李 正，吳圣川，徐道榮，王文先

（1.合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，先進材料連接與仿真中心，合肥 230009；2.太原理工大學材料科學與工程學院，太原 030024）

0 引言

鎂合金因輕質(zhì)、高強、無污染、減震性能好等綜合優(yōu)勢，在航天、軍工、高鐵、汽車、通訊等工業(yè)中的應(yīng)用前景廣泛［1］。焊接是輕金屬結(jié)構(gòu)制造的重要手段。鎂合金焊接結(jié)構(gòu)在承受交變載荷時，發(fā)現(xiàn)有近70%～90%的斷裂事故是由接頭的疲勞破壞導(dǎo)致的［2］。分析表明，疲勞斷裂多起源于接頭的焊趾部位，其表面過渡不平滑和存在的微裂紋為斷裂提供了起裂源，為無明顯塑性變形的低應(yīng)力疲勞斷裂行為。

為提高鎂合金接頭的疲勞強度和服役壽命，人們提出了多種改善工藝，如焊趾打磨、錘擊、TIG熱源熔修和超聲波處理等，并對不同工藝條件下接頭疲勞性能及作用機制進行了研究［3］。這些研究或從焊趾形貌角度尋求降低應(yīng)力集中系數(shù)，或從熱影響區(qū)組織細化角度提高其疲勞性能，效果明顯［4］；其中TIG熱源熔修能有效改善焊趾部位應(yīng)力集中，細化熱影響區(qū)晶粒從而提高疲勞性能，但有關(guān)激光熔修TIG焊鎂合金AZ31B的接頭焊趾以及對熔修后接頭疲勞性能和微觀特征方面的研究報道尚不多見。本文首先使用TIG熱源對接焊中厚板AZ31B鎂合金，然后使用CO2激光熱源熔修接頭的焊趾部位，詳細分析熔修后接頭的斷口形貌和疲勞性能變化及其微觀結(jié)構(gòu)特征。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為AZ31B變形擠壓鎂合金板材，尺寸為300 mm×90 mm×10 mm，固溶處理狀態(tài)；焊絲選擇φ1.2 mm的AZ61A，其成分見表1。板材開X型坡口后用丙酮清洗，連同焊絲一起放進烘干爐干燥，在24 h內(nèi)完成焊接。

1.2 試驗方法

采用TIG熱源雙面焊的方式進行熔焊，電流I=150 A，一級純度氬氣的流量為12 L/min，焊槍行走速率約3.5 mm/s。焊接完成后，選擇表面形貌良好的一半試板進行焊趾的激光熔修。探索得到激光熔修時表面形貌最佳時的工藝參數(shù)為：CO2激光數(shù)顯的有效功率為1.6 kW，激光行走速率約25 mm/s，氬氣流量為20 L/min。試件尺寸及熔修方式如圖1所示。

表 1 母材AZ31B及焊絲AZ61A的化學成分 /（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition of AZ31B base metal and AZ61A wire/（mass fraction/%）

圖1 試件尺寸及熔修位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of work piece and position of laser dressing

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗結(jié)果

對圖1所示的原始焊態(tài)與激光熔修后的接頭進行疲勞試驗，以對比兩者的疲勞性能。試驗在PLG-200高頻疲勞試驗機上進行，分別做8組試驗，試驗結(jié)果分別見表2和表3。

試驗結(jié)果表明：激光熔修后接頭的疲勞性能下降；但不管是原始焊態(tài)還是經(jīng)激光熔修的接頭，其斷裂位置皆起源于焊趾部位。

為定量分析接頭疲勞性能的差異，用最小二乘法擬合S-N曲線。在雙對數(shù)坐標下，橫坐標表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，而縱坐標為應(yīng)力幅，如圖2所示。圖中紅線代表原始焊態(tài)接頭的S-N曲線，藍線為激光熔修后接頭的S-N曲線。

表2 原始焊態(tài)試件疲勞試驗結(jié)果Table 2 Fatigue testing results of welded joints without laser dressing

表3 激光熔修焊趾后疲勞試驗結(jié)果Table 3 Fatigue testing results of welded joints with weld toe laser dressed

從圖2看出，紅線位于藍線的上方，說明了原始焊態(tài)接頭的疲勞強度高于激光熔修以后的接頭疲勞強度。下面將深入分析造成以上現(xiàn)象的宏微觀機理。

圖2 原始焊態(tài)和激光熔修后接頭的S-N曲線Fig.2 S-Ncurveoforiginalweldedjointsandlaserdressedweldedjoints

2.2 斷口形貌分析

圖3為焊趾熔修后的宏觀形貌，由圖3可以清楚地看出，激光重熔后因Mg元素燒損嚴重導(dǎo)致焊趾表面凸凹不平，并產(chǎn)生了不同程度的凹陷。研究表明，正是這種表面形貌的幾何不連續(xù)性使得接頭在循環(huán)應(yīng)力的作用下成為裂紋源，導(dǎo)致了鎂合金接頭疲勞壽命的下降。

圖3 焊趾熔修后的宏觀形貌Fig.3 Appearance of laser dressed work piece

原始焊態(tài)的宏觀斷口如圖4，可見，整個斷口面光滑、細膩，斷口邊緣沒有剪切“唇口”，表現(xiàn)出典型的脆性裂紋特征，也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的貝紋線。疲勞核心一般發(fā)生在試件的表面，尤其是焊趾部位。但如果材料內(nèi)部存在缺陷，如脆性夾雜物、孔洞、化學成分偏析等，裂紋也有可能在皮下或內(nèi)部發(fā)生，甚至會有幾個不同位置的疲勞核心。在圖4a所示疲勞核心的周圍，可見以疲勞核心為中心的向四周輻射的放射臺階或線痕，并延伸至試件內(nèi)部。這說明疲勞裂紋是一系列具有高度差并且向周圍擴展的宏觀平面。

焊趾激光熔修后斷口的宏觀形貌如圖4b所示?？梢钥闯觯毫鸭y從試件的下表面（即激光熔修的焊趾部位）開始擴展，而且下表面附近的起裂區(qū)有孔狀裂紋源存在。圖片的中間部位為疲勞區(qū)，該區(qū)表面光滑而且有明顯的貝紋線存在，屬于典型的疲勞斷裂特征。最上方為瞬斷區(qū)，該區(qū)具有明顯的不平滑粗糙面，可以觀察到結(jié)晶狀的斷口。圖4斷口分析表明，與原始焊態(tài)接頭的疲勞核心相比，激光熔修后接頭的疲勞核心多出現(xiàn)在表面。所不同的是，原始焊態(tài)試件往往只有一個裂紋源，而熔修后則出現(xiàn)了多個裂紋源。這是因為：激光光束直徑小，熱源密度和集中度高，其輻照在材料表面的作用域過于細小，導(dǎo)致合金元素蒸發(fā)燒損嚴重，出現(xiàn)了凹凸不平的表面，幾何不連續(xù)性增加，從而產(chǎn)生了許多潛在裂紋源。

圖4 接頭疲勞試驗后斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopical of fatigue fracture

2.3 金相組織分析

沿垂直于焊接方向在焊縫中截取試樣，經(jīng)拋光和腐蝕后在金相顯微鏡下觀察。圖5a為焊縫中心組織，由初生α-Mg等軸晶粒和彌散分布的Mg17Al12組成，沒有發(fā)現(xiàn)Mg17Al12在等軸晶的晶界析出。圖5b為靠近熔合線的熱影響區(qū)，右方是由于溫度過高在晶粒上及在晶界處有Mg17Al12析出，Mg17Al12沿晶界的連續(xù)析出嚴重影響了焊縫的力學性能。左方則因溫度較低，沒有發(fā)現(xiàn)Mg17Al12從固溶體中析出。圖5c為焊縫-激光熔修區(qū)熔合線，其中左上方為激光重熔區(qū)，右下方為焊縫組織；可見激光重熔部位沒有出現(xiàn)Mg17Al12脆晶相，與熔修區(qū)相鄰的焊縫中Mg17Al12沿焊縫的析出也大大減少；這是由于激光熱輸入很小，冷卻速度較大，Al來不及偏析而固溶在Mg基體中形成單相組織α-Mg。此外，因冷卻速度很大，還促進了重熔區(qū)金屬的細化，因此激光重熔區(qū)的晶粒細小，尺寸遠小于焊縫的等軸晶。

圖5d為HAZ中的過熱粗晶區(qū)，與圖5f中母材組織相比，發(fā)現(xiàn)該區(qū)晶粒嚴重長大，而且伴隨著細小熱影響區(qū)裂紋的出現(xiàn)。此細小裂紋是由于在焊接熱循環(huán)過程中，鄰近焊縫的母材被加熱到相變重結(jié)晶溫度以上，導(dǎo)致了低熔點共晶體（α+Mg17Al12）自母材中析出，并以液膜形式富集于α-Mg晶界，使晶間結(jié)合強度降低。此外，因鎂合金的線膨脹系數(shù)很大，在焊接熱循環(huán)作用下，體積膨脹迅速，而在冷卻階段又快速收縮，使得該區(qū)金屬承受較大的拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致在晶界處被拉開，形成細小熱影響區(qū)裂紋。這些微裂紋成為裂紋源，并在循環(huán)應(yīng)力的作用下，迅速擴展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞性能與壽命的降低。拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，斷裂通常發(fā)生在晶粒粗大的熱影響區(qū)。圖5e為激光重熔區(qū)-母材熔合線，可以看出激光重熔區(qū)晶粒尺寸明顯小于母材，一定程度上消除了焊接熱影響區(qū)帶來的晶粒粗大的影響。而且熔合線附近沒有柱狀晶的出現(xiàn)，整個過渡區(qū)都是由細小等軸晶組成，也沒有發(fā)現(xiàn)細小熱影響區(qū)裂紋的出現(xiàn)。激光熔修消除熱影響區(qū)裂紋也是通過抑制Mg17Al12的析出來實現(xiàn)的。圖5f為母材組織，可以看到母材是由均勻的等軸晶構(gòu)成。

以上分析得出激光熔修焊趾對于細化晶粒和消除熱影響區(qū)裂紋有顯著作用。從宏觀上觀察，因為激光功率過大，意外導(dǎo)致焊趾區(qū)元素的過量蒸發(fā)，造成表面不連續(xù)性增加，反而對疲勞性能有一定程度的負面貢獻。

圖5 接頭的金相組織Fig.5 Metallographic of welded joint

3 結(jié)論

1）原始焊態(tài)和熔修后的焊趾部位為接頭中最脆弱的環(huán)節(jié)，疲勞裂紋一般在此處起裂。

2）沿晶界析出的脆晶相Mg17Al12多出現(xiàn)在近熔合線的熱影響區(qū)中，在焊縫中則呈彌散分布。

3）焊趾激光熔修可細化熱影響區(qū)晶粒，對于消除熱裂紋有積極作用，有利于抑制Mg17Al12在近熔合線的熱影響區(qū)中的大量析出。

4）因光斑細小和功率密度大，采用激光熔修焊趾時Mg元素燒損嚴重，焊趾表面凸凹不平，惡化了接頭表面質(zhì)量，反而降低了原始焊態(tài)接頭的疲勞性能。

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