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作者：張毅 

   半固態(tài)成型與傳統(tǒng)液態(tài)鑄造相比，成形溫度低，鑄造缺陷少，晶粒細(xì)，散熱性好，力學(xué)性能高。鎂合金焊接常用鎢極氬弧焊，但由于工件極易與空氣中的氧、氮反應(yīng)，常造成工件燒損及焊縫夾渣等缺陷。而光纖激光焊接是采用高能量密度的激光束作為熱源的焊接方法，具有焊接熱輸入小、速度快、焊接應(yīng)力和焊接變形小、熱影響區(qū)窄、焊件晶粒細(xì)小、接頭性能好的特點(diǎn)，故激光焊接成為鎂合金焊接的重要手段。

  目前關(guān)于鎂合金的激光焊接主要集中在變形鎂合金和砂鑄鎂合金方面，基于此本文主要研究汽車用觸變成型半固態(tài)A291D鎂合金激光焊接接頭的組織及性能。

1  實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料采用半固態(tài)觸變注射成型的A291D鎂合金電腦外殼板，其化學(xué)成分如表1所示。

  將觸變成型的鎂合金加工成100 mm×30 mm×1.8 mm的試樣，利用RC-YLS-2000光纖激光器進(jìn)行單激光焊接，保護(hù)氣體采用純度為99. 99%的氬氣，氬氣流量為16 L／min，焊接中采用側(cè)向氬氣保護(hù)，離焦量為-1 mm。焊接功率為800 W，焊接速度為4.5m／min。硬度實(shí)驗(yàn)在HB-3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用CMT5205型電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試（拉伸速度為20 mm／min）；斷口分析在配有牛津能譜儀的JSM-5500LV掃描電鏡上進(jìn)行，相分析在D/MAX 2000/PC型X射線掃描儀上進(jìn)行。

2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

2.1  宏觀形貌分析

圖1為A291D鎂合金的焊縫宏觀形貌。由圖1(a)可見，焊縫正面成形性較好，焊縫均勻，無明顯可見焊接缺陷，這是由于激光能量大而且集中。由圖1(b)可見焊縫反面有凹坑及少量的飛邊，這是由于焊接過程中激光器沒有背保護(hù)所致。

2.2金相分析

X射線衍射分析，采用CuKal射線掃描，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為20。～80。，掃描速度為5。/min。A291D鎂合金的X射線衍射圖如圖2所示，觸變成型鎂合金主要由鎂固溶體a-Mg和金屬間化合物B-Al12 Mg17組成。

2.3微觀組織分析

圖3為A291D鎂合金顯微組織圖。由圖3(a)可見，原始母材晶粒大小均勻，無氣孔裂紋，其組織為黑色初生a-Mg基體及其上分布著的不連續(xù)不規(guī)則的白色B(B-Al12 Mg17)相。由于觸變注射成型過程中，鎂合金自進(jìn)入料筒到成型經(jīng)歷的時(shí)間短，切屑來不及完全熔化，因而組織中存在固相。由于半固態(tài)加工溫度低，液相凝固組織細(xì)小，由打碎的枝晶組成的固相顆粒尺寸相當(dāng)細(xì)小，因而顯微組織中較大固相顆粒均為未完全熔化的鎂合金切屑。部分固相內(nèi)部還存在著形態(tài)不一的液相，這是由于在半固態(tài)觸變成型過程中，固相在被破碎過程中，部分液相被卷入固相顆粒內(nèi)部，并在隨后的凝固過程中形成正常的凝固組織。

  圖3(b)為焊縫組織，晶粒細(xì)小均勻，這是由于鎂合金導(dǎo)熱率大，冷卻速度快，促進(jìn)了焊縫晶粒的細(xì)化。圖中黑色圓點(diǎn)為氫氣孔，氫氣主要來源于空氣及保護(hù)氣中水的分解，氣孔的形成是由于在氫氣逸出過程中受到阻礙所致。鎂合金凝固過程中，過冷度大，晶核的生長(zhǎng)方式為樹枝狀生長(zhǎng)，在主干形成的同時(shí)二次晶、三次晶彼此交叉生長(zhǎng)，阻礙氫氣從熔池中溢出，這樣便形成了氣孔。圖3(c)為焊接接頭，可見過渡區(qū)較窄，兩側(cè)晶粒大小有差異，接頭處存在氣孔及微裂紋。由于激光能量密度大，焊接時(shí)所需的熱輸入小，因而熱影響區(qū)不明顯，基本上是從焊縫區(qū)直接過渡到母材區(qū)。分析Al-Mg合金二元相圖，隨著AI的含量增加，液相線與固相線之間溫度范圍增加，即兩相區(qū)增大，這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶析出較多的p固溶體。而B固溶體的熔點(diǎn)大約在4500C左右，這樣在接頭部分易形成熔化區(qū)。A291D鎂合金Al的含量較高，這樣在接頭B相含量較多的位置，在焊接殘余應(yīng)力的作用下，比較容易形成早期的顯微裂紋，因而從圖3(c)接頭照片中會(huì)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。由圖3(d)可見焊后母材沒有發(fā)生變化，都是由a-Mg和B-All2 Mg17組成的。

2.4  力學(xué)性能分析

A291D鎂合金焊接接頭硬度曲線如圖4所示。從母材到焊縫區(qū)硬度值明顯增高，但是在熱影響區(qū)硬度值有所降低。雖然母材與焊縫化學(xué)成分相同，但是激光焊接能量集中，焊后冷卻速度快，造成焊縫區(qū)晶粒較母材細(xì)小，因而硬度值較母材高。而熱影響區(qū)由于熱輸入量大，從而導(dǎo)致晶粒粗化，所以硬度值較焊縫區(qū)低。

表2為A291D鎂合金母材和焊接接頭的力學(xué)性能。由表2可見，焊后接頭的抗拉強(qiáng)度及延伸率都較母材低，這是因?yàn)樵诤附舆^程中，由于熱的輸入，使得熱影響區(qū)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了熱影響區(qū)的晶粒粗化，使得接頭性能降低。由于Al的含量較多，接頭處存在顯微裂紋，同時(shí)焊縫區(qū)的裂紋通常沿粗化的a-Mg晶界擴(kuò)展，這些原因都導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降。

2.5  微觀斷口分析

焊接接頭的斷口形貌如圖5所示，呈現(xiàn)沿晶的斷口形貌，其中還有一小部分是韌窩狀的韌性斷口，說明斷口以脆性為主，同時(shí)伴隨著韌脆混合斷口。根據(jù)焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)，斷裂處發(fā)生在熱影響區(qū)。熱影響區(qū)的熱輸入大，晶粒粗大，同時(shí)存在早期的顯微裂紋，在應(yīng)力的作用下，裂紋沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致焊件最后在熱影響區(qū)發(fā)生沿晶的脆性斷裂，而越靠近焊縫，晶粒變得越細(xì)小，斷口又呈現(xiàn)出韌性斷口特征。

3結(jié)論

  (1)光纖激光焊接半固態(tài)A291D鎂合金的焊縫成型比較好，焊縫狹窄，焊縫為細(xì)小的等軸晶，組織為a—Mg及不連續(xù)分布于其周圍的B-A112Mg17。

  (2)焊縫的硬度比母材的高，而熱影響區(qū)的硬度比母材低，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度比母材的低，大約為母材強(qiáng)度的87. 8%，而接頭延伸率約為母材的66. 7%，斷裂主要發(fā)生在熱影響區(qū)的近縫區(qū)。

(3)焊縫中存在氫氣孔及少量的顯微裂紋，斷口以沿晶的脆性斷口為主，有少量的韌窩狀的韌性斷口。

4摘要：對(duì)半固態(tài)觸變注射成型的A291D鎂合金進(jìn)行激光焊接，焊接功率為800 W，焊接速度為4.5 m／min，并對(duì)接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在給定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，接頭熱影響區(qū)晶粒粗大，同時(shí)有熔化現(xiàn)象，焊縫狹窄，接頭成形好，焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，組織為a—Mg和B-Al12Mg17；斷口為韌窩斷口與沿晶斷口的混合，焊縫中存在氣孔及微裂紋，硬度沿著熔深方向變大；接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率均低于母材。