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,其化学成分见表1。焊前实验板材用砂纸打磨,后经乙醇冲洗干净备用。

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。

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。焊接的搭接方式如图1所示。

图 1. 搭接示意图

Fig. 1. Schematic of lap construction

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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。实验采用L9三水平三因素的正交表,共进行9次实验。

正交实验方案及结果见表3,其中R为极差,极差数值越大,表明此因素影响越大。由表3可以看出,离焦量的极差最大,焊接速度的极差最小,说明当激光单点能量相同时,离焦量对焊缝成形的影响最大,其次是频率,焊接速度的影响最小。当焊接频率为8 Hz,焊接速度为1.8 mm·s^-1,离焦量为-2 mm时,焊缝成形良好。

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,得到的焊缝截面如图2所示。可以看到,优化工艺参数下焊接得到的焊缝熔透,焊接接头上表面略有凹陷且分层明显,焊缝中无明显缺陷。焊接时AZ31镁合金放在上面,由于镁的熔点很低,因此,在焊接过程中材料发生烧损而导致焊缝表面下凹。

图 2. 焊接接头的宏观形貌

Fig. 2. Macro-morphology of welded joints

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激光焊接接头的显微组织如图3所示,其中WB表示焊缝。由图3(a)可以看出,接头熔合线附近存在大量的柱状晶。熔池结晶过程以非自发形核为主,在熔合线附近,母材(BM)受热后加热到半熔化状态;此时,焊缝非自发形核依附在母材的晶粒表面,以柱状晶的形态向焊缝中心生长。在焊缝区域,凝固速度大,温度梯度小,有大量的等轴晶产生。从图3(b)可以看出,典型焊缝组织由大量的等轴晶组成。

焊接接头的SEM形貌和元素分布如图4所示。可以看到,镁元素均匀分布于整个熔池中,无明显的富集带和层状分布组织。在激光的冲击下,焊缝上部的镁元素熔化后向整个熔池下部分散。熔池下部的铝元素偏多,上部则偏少。钛元素在熔池中、下部呈颗粒状密集分布,其余的钛元素分散在熔池中。

焊缝的X射线衍射(XRD)图谱如图5所示。可以看出,焊缝中主要有Mg₁₇Al₁₂、AlMg、Al₃Ti等金属间化合物。通过Al-Mg二元合金相图可知,在450 ℃左右,焊缝中有大量的Mg₁₇Al₁₂等金属间化合物,验证了实验结论的准确性。

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

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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

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图 5. 焊缝的XRD图谱

Fig. 5. XRD patterns of welds

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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图6所示。可以看到,不同试样的极化曲线都遵循塔菲尔分布规律。自腐蚀电位由大到小的排序分别为TiB₂增强铝基复合材料、焊缝组织、AZ31镁合金;自腐蚀电位越大,材料的耐腐蚀性越好。通过计算得出,AZ31镁合金、TiB₂增强铝基复合材料、焊缝组织的腐蚀速率分别为11.9,1.8,4.9 mm·a^-1。因此,TiB₂增强铝基复合材料的耐腐蚀性最强,AZ31镁合金的耐腐蚀性最弱。

图 6. 焊缝与母材的极化曲线

Fig. 6. Polarization curves of welds and base metal

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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,如图7所示。比较可知,铝与钛的电负性差值比铝与镁的电负性差值小,因此,铝更容易与钛形成固溶体,这导致焊接中间层加入TiB₂之后抑制了部分AlMg化合物的生成。含钛的固溶体比含镁的固溶体的电化学活性低,因此,含钛的固溶体α-Mg相的耐蚀性强,可以提高异种金属接头中α-Mg的耐蚀性能,从而减小了焊缝的腐蚀速度。

图 7. Darken-Gurry合金设计原理示意图

Fig. 7. Design diagram of Darken-Gurry alloy

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4.3 接头显微硬度

焊接接头的显微硬度如图8所示,其中,1#试样未添加TiB₂,2#试样添加了TiB₂。可以发现,两种试样焊缝区的硬度均大于两侧母材的硬度。AZ31镁合金侧焊缝区的显微硬度为400~520 HV,添加TiB₂的试样焊缝的显微硬度为450~650 HV。TiB₂增强铝基复合材料侧焊缝区的显微硬度为400~540 HV。在AZ31镁合金一侧加入TiB₂,其焊缝显微硬度大于不加TiB₂的焊缝的。这可能是因为加入TiB₂之后,焊缝中的晶粒得到细化,焊缝硬度得到提高。在TiB₂增强铝基复合材料一侧,由于TiB₂增强铝基复合材料含有TiB₂,因此,TiB₂对组织显微硬度的影响较小。

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

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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。