ZK60鎂合金光纖激光焊接工藝參數(shù)及接頭性能研究

馬龍，吳恒

ZK60鎂合金光纖激光焊接工藝參數(shù)及接頭性能研究

馬龍1，吳恒2

（1.陜西工商職業(yè)學(xué)院，西安 710119；2.西安石油大學(xué)，西安 710065）

采用光纖激光對(duì)ZK鎂合金進(jìn)行焊接，分析焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響規(guī)律。采用正交實(shí)驗(yàn)方法，在焊接過(guò)程中對(duì)焊接主要的工藝參數(shù)比如：激光的功率，焊接的速度，離焦量進(jìn)行三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，采用拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，得到抗拉強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)組合。對(duì)焊縫微觀組織及斷口形貌進(jìn)行分析。當(dāng)激光功率為1 400 W、焊接速度為40 mm/s、離焦量為3 mm時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高的308 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的95%。在合適的工藝條件下，光纖激光焊接過(guò)程中，如果熱輸入較低，焊接速度過(guò)快，導(dǎo)致熔池冷卻速度非?？欤瑫r(shí)細(xì)化了晶粒，提高焊縫接頭的綜合力學(xué)性能。

ZK60鎂合金；光纖激光焊接；抗拉強(qiáng)度；微觀組織

ZK60鎂合金為Mg-Zn-Zr系合金,具有密度低、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽性?xún)?yōu)異、吸震能力強(qiáng)等特性[1-4]。ZK60鎂合金的比屈服強(qiáng)度大約是Q275低碳鋼的5.4倍，在制造輕量化、高強(qiáng)度的航空零部件方面有明顯優(yōu)勢(shì)，目前ZK60鎂合金已用于飛機(jī)輪轂和齒輪箱等部件[5-9]。

對(duì)于幅面較大的鎂合金常采用摩擦攪拌焊接工藝制備，這種加工方法工藝較復(fù)雜，且加工成本高；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金，常采用模具加工制作的方式[5-7]，這種加工方法加工周期長(zhǎng)，不能滿足大批量生產(chǎn)。采用焊接工藝方法實(shí)現(xiàn)大幅面及復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金加工，具有加工方法較簡(jiǎn)單，加工成本低，加工周期短，適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[10-14]。但由于ZK60鎂合金材料中的Zn元素含量高，傳統(tǒng)的電弧焊工藝或者氬弧焊接工藝由于焊接熱輸入大，容易引起凝固組織粗化而導(dǎo)致產(chǎn)生大量的結(jié)晶裂紋，降低焊接接頭的綜合的力學(xué)性能[15-19]。激光焊接熱量輸入少，效率高，焊縫深寬比大，在不銹鋼材料，比如鋁及鋁合金材料在焊接領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用[20-28]。對(duì)于ZK60鎂合金激光焊接，目前國(guó)內(nèi)外的研究較少，僅有高杰等[29]采用光纖激光對(duì)ZK60鎂合金焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，但未對(duì)焊縫接頭力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。陳瓶等[30]采用CO2激光直接對(duì)ZK60鎂合金進(jìn)行焊接研究，抗拉強(qiáng)度為母材的91%，未對(duì)焊縫微觀組織進(jìn)行系統(tǒng)研究。

文中采用光纖激光器對(duì)ZK60鎂合金進(jìn)行焊接，研究分析焊接過(guò)程中，主要的工藝參數(shù)對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度以及微觀組織產(chǎn)生的后果，為后續(xù)的研究、生產(chǎn)等方面奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的ZK60鎂合金尺寸為100 mm× 30 mm×2 mm。其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)前采用砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨，去除表面氧化物，然后用丙酮去除油污等雜質(zhì),表面處理完畢后備用。將ZK60鎂合金板材進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊接方式為拼接焊接。接焊時(shí)采用氬氣對(duì)焊縫正反面進(jìn)行雙面保護(hù)，不填充焊絲，單面焊接雙面成型（材料正面反面均有明顯的焊縫）。將焊縫接頭采用線切割機(jī)進(jìn)行垂直切割，將樣品鑲嵌，用水砂紙按800、1000、1500、2000目逐級(jí)打磨，然后用金剛石拋光膏進(jìn)行拋光處理，采用腐蝕劑對(duì)焊縫處理5 s，腐蝕劑為苦味酸5 g+冰醋酸5 g+蒸餾水10 mL+無(wú)水乙醇80 mL的組合溶液。

表1 ZK60鎂合金化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of ZK60 magnesium alloy wt.%

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光焊接設(shè)備采用光纖激光器，為德國(guó)IPG公司生產(chǎn)的YLR-2000光纖激光器,主要參數(shù)為：最大功率2 kW，聚焦鏡焦距200 mm，聚焦光斑直徑0.2 mm，相比于CO2激光器，光纖激光器的能量非常集中。采用自制夾具將材料夾緊，防止焊接時(shí)發(fā)生變形。利用金相顯微鏡對(duì)焊縫微觀組織進(jìn)行觀察和分析。采用電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 激光工藝實(shí)驗(yàn)及抗拉強(qiáng)度結(jié)果

通過(guò)大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)激光功率小于1 000 W時(shí)，由于激光功率較低，焊縫熔深較小，焊縫抗拉強(qiáng)度比較小，低于100 MPa；當(dāng)激光功率大于2 000 W時(shí)，由于功率較大，部分元素氣化，焊縫表面飛濺物較多。當(dāng)焊接速度小于30 mm/s時(shí)，由于熱輸入較大，導(dǎo)致材料多熱、熱影響區(qū)過(guò)大情況，焊縫有明顯的凹凸不平現(xiàn)象；當(dāng)焊接速度大于70 mm/s時(shí)，由于焊縫熔深較淺，焊縫抗拉強(qiáng)度低于100 MPa。當(dāng)離焦量過(guò)小時(shí)，由于接觸面積較小，容易導(dǎo)致部分材料氣化，在焊縫表面表面留下凹坑；隨著離焦量的增加，功率密度逐漸降低，材料氣化現(xiàn)象減少，當(dāng)離焦量大于5 mm時(shí)，焊縫的熔深較小，焊縫抗拉強(qiáng)度低于100 MPa。為了達(dá)到焊縫抗拉強(qiáng)度最大的目的，完成激光功率，焊接速度，離焦量這3個(gè)因素的正交實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)每個(gè)因素取三水平參數(shù)，如表2所示。

表2 因素水平

Tab.2 Factor level

對(duì)激光功率，焊接速度，離焦量這3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，共9組實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊縫進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，每組實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試3個(gè)試樣，取抗拉強(qiáng)度的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，根據(jù)實(shí)際工作的需求，可以選擇最佳的工藝參數(shù)，從而達(dá)到理想的抗拉強(qiáng)度。對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，若表示極差（焊縫抗拉強(qiáng)度總和的最大值與最小值之間的差值），則極差值越大，說(shuō)明該因素對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的影響程度越大，通過(guò)極差分析得知：離焦量對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度影響最大，激光功率次之，焊接速度影響最小。

2.2 焊縫外觀形貌分析

從極差分析結(jié)果得出結(jié)論，離焦量是影響焊縫抗拉強(qiáng)度最主要的工藝參數(shù)，因?yàn)殡x焦量越大，激光與材料的接觸面積越大，激光作用在材料表面的功率密度越?。üβ拭芏?激光功率/激光與材料的接觸面積）；反之，離焦量越小，激光作用在材料表面的功率密度越大。選取實(shí)驗(yàn)編號(hào)4、5、6的焊縫外觀進(jìn)行對(duì)比分析。圖1a為光纖激光焊接第4號(hào)試樣焊縫的下表面宏觀圖，表明焊縫已經(jīng)被焊透，焊縫表面均較為平整，無(wú)明顯凹坑或者凸起出現(xiàn)，這是因?yàn)殡x焦量為3 mm，激光作用在材料上的功率密度較為合適，可以得到焊縫焊透且表面平整的焊縫。圖1b為第5號(hào)試樣的焊縫下表面宏觀圖，焊縫較窄，有不連續(xù)的情況發(fā)生，表明焊縫未被焊透，這是因?yàn)樽饔迷诓牧仙系墓β拭芏容^低，不足以完成熔化材料，使得焊縫的熔深較淺。圖1c為第6號(hào)試樣的焊縫下表面宏觀圖，焊縫有明顯的凹坑缺陷，這可能是離焦量較小，導(dǎo)致材料氣化，留下凹坑，這是因?yàn)榧す庾饔迷诓牧仙系臒崃窟^(guò)高，使材料氣化，從而產(chǎn)生材料飛濺。圖1d為第4號(hào)試樣焊縫橫截面圖，焊縫深寬比較大，焊縫內(nèi)部無(wú)明顯氣孔，裂紋等缺陷存在，焊縫抗拉強(qiáng)度較大。圖1e為第5號(hào)試樣焊縫橫截面圖，焊縫未被完全焊透，這種情況下，焊縫抗拉強(qiáng)度較低。圖1f為第6號(hào)試樣焊縫橫截面圖，焊縫被完全焊透，但是焊縫上、下表面均有明顯的缺口存在，這種材料的缺失會(huì)急劇降低焊縫抗拉強(qiáng)度。

表3 工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

Tab.3 Analysis of orthogonal experiment and result

圖1 焊縫外觀及截面圖

2.3 焊縫拉伸曲線及腐蝕性能分析

保持激光功率1 400 W、焊接速度50 mm/s不變，離焦量分別為3、4、2 mm，試樣的室溫抗拉強(qiáng)度和延伸分布如圖2所示，其中激光功率1 400 W，焊接速度50 mm/s，離焦量為3 mm的室溫抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最高，這是因?yàn)樵诖藚?shù)條件下，焊縫剛好被焊透，內(nèi)部非常均勻，無(wú)明顯缺陷產(chǎn)生，變現(xiàn)出良好的力學(xué)性能；離焦量為4 mm的室溫抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所降低，這是因?yàn)殡S著離焦量的增加，作用在焊縫表面的功率密度降低，焊縫上下寬度不均勻，表現(xiàn)出上面寬，而下面窄，在拉伸過(guò)程中，下面部分先斷開(kāi)，然后整個(gè)焊縫斷開(kāi)，使得焊縫的力學(xué)性能下降；離焦量為2 mm的室溫抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最低，這是因?yàn)殡x焦量最低，作用在材料表面的光斑直徑小，使得焊縫上下表面的寬度均較窄，且不夠均勻，在拉伸過(guò)程中，焊縫某處先斷裂后，整個(gè)焊縫隨之?dāng)嗔?，表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能。

圖2b為激光功率1 400 W，焊接速度50 mm/s，離焦量從2 mm變化到4 mm的試樣焊接接頭的電化學(xué)極化曲線，自腐蝕電流密度與腐蝕性能成反比。與可以看出，ZK60鎂合金母材的耐腐蝕性能較高，由圖可知，離焦量為3 mm時(shí)，焊接接頭的耐腐蝕性能與ZK60母材相比，差別不大，表現(xiàn)出最佳的腐蝕性能，這是因?yàn)檫@是ZK60鎂合金焊接接頭的晶粒尺寸與母材的晶粒尺寸差別不大，且組織比較均勻，有利于保持良好的腐蝕性能；當(dāng)離焦量為4 mm時(shí)，焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能與母材相比有明顯下降，這是因?yàn)殡x焦量增加，激光作用的范圍加大，熔池溫度的降低速度被降低，晶粒生長(zhǎng)的時(shí)間加長(zhǎng)，使得晶粒尺寸加大，當(dāng)焊接接頭的組織與母材組織相差較大時(shí)，表現(xiàn)出較差的腐蝕性能；當(dāng)離焦量為2 mm時(shí)，焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能最低，這是因?yàn)殡x焦量降低，激光作用的范圍減小，熔池溫度快速降低，晶粒生長(zhǎng)的時(shí)間變短，使得晶粒尺寸相對(duì)較小，與母材組的尺寸織相差較大，表現(xiàn)出較差的腐蝕性能。

2.4 焊縫微觀組織分析

圖3為4號(hào)試樣焊接接頭中各區(qū)域的顯微組織形貌。圖3a為ZK60鎂合金母材組織，晶粒組織為細(xì)小的等軸晶為主，晶粒大小及分布均相對(duì)均勻。圖3b為熱影響區(qū)，從焊縫熔合邊界到焊縫中心區(qū)域方向，焊縫晶粒形態(tài)逐漸由胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?，再轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，這是因?yàn)楹缚p熔合邊界到焊縫中心方向的溫度梯度逐漸減小，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)速度逐漸較小。胞狀晶和柱狀晶區(qū)的范圍較小，幾乎只在熔合邊界出現(xiàn)，而焊縫中心區(qū)域大部分為等軸晶。圖3c為焊縫中心的組織，為等軸晶，晶粒細(xì)小而且非常均勻，這是因?yàn)楣饫w激光焊接過(guò)程中熱輸入較低，焊接速度快，熔池冷卻速度快，使晶粒得到了細(xì)化。

圖2 焊接接頭性能測(cè)試

圖3 試樣4的微觀組織

2.5 試樣斷口形貌分析

在拉力測(cè)試后，實(shí)驗(yàn)編號(hào)4的試件，產(chǎn)生的斷裂在焊縫中心區(qū)域，斷口低倍放大圖如圖4a所示，表現(xiàn)出無(wú)明顯的氣孔等缺陷的特征，且晶粒細(xì)小而致密。斷口的高倍放大圖如圖4b所示，可以觀察到斷面存在較多韌窩，而且韌窩的深度較深，表現(xiàn)出韌性斷裂特征，也有部分區(qū)域呈現(xiàn)脆性斷裂，但以韌性斷裂為主導(dǎo)，以沿晶斷裂為主。本次實(shí)驗(yàn)采用熱量集中性好的光纖激光器，功率高，焊接速度快，可以極大的減小熱影響區(qū)尺寸，抑制其晶粒長(zhǎng)大，這樣可以很好的減小熱影響區(qū)的晶粒大小與寬度，以細(xì)化晶粒來(lái)提高焊縫接頭的綜合力學(xué)性能。

圖4 試樣斷口形貌

3 結(jié)論

采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)ZK60鎂合金進(jìn)行激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果顯示，極差分析結(jié)果也表明：離焦量是影響焊縫抗拉強(qiáng)度最主要的工藝參數(shù)，激光功率次之，焊接速度影響最小。

采用能量集中性好的光纖激光器，功率高，焊接速度快，可以極大的減小熱影響區(qū)尺寸，抑制其晶粒長(zhǎng)大，這樣可以很好的減小熱影響區(qū)的晶粒大小與寬度，以細(xì)化晶粒來(lái)提高焊縫接頭的綜合力學(xué)性能。

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Technology and Joint Performance Research of Fiber Laser Welded ZK60 Magnesium Alloy

MA Long1, WU Heng2

(1. Shaanxi Business College, Xi'an 710119, China; 2. Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)

ZK60 magnesium alloy was welded by fiber laser, and the influence of welding parameters on the properties of welded joints was analyzed. The orthogonal experiment method with laser power, welding speed and defocus amount was carried out. The tensile strength of the welded joints was tested by tensile test machine, and the maximum tensile strength was obtained. The microstructure and fracture morphology of weld were analyzed. When the laser power was 1 400W, the welding speed was 40 mm/s, and the defocus was 3 mm, the tensile strength of the weld reached to the highest of 308 MPa, which was 95% of the tensile strength of the base metal. Under the suitable process conditions, the heat input of fiber laser welding was low, the welding speed was fast, the cooling rate of molten pool was fast, the grain was refined, and the comprehensive mechanical properties of weld joints had been improved.

ZK60 magnesium alloy; fiber laser welding; tensile strength; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.016

TG456.7

A

1674-6457(2022)10-0113-07

2021-08-25

2019年陜西省職教學(xué)會(huì)研究課題（GJ1918）

馬龍（1979—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧虾附庸に嚒?/p>