郭亞楠，陳明華，劉旭平，趙作福

（1.遼寧工業(yè)大學材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001；2.中國石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司，遼寧 錦州 121001）

0 引言

鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，在減重和節(jié)能方面具有獨特的優(yōu)勢。同時，鎂合金優(yōu)異的加工性、耐蝕性和抗震性，以及高的比強度使其在工業(yè)領域具有巨大的應用價值和廣闊的應用空間。焊接作為鎂合金加工制造過程的重要環(huán)節(jié)，直接影響鎂合金零件的可靠性。激光焊接技術作為一種新型、高效的焊接技術，已經被應用于鎂合金焊接[1]。

目前，用于鎂合金焊接主要有TΙG焊、MΙG焊和激光焊[2-3]。相對于熱輸入較大的TΙG焊和MΙG焊，激光焊具有焊接速度快、熱作用集中、熱影響區(qū)小、細化熔焊縫晶粒的特性。由于鎂合金與波長為1.06 μm的YAG激光和光纖激光的耦合效率高于波長為10.6 μm的CO2激光，因此從激光能量利用率和焊接效率角度看，YAG激光和光纖激光更具有優(yōu)勢。同時，YAG激光可以有連續(xù)波和脈沖波兩種輸出方式，尤其是脈沖波輸出方式具有更多的可調參數(shù)，有利于熱輸入和熔池震蕩作用的精確控制，因此更加適用于鎂合金薄板焊接[4]。但是，由于鎂的熔點低，熱導率高，在能量密度極高的激光焊接時，焊接接頭易出現(xiàn)過熱、結晶偏析及晶粒長大現(xiàn)象。同時，由于快速熔化凝固過程中，元素擴散不充分，導致金屬件化合物相大量生產，會嚴重削弱了焊接接頭的力學性能[5]。超聲波具有獨特的物理特性，在液態(tài)金屬熔池凝固過程中引入超聲波，其聲學效應和空化作用可以使焊接接頭組織細化[6]，促進元素擴散，并能在一定程度上消除焊接接頭中的氣孔等缺陷[7]。本文在激光焊接 AZ31B鎂合金薄板的過程中引入超聲波外場輔助，探討分析不同超聲波功率條件下，AZ31B鎂合金YAG激光對接焊接頭組織和性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料選用軋制狀態(tài)下的AZ31B鎂合金板材，尺寸60×20×0.5 mm，其化學成分見表1。采用脈沖式Nd:YAG激光器進行焊接試驗。焊接前，采用砂紙去除AZ31B鎂合金薄板待焊位置附近的氧化膜，并用丙酮擦拭，去除油脂等污染物。采用專用夾具固定焊件，保證接頭處對齊、無錯邊。焊接過程中，不用填充金屬，焊接區(qū)域正反面均采用99.99%的氬氣進行保護。固定超聲波發(fā)生器探頭的位置，使不同功率（100 W、200 W和400 W）的超聲波作用于被焊試件上，且焊接過程中隨試件移動，保證超聲波的持續(xù)作用。主要焊接參數(shù)如表2所示。

焊后，采用體式顯微鏡對焊縫表面形貌進行觀察；根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的標準進行焊接接頭的拉伸試樣制備；將焊縫截斷，取橫截面，并進行試樣鑲嵌，然后制備金相試樣用于微觀組織觀察；拋光后的試樣用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，以顯示微觀組織；采用蔡司公司Axio Avert A1金相顯微鏡對接頭進行顯微金相觀察，分析不同參數(shù)下焊接接頭微觀組織狀態(tài)的變化；采用日立公司的S-3000N型掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行形貌觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫成型

本部分實驗主要研究焊接工藝對焊縫表面成型的影響規(guī)律。單激光焊接的表面成型狀態(tài)如圖1所示。由圖可見，脈沖激光焊接的焊縫正面為均勻的魚鱗紋，脈沖重疊率約為60%。焊縫背面均勻熔透，但無魚鱗紋特征。正、反面焊縫表面均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、咬邊等缺陷。

圖1 單激光焊接焊縫表面形貌Fig.1 Weld surface of single laser welding

不同功率的超聲波輔助激光焊接焊縫成型如圖2所示。從圖2中可以看出，超聲波加入后脈沖激光作用形成的魚鱗紋依然存在，且正面成型良好、背面完全熔透。對比圖1中單激光焊接焊縫可以發(fā)現(xiàn)，超聲波加入后焊縫正面的魚鱗紋邊緣出現(xiàn)細小的波紋結構，這表明超聲在焊縫金屬凝固過程中發(fā)揮了震蕩作用。

2.2 金相組織

2.2.1 接頭的微觀結構

焊接實驗后，對單激光焊接與超聲波輔助激光焊接的焊接接頭橫截面的金相組織進行了觀察，如圖3和圖4所示。由圖3中母材的金相組織可以看出，母材為40 μm左右大小的等軸晶粒，晶粒大小均勻。

表1 AZ31B鎂合金板化學成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of AZ31B Mg alloy(wt.%)

表2 主要焊接工藝參數(shù)Table 2 Main parameters used in the experiments

圖2 超聲波輔助激光焊焊縫表面成型Fig.2 Weld surface of ultrasonic wave-assisted laser welding

圖4結果表明，激光焊接組織與母材相比發(fā)生了巨大變化，熔化區(qū)組織細密，未發(fā)現(xiàn)明顯晶界結構。同時發(fā)現(xiàn)，經過腐蝕劑侵蝕后的焊縫橫截面出現(xiàn)條帶狀區(qū)域，且區(qū)域間有明顯邊界。這是由多個激光脈沖作用于同一區(qū)域內金屬重熔次數(shù)不同導致的?？拷覆牡膮^(qū)域為一次熔化區(qū)。區(qū)域邊界則為下一個激光脈沖作用的熱影響區(qū)，區(qū)域邊界晶粒有明顯的長大現(xiàn)象。超聲波輔助激光焊接的焊接接頭的區(qū)域數(shù)量跟多，尤其是靠近母材附近。

圖3 母材微觀組織Fig.3 Microstructure of base material

2.2.2 微觀組織

圖4 焊接接頭的微觀特征Fig.4 Micro features of the welded joint

分別對圖4中位置1和位置2為母材與熔化區(qū)的交界區(qū)域，對此區(qū)域進行高倍金相組織觀察，結果如圖5所示。從圖5可以看出，單激光焊和超聲波輔助激光焊的母材與熔化區(qū)間有2～3個母材晶粒范圍的熱影響區(qū)。如圖5（a）所示，單激光焊的熔化區(qū)組織呈羽毛狀，并垂直于熔化區(qū)與母材交界線分布，其中白色部分為α-Al固溶體，而黑色相主要為Al-Mg金屬間化合物（Al3Mg2、Mg17Al12）[8]。從圖5（b）可以看出，超聲波加入后熔化區(qū)組織得到細化，大塊羽毛狀結構消失，變成細小的層片狀，且方向雜亂。

圖5 焊接接頭內不同區(qū)域的微觀組織Fig.5 Microstructures of different areas in the weld joint

對不同超聲波功率作用下的焊縫熔化區(qū)進行組織進行觀察，結果如圖6所示。從圖6中可以看出，未加入超聲波的單激光焊接熔化區(qū)主要為α-Al固溶體上均勻分布的Mg-Al化合物相，視野內晶界結構難以分辨。加入超聲波后，熔化區(qū)出現(xiàn)局部范圍內的層片結構，Mg-Al化合物相的分布呈線狀有序化分布。對比圖6（a）、（b）和（c）可以看出，隨著超聲波功率的增加，層片結構逐漸清晰。當超聲波功率為400 W時，不同取向的片層簇的邊界分明，呈現(xiàn)晶粒結構，且晶粒直徑約20 μm。但是，當超聲波功率為400 W時在熔化區(qū)晶粒交界處發(fā)現(xiàn)了微小孔洞。這可能是由于本焊接條件下超聲波功率過大，空化效應過于劇烈造成的。

圖6 不同超聲波功率下焊縫熔化區(qū)微觀組織Fig.6 Microstructures of the fusion zone under different ultrasonic powers

焊接過程中，超聲波通過母材傳導至激光脈沖形成的液態(tài)熔池，在液態(tài)金屬中產生空化效應，并形成空化泡[6]。隨著超聲能量的持續(xù)供給，空化泡逐漸長大?？栈莩叽缭龃蟮揭欢ǔ潭群蠹眲”罎?。無數(shù)空化泡的形成和破滅增加了液態(tài)金屬的形核質點數(shù)量。同時，超聲振動也可以將已經形成并開始長大的晶粒局部或整體打碎，進一步提高了液態(tài)金屬凝固時的形核效率。另外，超聲波的作用配合以激光焊接過程中液態(tài)金屬的高冷卻速度，有效抑制了熔化區(qū)晶粒的長大。

2.3 接頭抗拉強度

對不同工藝下的焊接標準試件進行拉伸測試，拉伸試驗結果如表3所示。實驗結果表明所有焊接接頭均斷裂于焊縫的熔化區(qū)。與母材力學性能相比，單激光焊接接頭的抗拉強度約為母材的65.5%。超聲波加入后，接頭的平均抗拉強度有所提高。當超聲波功率為200 W時，接頭的平均抗拉強度可達到212.1 MPa，為母材的79.9%。當超聲波功率為400 W時，接頭的平均抗拉強度開始下降，平均為母材的74.9%。超聲波加入后接頭抗拉強度的提高可能是超聲波的晶粒細化效果引起的，但是當超聲波功率過大時，熔化區(qū)出現(xiàn)的孔洞反而會降低接頭的力學性能。

拉伸測試后，用掃描電鏡對斷口進行了形貌觀察。研究發(fā)現(xiàn)，不同功率超聲波輔助激光焊接接頭的斷裂形式類似，在掃描電鏡下難以看到較大區(qū)別。因此，本論文只給出母材、單激光焊接以及200 W超聲波輔助激光焊接的接頭斷裂形貌照片，如圖7所示。從圖7（a）可以看出母材斷口主要呈河流狀花樣，同時有少部分臺階形式，斷面上有許多撕裂棱，并向內凹陷，是準解理為主的混合型斷口[9-10]。對比圖7（b）和（c）所示斷口形式主要為混合斷裂，包括韌性斷裂和準解理斷裂。超聲波輔助雖然一定程度上提高了焊接接頭的力學性能，但對斷口形式沒有影響。

表3 焊接接頭的拉伸強度Table 3 Tensile strength of the welded joints

圖7 焊接接頭的斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of the welded joints

3 結論

本文通過實驗研究了在超聲波輔助激光焊接AZ31B鎂合金薄板過程中，不同超聲波功率對焊縫表面成型、微觀組織以及力學性能的影響，主要得到以下結論：

（1）超聲波輔助脈沖YAG激光焊接AZ31B合金薄板，焊道表面成型較好，魚鱗紋均勻，反面熔透良好，無裂紋、未熔合等缺陷和氧化現(xiàn)象，無明顯熱影響區(qū)。

（2）超聲波加入后，焊縫熔化區(qū)晶粒得到細化，金屬間化合物為斷續(xù)點狀分布，超聲波功率越大焊縫晶粒越細小。超聲波功率為400 W時，熔合區(qū)組織出現(xiàn)孔洞。

（3）隨著超聲波功率的增加，接頭的抗拉強度先增加后減小。超聲波功率為200 W時，接頭平均抗拉強度最高（為212.1 MPa），可達到母材（265.6 MPa）的79.9%。超聲波的加入并未改變材料的斷裂形式，仍為以韌性斷裂為主的韌脆混合型斷裂。