AZ31镁合金和铝基复合材料的脉冲激光焊接 下载: 1100次
1 引言
镁合金是目前被广泛应用的金属材料之一。为了更好地利用镁合金,需要研究镁合金的各种焊接工艺及镁合金与其他材料的连接等问题。镁合金和铝基复合材料是具有优异性能的轻合金,在汽车轻量化领域具有广泛的应用。研究镁合金和铝基复合材料的连接具有重要的理论和实际意义[1-4]。隗成澄等[5]通过激光焊接获得了成形良好的异种镁合金接头。刘飞等[6-9]采用多种焊接方法获得了良好的镁和铝合金的焊接接头。李慧等[10]研究发现,分布着多种金属间化合物的焊缝近缝区是焊接接头的薄弱部位。然而,由于脆性金属间化合物的存在,镁合金和铝合金异种金属焊接接头强度小。
目前,针对镁合金和铝合金异种金属的焊接研究较多[11-14],但是关于铝基复合材料和镁合金异种金属的低功率脉冲激光焊接研究却鲜有报道。脉冲激光的焊接功率小且过程稳定,采用光纤传输的方式有利于柔性材料的制造。本文通过脉冲激光焊接技术,对AZ31镁合金和TiB2增强铝基复合材料进行了搭接焊,对接头的组织和腐蚀性能进行了分析和讨论。
2 实验材料及方法
选用AZ31镁合金和TiB2增强铝基复合材料(AMC)作为焊接实验材料,尺寸均为100 mm×50 mm×1 mm,其化学成分见
采用深圳大族激光科技股份有限公司生产的WF-300型Nd∶YAG激光器进行焊接,激光波长为1064 nm,光斑直径为0.6 mm。焊接完成后使用砂纸打磨试样,采用日本奥林巴斯株式会社生产的型号为GX51的显微镜观察试样形貌,使用日本电子株式会社生产的JSM-6460型扫描电子显微镜(SEM)进行组织观察和元素分析。以质量分数为5%的NaCl水溶液作为腐蚀液,截取焊缝纵截面为腐蚀样品;实验温度为25 ℃,以石墨作为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,试样为研究电极,饱和KCl溶液为盐桥。采用武汉科思特仪器有限公司的CS350H型电化学工作站进行合金腐蚀电化学实验,动电位扫描极化曲线测试的扫描速度为1 mV·s-1;同时,测试AZ31镁合金和TiB2增强铝基复合材料的动电位极化曲线进行对比。使用北京时代仪器有限公司生产的HV-1000型硬度计测试焊接接头的显微硬度,载荷为25 g,加载时间为10 s,分别沿着焊接接头的两侧以20 μm的间距依次测量显微硬度。
表 1. AZ31镁合金和TiB2增强铝基复合材料的化学成分(质量分数,%)
Table 1. Chemical compositions of AZ31 Mg alloy and TiB2 enhancement aluminum matrix composite (mass fraction, %)
|
3 焊接工艺参数
实验采用中心搭接的方法,将AZ31镁合金放在上面,TiB2增强铝基复合材料放在下面,中间添加TiB2颗粒。焊接的搭接方式如
当激光单点能量为36.15 J时,离焦量、焊接速度、脉冲频率与焊缝质量具有相关性,具体工艺参数见
表 2. 激光焊接工艺参数
Table 2. Process parameters of laser welding
|
正交实验方案及结果见
表 3. 正交实验方案及结果
Table 3. Scheme and results of orthogonal test
|
4 接头组织和性能
4.1 接头组织分析
采用优化工艺参数对板材进行焊接,得到的焊缝截面如
激光焊接接头的显微组织如
焊接接头的SEM形貌和元素分布如
焊缝的X射线衍射(XRD)图谱如
图 3. 焊接接头的显微组织。(a)熔合线附近;(b)典型焊缝
Fig. 3. Microstructure of welded joints. (a) Near fusion line; (b) typical welds
图 4. 焊接接头。(a) SEM形貌;(b)镁元素的分布;(c)铝元素的分布;(d)钛元素的分布
Fig. 4. Welded joints. (a) SEM images; (b) map of element Mg; (c) map of element Al; (d) map of element Ti
4.2 接头腐蚀性能
试样在质量分数为5% 的NaCl水溶液中的极化曲线如
两种元素电负性差值可表征化学亲和力的强弱,当电负性差值大于0.4时,元素之间不易形成固溶体,这即是Darken-Gurry理论。根据Darken-Gurry合金设计原理[15]可知,铝处于以镁为中心的Darken-Gurry椭圆周边上,而钛则在椭圆之内,如
4.3 接头显微硬度
焊接接头的显微硬度如
图 8. 焊接接头的显微硬度。(a) AZ31镁合金侧;(b) TiB2增强铝基复合材料侧
Fig. 8. Microhardness of welded joints. (a) Side of AZ31 Mg alloy; (b) side of TiB2 enhancement aluminum matrix composite
5 结论
利用脉冲激光器进行了AZ31镁合金和TiB2增强铝基复合材料的焊接,得到以下结论。
1) 当激光单点能量为36.15 J时,对焊缝成形影响最大的因素是离焦量,然后依次是脉冲频率和焊接速度。
2) 当离焦量为-2 mm,焊接速度为1.8 mm·s-1,脉冲频率为8 Hz时,AZ31镁合金和TiB2增强铝基复合材料焊接可以获得成形良好的焊缝。
3) 当焊接中间层添加TiB2后,熔池的流动性加强,焊缝中存在Mg17Al12、AlMg、Al3Ti等金属间化合物,TiB2的加入抑制了AlMg化合物的生成。
4) 母材和焊缝组织的耐蚀性由大到小为TiB2增强铝基复合材料、焊缝组织、AZ31镁合金。
[1] 张青来, 郑玄玄, 邵伟, 等. 激光冲击强化和时效处理对AZ80 镁合金形变孪晶及析出相的影响[J]. 中国激光, 2016, 43(1): 0106001.
[2] 石川, 雷剑波, 周圣丰, 等. 连续纤维增强金属基复合材料研究进展及其激光熔覆[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(6): 060003.
[3] 刘波, 罗开玉, 吴刘军, 等. 激光冲击强化对AM50镁合金性能和结构的影响[J]. 光学学报, 2016, 36(8): 0814003.
[4] 李亚江, 王娟, 刘强. 有色金属焊接及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.
Li YJ, WangJ, LiuQ. Welding and application of nonferrous metals[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2006.
[5] 隗成澄, 黄坚, 戴军, 等. 异种镁合金AZ31与NZ30K激光焊接接头分析[J]. 中国激光, 2011, 38(12): 1203002.
[6] 刘飞, 张兆栋, 刘黎明. TIG填锌丝对接焊接镁铝异种金属[J]. 焊接学报, 2011, 32(10): 49-52.
Liu F, Zhang Z D, Liu L M. TIG butt welding between Mg alloy and Al alloy filling with Zn wire[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2011, 32(10): 49-52.
[7] 王鹏, 宋刚, 刘黎明. 镁合金MIG焊接工艺及焊接接头组织性能分析[J]. 焊接学报, 2009, 30(12): 109-112.
Wang P, Song G, Liu L M. Welding technology and microstructure of MIG welded magnesium alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2009, 30(12): 109-112.
[8] Qi X D, Liu L M. Fusion welding of Fe-added lap joints between AZ31B magnesium alloy and 6061 aluminum alloy by hybrid laser-tungsten inert gas welding technique[J]. Materials and Design, 2012, 33: 436-443.
[9] Liu L M, Liu X J, Liu S H. Microstructure of laser-TIG hybrid welds of dissimilar Mg alloy and Al alloy with Ce as interlayer[J]. Scripta Materialia, 2016, 55(4): 383-386.
[10] 李慧, 钱鸣, 李达. 金属间化合物对AZ31B镁/6061铝异种金属激光焊接性的影响[J]. 激光杂志, 2007, 28(5): 61-63.
Li H, Qian M, Li D. The effect of intermetallic compounds on laser weldability of dissimilar metal joint between magnesium alloy AZ31B and aluminum alloy 6061[J]. Laser Journal, 2007, 28(5): 61-63.
[11] Tabasi M, Farahani M. Givi M K B, et al. Dissimilar friction stir welding of 7075 aluminum alloy to AZ31 magnesium alloy using SiC nanoparticles[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 86(1/2/3/4): 705-715.
[12] Chen Y C, Nakata K. Friction stir lap joining aluminum and magnesium alloys[J]. Scripta Materialia, 2008, 58(6): 433-436.
[13] Gao M, Mei S W, Li X Y, et al. Characterization and formation mechanism of laser-welded Mg and Al alloys using Ti interlayer[J]. Scripta Materialia, 2012, 67(2): 193-196.
[14] Guo W, You G Q, Yuan G Y, et al. Microstructure and mechanical properties of dissimilar inertia friction welding of 7A04 aluminum alloy to AZ31 magnesium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 695: 3267-3277.
[15] 余琨. 稀土变形镁合金组织性能及加工工艺研究[D]. 长沙: 中南大学, 2002.
YuK. Study on the microstructure, properties and deformation techniques of rare earth wrought magnesium alloys[D]. Changsha: Central South University, 2002.
戴军, 杨莉, 张尧成, 陈春霖. AZ31镁合金和铝基复合材料的脉冲激光焊接[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(5): 051403. Matrix Composites Aluminum, 杨莉, 张尧成, 陈春霖. Pulsed Laser Welding of AZ31 Magnesium Alloy and[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(5): 051403.