MPa和315MP

4、a,分別為母材的94％和91％。
　　 母材的Zn含量和焊接工藝參數(shù)對ZK系鎂合金自熔焊接頭熔池區(qū)的凝固組織具有顯著的影響。隨著母材Zn含量的升高,熔池區(qū)邊界的結(jié)晶形態(tài)由胞狀晶、等軸晶向等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變；熔池中心的晶粒尺寸按ZK60、ZK21、ZK40的順序依次減小,其中ZK40合金的平均晶粒尺寸僅為4.81μm,其接頭的力學性能明顯優(yōu)于ZK21和ZK60；ZK21鎂合金焊縫中心柱狀晶組織的頭部呈等軸樹枝晶狀,尾部呈胞狀,其產(chǎn)生因

5、為在于凝固過程中G/R(凝固參數(shù))的升高和熔池區(qū)較低的結(jié)晶形核率,提高焊接速度可以使晶粒趨于等軸化；但在焊接ZK40鎂合金時,焊接速度的增大則會導致焊縫晶粒的結(jié)晶形態(tài)由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S樹枝晶。
　　 在激光自熔焊條件下,ZK21和ZK40具有良好的焊接性,而ZK60熱裂傾向較大,其熔池區(qū)結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的主要因為在于母材的高Zn含量引起大量低熔點Mg7Zn3共晶相沿晶界的網(wǎng)狀分布,而半熔化區(qū)液化裂紋產(chǎn)生的因為在于母材中殘余MgZn相

6、顆粒的組分液化。
　　 在軋制態(tài)ZK60鎂合金的半熔化區(qū)中發(fā)現(xiàn)了連續(xù)孔隙狀裂紋和液化空穴,其形成機理在于:在焊接加熱的過程中,半熔化區(qū)中連續(xù)分布的殘余MgZn相顆粒發(fā)生組分液化,其中尺寸較大的第二相顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐我夯⑷鄢?而尺寸較小顆粒液化使得晶界液化層變厚并成為連接熔池區(qū)和半熔化區(qū)中液化微熔池之間的通道；在冷卻過程中,半熔化區(qū)的液相先于熔池區(qū)的熔體開始凝固,當熔池區(qū)的熔體從高溫冷卻時,半熔化區(qū)仍殘留有高Zn含量的低熔點液相,

7、此時,由于熔池區(qū)熔體的體積收縮而產(chǎn)生較大的抽吸力,使得半熔化區(qū)的液相向熔池區(qū)流動；在半熔化區(qū)凝固的后期,晶界通道因胞狀晶的外延生長而堵塞,導致液相無法從熔池區(qū)回填,從而產(chǎn)生連續(xù)孔隙狀裂紋或空穴。
　　 采用激光填帶焊工藝可以成功地焊接高Zn含量的軋制態(tài)ZK60鎂合金。在此工藝中,自熔焊時易出現(xiàn)的表面裂紋和凹坑等缺陷被上移至有效接頭以外的填充帶材處,去除殘余帶材之后,可以獲得尺寸完整、無宏觀缺陷的高質(zhì)量焊接接頭。其中,ZK40填充