Ca对AZ31镁合金CO2激光焊接接头组织和性能的影响

摘要:采用添加填充材料的CO2激光焊接工艺对AZ31镁合金薄板进行焊接,研究了不同Ca含量对焊缝金属的显微组织和力学性能的影响。结果表明:当激光功率为1500W,焊接速度为3m/min时, AZ31镁合金CO2激光焊接的焊缝金属中添加一定量的Ca(不多于0.19wt%)元素,可以得到成分相对较均匀、组织细小的焊缝。当填充带材为AZC04(焊缝中Ca含量为0.19wt%)时,焊缝区晶粒相对细小,第二相细小弥散,此时焊接接头的力学性能最优,焊接效率基本上可达到100%。

关键词: CO2激光焊接;AZ31镁合金;填充金属带材;Ca

Effects of Ca addition on microstructure and mechanical properties of AZ31magnesium alloy laser welds

YAN Hong-ge, CHEN Qiong, CHEN Jihua, YU Zhao-hui, TIAN Jin, SHI Jin-lei

(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)

Abstract: The AZ31 magnesium alloy sheets were welded by CO2 laser welding with filler metal process. The effects of different amount of calcium (Ca) additions were carried out on the AZ31 laser welded joints and its effects on microstructure and mechanical properties were investigated. In the fusion zone, the grains were refined with appropriate amount of Ca addition (no more than 0.19wt%Ca) resulting in the mechanical properties of the joints improved. The optimum welds were obtained with the AZC04 filler metal strip (0.19wt%Ca contained in the fusion zone), the grains and the precipitates in the fusion zone were both refined, and the welding efficiency of the joints can be up to 100% to the base metal.

Keywords: CO2 laser welding; AZ31 magnesium alloy; Filler metal strip; Ca

镁合金由于具有密度低、比强度和比刚度高、导热性好、电磁屏蔽性佳、对振动及冲击能量的吸收性优异及可回收等优点,是目前非常重要的轻量化结构用绿色工程材料,在航空、汽车、电子、通讯等领域具有广泛的应用前景[1-2]。然而,镁合金具有密排六方结构,其室温塑性加工成形性不好,在制造一些复杂结构大尺寸零部件时的工艺难度很大[3]。如果采用焊接成形的方法将一些难以加工的结构件分解成简单易加工成形的小尺寸零部件再采用拼焊连接成复杂的结构件,则可大大降低镁合金的制造工艺难度[4]。

目前,可用于镁合金焊接的方法很多,其中激光焊接工艺由于具有焊接速度高,焊接有效热输入小,焊缝和焊接热影响区窄,焊缝组织细小以及焊接变形小等优点,可以弥补传统熔焊工艺在焊接镁合金过程中所产生的缺点,成为了镁合金焊接的优选方法之一[5]。但有研究表明,激光焊接工艺并不能细化AZ31镁合金的焊缝组织[6]。AZ31合金中合金元素含量低,导致其激光焊焊缝的晶粒组织反而粗化,进而增加接头凝固裂纹敏感性,从而降低其焊接接头的力学性能。Sanders等[7]指出,提高焊接速度可以显著降低AZ31镁合金激光焊焊缝晶粒的粗化倾向,但焊缝晶粒仍然比较粗大。根据焊接冶金学原理,对焊缝金属进行微合金化处理可以有效地细化焊缝组织,降低焊接接头的裂纹敏感性,优化焊缝组织,提高焊接接头的性能。有关研究表明,采用Ca对镁合金进行合金化,不仅可以细化合金的晶粒组织,还可以提高其耐腐蚀性[1]。到目前为止,有关Ca合金化对镁合金组织和性能影响的研究主要集中在铸造方面,而有关Ca合金化/微合金化对镁合金激光焊接接头组织和性能的影响尚未见报道。

本论文采用添加填充金属的CO2激光焊接工艺对AZ31镁合金进行焊接,其中填充金属以Ca微合金化镁合金带材而非常规焊丝的形式加入,研究了Ca含量对AZ31合金激光焊焊缝组织和性能的影响,讨论了Ca的作用机理,以便为生产实际中获得高质量的焊接接头提供理论指导。

1实验材料及工艺

本实验采用尺寸为100mm×50mm×2mm的轧制态AZ31镁合金薄板(150℃去应力退火15min)进行焊接,其焊接板材及填充带材(0.5mm厚)的化学成分如表1所示。焊前,采用丙酮去除焊接板材及填充带材上的油脂后进行真空干燥,然后分别用砂纸和钢刷去除氧化膜。为防止焊件变形,焊件两端采用夹具固定。保护气体为纯度为99.99%的高纯氩气。

焊接设备采用GS−TFL−3000W高功率横流CO2激光器。焊接形式为对焊。焊接时,将填充带材置于焊缝上方,采用夹具固定,见图1所示。通过预实验对焊接工艺参数进行优化,最终确定的焊接工艺参数为:激光功率1500W,焊接速度3m/min,焦平面0mm,上表面保护气体流量10L/min,下表面保护气体流量12L/min。

焊接接头的微观组织观察在Leitz MM-6型卧式光学显微镜和Quanta 200扫描电镜上进行,浸蚀剂为苦味酸溶液(5g苦味酸+5g冰醋酸+10ml水+100ml酒精)。根据图2截取拉伸试样并在WDW−E200型电子万能试验机上进行拉伸试验,然后在Quanta 200扫描电镜上观察拉伸断口进行观察。

2 实验结果及分析

2.1 焊缝成分分析

添加不同成分填充带材后得到的AZ31激光焊焊缝的化学分析结果如表2所示。可见,焊缝中的Ca含量随着填充带材中Ca含量的增加而增加。采用AZC1填充带材的焊缝中各元素分布如图3所示。由图可知,焊缝中各元素分布较为均匀,说明在上述工艺下通过添加填充带材的方法可以得到合金元素分布相对均匀的焊缝,并不存在宏观的成分偏析。

2.2 焊接接头微观组织

图4为AZ31镁合金母材及各焊接接头焊缝区的显微组织。可见,母材为典型的不完全退火组织,由于塑性变形作用而形成的孪晶并没有完全消失,晶粒不均匀,并且在较大的条带状组织周围往往分布着细小的再结晶组织,如图4(a)所示;比较图4(b)和(c)可知,自熔接焊(不添加填充金属)接头焊缝区和填充带材AZ31的接头焊缝区组织均由等轴树枝晶和分布在晶界及晶粒内部的细小析出相组成,组织变化并不明显。这些细小的析出相为Mg17(Al,Zn)12相[8]。与母材(平均晶粒大小约为13μm)相比,这两种焊接接头的焊缝区晶粒(平均晶粒大小约为18μm)发生粗化。A. Weisheit等[6]也研究和报道了类似的结果。当焊缝金属中加入0.09wt%Ca时,焊缝区晶粒明显细化,如图4(d)所示。这主要是与Ca的加入加剧了焊缝金属凝固时的固/液界面前沿扩散层的成分过冷,从而抑制晶粒的长大以及促进液态金属形核有关[9]。此时,由于Ca含量较低,在激光焊接的冷却速度很快的条件下,Ca来不及扩散析出,因而Ca主要以固溶原子形式存在于AZ31焊缝合金中形成过饱和固溶体,并没有形成新相。当焊缝中Ca的加入量增加到0.19wt%时,焊缝中的析出相变得细小弥散,晶粒也相对较细,如图4(e)所示。图5(a)的EDS分析表明,焊缝中的析出相中含有少量Ca。相关研究表明,当Mg-Al系合金中加入一定量的Ca时,一部分Ca会固溶到Mg17Al12相中[10]。由于Ca的加入,可能导致了Mg17Al12相的热稳定性提高,减弱了Mg17Al12相的聚集长大现象,同时,晶粒细化了,晶内组织也随着细化,使得焊缝成分更为均匀,因而析出相分布更为细小弥散。随着焊缝中Ca含量的继续增加,当Ca含量达到0.43wt%时,焊缝组织反而变得粗大,其析出相形貌也由原来的球状或短条状转变成网状分布,如图4(f)和图5(b)所示。这主要是由于合金中Ca加入量过高时会形成高熔点的含Ca相并产生团聚,从而降低Ca对组织的细化作用 [11]。

2.3 焊接接头力学性能

图6为在不同焊接条件下AZ31镁合金板材激光焊接的焊接效率。在此焊接效率定义为焊接接头的抗拉强度和母材抗拉强度之比。实验中所用母材的抗拉强度为308MPa。由图可见,添加填充金属的CO2激光焊焊接接头的焊接效率比自熔焊焊接接头的焊接效率要高。这主要是由于焊接时添加填充金属可以降低焊缝的凝固裂纹敏感性,以及减少气孔、热裂纹等缺陷,提高焊接接头的力学性能[12]。此外,AZ31镁合金激光焊接接头的焊接效率随着Ca含量的增加先提高而后下降,其中添加AZ31+ 0.4wt%Ca填充板材的焊接接头(焊缝Ca含量为0.19wt%)的焊接效率基本上可以达到100%,延伸率可以达到母材的76.7%。显微组织分析表明,在AZ31合金焊缝中加入少量的Ca可以细化焊缝晶粒,且当焊缝Ca含量为0.19wt%时,焊接接头焊缝区组织细化且第二相分布弥散,从而有利于焊接接头性能的提高;当进一步加大焊缝中Ca含量时,焊接接头的焊接效率和延伸率均下降,这与过量Ca的加入导致焊缝区晶粒粗化、析出相呈网状分布有关。这些网状连续分布的析出相割裂基体组织,对合金的力学性能产生不利影响,由此粗大的晶粒和网状分布的析出相使得接头的强度和塑性降低。

根据实验结果,AZ31镁合金激光焊接试样的断裂通常发生在焊缝区,但焊缝中Ca含量为0.19wt%的焊接试样除外,其部分试样的断裂发生在热影响区,这主要与焊缝组织均匀细小有关。图7为焊接接头拉伸断口的SEM形貌。由图可知,各焊接试样的断口呈现混合断裂特征,不仅存在韧窝和撕裂棱,也存在解理台阶。当焊缝含Ca量较大(达到0.43wt%)时,焊接接头断口的韧窝显著减少,解理台阶明显增加,与延伸率下降一致。

3 结论

(1)采用添加填充材料的CO2激光焊接工艺对AZ31镁合金薄板进行焊接时,选择合适的工艺参数,可以得到成分相对均匀、不存在明显宏观偏析的焊缝;采用Ca元素对AZ31镁合金CO2激光焊接接头进行微合金化,可以细化焊缝组织,提高焊接接头的力学性能。

(2)当焊缝中Ca含量为0.09%时,焊缝晶粒相对自熔接焊和添加填充材料为AZ31的接头焊缝而言明显细化,而析出相不存在明显的变化;当焊缝中Ca含量增加到0.19wt%时,所得到的接头焊缝组织较细小特别是析出相变得很细小弥散;当焊缝中Ca含量继续增加到0.43wt%时,焊缝区晶粒反而粗化,第二相则由颗粒或短棒状转变呈网状分布。

(3)AZ31合金激光焊接接头的焊接效率随着焊缝中Ca加入量的增加先提高而后降低;当焊缝中Ca加入量为0.19%时,焊接接头的力学性能最佳,焊接效率基本可达到100%。

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