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 沈言錦  劉海漁  李雪豐  陳學(xué)永

  （1．湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院；

2．湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；

3．江西昌河鈴木汽車有限責(zé)任公司；

4.中建五局第三建設(shè)有限公司）

摘要  采用激光焊接方法對AZ31鎂合金薄板進(jìn)行焊接，借助金相顯微鏡、布氏硬度計、拉伸試驗機(jī)等手段研究超聲波功率對焊接接頭組織與性能的影響。同時利用圖像分析軟件Image-Pro Plus測量焊縫平均晶粒尺寸。結(jié)果表明，超聲波功率對接頭組織與性能影響明顯。隨著超聲波功率的增加，空化效應(yīng)以及聲流作用越來越明顯，平均晶粒尺寸由54 ym減小到24 ym，接頭宏觀硬度與抗拉強(qiáng)度均呈先增加后減小的變化。其中當(dāng)超聲波功率增加至1200 W時，平均晶粒尺寸最小，其最小值僅為24 Um，而宏觀硬度(HB)與抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為56和286. 54 MPa。

關(guān)鍵詞  鎂合金；超聲波功率；激光焊接；晶粒細(xì)化

 隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化是解決油耗、環(huán)保的有效途徑之一。由于鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、加工性好以及優(yōu)異的抗震性和耐腐蝕性，鎂合金結(jié)構(gòu)件將被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)汽車車架、發(fā)動機(jī)氣缸體、曲軸箱等零部件。因此，采用激光焊接鎂合金制造汽車零部件已成為汽車輕量化領(lǐng)域的研究熱點與焦點。然而，激光能量密度極高，單位時間單位面積熱輸入非常大，容易導(dǎo)致焊接接頭晶粒粗大，使焊接接頭性能惡化，從而導(dǎo)致與母材的匹配性下降，阻礙鎂合金在汽車行業(yè)中的應(yīng)用。

 超聲波具有獨特的聲學(xué)效應(yīng)和空化作用，在液態(tài)金屬熔池凝固過程中引入超聲波可以使焊接接頭由粗大的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的組織。此外，超聲波處理還可有效消除焊接接頭中的氣孔和夾雜等焊接缺陷。因此，本課題在激光焊接AZ31鎂合金薄板的過程中引入超聲波處理，并著重研究分析超聲波功率對AZ31鎂合金焊接接頭組織與性能的影響。

1  試驗方法

1.1試樣制備

試驗材料選用尺寸為400 mm×100 mm×2.5 mm的AZ31鎂合金板材，其化學(xué)成分見表1。用砂紙打磨鎂合金表面以去除油污與氧化膜，待露出金屬光澤后用丙酮清洗干凈。為防止板材變形，在焊接前將板材兩端固定。

采用C02激光器對AZ31鎂合金板材進(jìn)行激光焊接，焊接工藝參數(shù)：激光功率為1 800 W，焊接速度為700 mm／min，Ar氣流量為15 L／min。由于焊接熔池體積小，故通過基體引入超聲波（頻率20 kHz），調(diào)節(jié)超聲波的功率以制備試樣，見表2。

1-2  組織和性能分析

 用線切割機(jī)沿垂直于試樣表面方向切開，制備尺寸為15 mm×15 mm×2.5 mm的金相試樣，選用5 mL冰醋酸+100 mL蒸餾水+5 g苦味酸混合液對試樣進(jìn)行腐蝕。采用奧林巴斯GX51金相顯微鏡觀察焊縫顯微組織，其中焊縫組織晶粒大小采用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行測算。

硬度用HB-3000B型布氏硬度計進(jìn)行測定，載荷為980 N，加載時間為30 s，每個試樣的硬度值取6次的平均值。采用電火花切割機(jī)在焊縫垂直方向切取拉伸試樣，拉伸試樣形狀見圖1。用SANS CMT5105型微機(jī)控制電子式萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(速率為2mm／min)。

2  結(jié)果與討論

2.1  AZ31鎂合金接頭的顯微組織分析

圖2為不同超聲波功率的AZ31鎂合金的焊接接顯微組織。從圖2a中可以看出，無超聲時，晶粒粗大，形狀各異，且在晶粒內(nèi)存在大量的析出相pM 9i，Al12，采用Image-Pro Plus軟件測算，其平均晶粒尺寸為54um左右。從圖2b可以看出，大部分晶粒都較粗大。此外，其晶內(nèi)的析出相p-Mg17Al12含量降低。經(jīng)測算，其平均晶粒尺寸為46tlm左右，相對1號試樣，晶粒尺寸減小了14. 8%左右。這表明當(dāng)超聲波功率達(dá)到300W時，超聲波的空化作用與聲流作用對熔池內(nèi)金屬的晶粒起到了細(xì)化作用，但由于超聲波功率過小，焊縫顯微組織細(xì)化不明顯。從圖2c和圖2d可以看出，焊縫區(qū)內(nèi)大顆粒晶粒數(shù)量減少，細(xì)顆粒晶粒數(shù)量增多。經(jīng)測算可知，平均晶粒尺寸下降到35 pm左右。與1號試樣相比，晶粒尺寸減小了35. 2%左右。當(dāng)超聲波功率繼續(xù)增加到1 200 W時，平均晶粒尺寸減小至24 Um左右。此時晶粒尺寸達(dá)到最小，各晶粒形狀和大小基本趨于一致，基本以等軸晶的形式存在，焊縫性能達(dá)到最佳狀態(tài)，見圖2e。隨著超聲波功率繼續(xù)增加到1500 W時，經(jīng)測算，平均晶粒大小為25 um左右，相對于5號試樣，焊縫顯微組織反而有所粗化，見圖2f。這表明在高功率超聲波作用下，超聲波的熱效應(yīng)明顯，熔池溫度升高，組織粗化。

 當(dāng)超聲波從基體引入液態(tài)熔池中時，會在焊接熔池中產(chǎn)生空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)。而鎂合金晶粒的細(xì)化主要取決于超聲波的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)。

 (1)空化效應(yīng)  一方面，空化泡的長大需吸收大量的熱量，使得空化泡周圍存在一個低溫區(qū)，從而形成局部瞬間的成分過冷區(qū)，在成分過冷區(qū)內(nèi)生成大量的形核質(zhì)點，提高液態(tài)金屬的形核率，從而在一定程度上細(xì)化晶粒；另一方面，在超聲波的正相作用下，長大的空化泡瞬間塌陷和爆破，在液態(tài)熔池中產(chǎn)生沖擊波，將熔池中粗大晶粒打碎形成數(shù)量更多的細(xì)小固態(tài)形核質(zhì)點，這大大提高了液態(tài)熔池非均勻形核幾率。根據(jù)晶粒生長理論，晶粒度取決于形核率與晶粒生長速度的比值，該比值越大，則所生成的晶粒越細(xì)。此外，吸附在鎂合金熔體表面的氣體和雜質(zhì)在沖擊波作用下脫離鎂合金熔體，對其表面起到了凈化作用，從而改善了固相顆粒與熔體之間的潤濕性，這也在一定程度上細(xì)化了晶粒。

 (2)聲流效應(yīng)  超聲波與液態(tài)熔池在相互作用的過程中，會產(chǎn)生一定的聲壓梯度，從而造成液態(tài)金屬形成對流，從而使得空化效應(yīng)形成的細(xì)小晶核均勻分布在焊接熔池中，最終獲得分布均勻的細(xì)小晶粒。此外，高速對流可對粗大的晶粒產(chǎn)生沖擊作用，粗大晶粒在沖擊作用下瓦解，形成眾多細(xì)小晶粒，為非均勻形核提供形核質(zhì)點，提高非均勻形核幾率，從而促進(jìn)晶粒細(xì)化。

 超聲波在液態(tài)熔池傳播過程中，液態(tài)金屬不斷吸收超聲波振動能量，從而使得液態(tài)金屬自身熱量增加。當(dāng)超聲波功率增加到1 500 W時，超聲波的熱效應(yīng)增大，致使熔池溫度升高，液態(tài)熔池冷卻速度減慢，凝固時間延長，晶粒長大時間延長，致使6號試樣與5號試樣相比，焊接組織出現(xiàn)粗化現(xiàn)象。

2.2  力學(xué)性能分析

圖3為超聲波功率對鎂合金焊接接頭硬度的影響。可以看出，隨著超聲波功率的增加，鎂合金焊接接頭的硬度呈先增加后減小的變化。其中當(dāng)無超聲時，其硬度(HB)最低，只有42。當(dāng)超聲波功率增加至1 200 W時，硬度達(dá)到最大值56，相對1號試樣，5號試樣的硬度提高了將近33. 3%。然而，當(dāng)超聲波功率繼續(xù)增加至1500 W時，硬度(HB)只有53，出現(xiàn)下降趨勢。

圖4為超聲波功率對鎂合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響。可以看出，隨著超聲功率的增加，抗拉強(qiáng)度先增加后減小。當(dāng)無超聲波時，抗拉強(qiáng)度僅為218. 86 MPa，而當(dāng)超聲波功率為1 200 W時，抗拉強(qiáng)度高達(dá)286. 54MPa，提高了近30. 9%。超聲波處理可明顯改善鎂合金激光焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖5為5號試樣的拉伸斷口顯微形貌�？梢钥闯觯�在斷裂面分布了大量的撕裂棱，在撕裂棱之間夾雜著細(xì)小的韌窩。這表明經(jīng)過超聲波處理后組織細(xì)化明顯，焊接接頭韌性增強(qiáng)，力學(xué)性能得到改善。

根據(jù)Hall-Petch公式，材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸有密切關(guān)聯(lián)。

式中，σ。為材料屈服強(qiáng)度；σ。為移動單個位錯時產(chǎn)生的晶格摩擦阻力；k為常數(shù)，表征晶界對強(qiáng)度影響的程度，與晶粒的界面結(jié)構(gòu)有關(guān)；d為晶粒的平均直徑。

 一般而言，當(dāng)晶粒越細(xì)時，晶粒邊界數(shù)量也相應(yīng)增加，位錯在晶界處纏結(jié)與塞積造成的應(yīng)力集中小，需要較大的外力方可使相鄰晶粒發(fā)生變形，因而使得材料強(qiáng)度增大。此外，細(xì)小的晶粒在晶粒內(nèi)部和晶界造成的應(yīng)變相差較小，因應(yīng)力集中引起的開裂傾向低，故可有效解決焊接過程中的鎂合金開裂問題。隨著超聲波功率從0增加到1200 W時，焊接接頭處的顯微組織逐漸細(xì)化，所以，鎂合金焊接接頭的硬度與抗拉強(qiáng)度都隨超聲波功率的增加而增加。然而當(dāng)超聲波功率為1 500W時，在超聲波的熱效應(yīng)作用下，熔池溫度升高，冷卻速度減慢，晶粒有足夠的時間長大，從而使得焊縫區(qū)的晶粒粗化，焊接接頭力學(xué)性能惡化，表現(xiàn)為硬度與抗拉強(qiáng)度下降。

3  結(jié)論

 (1)隨著超聲波功率增加，空化效應(yīng)與聲流效應(yīng)對AZ31鎂合金焊接接頭組織細(xì)化作用越明顯。當(dāng)超聲波功率為1200 W時，鎂合金焊接接頭組織晶粒細(xì)化最明顯，晶粒尺寸僅為24 um左右，相對于未施加的試樣減少了55. 6%左右。

 (2)隨著超聲波功率的增加，AZ31鎂合金焊接接頭的硬度和抗拉強(qiáng)度均呈先增加后減小的變化。其中無超聲時，其硬度(HB)和抗拉強(qiáng)度都最小，只有42和218. 86 MPa。當(dāng)超聲波功率為1 200 W時，硬度與抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為56和286. 54 MPa。