分享：LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能

姜炳春,付 琴,胡少华,唐联耀,刘方方 (广东科技学院机电工程学院,东莞 523083) 

摘 要:采用CO2 激光焊接厚度为2mm 的LZ92镁锂合金板,研究了焊接接头的显微组织、物 相组成、显微硬度与拉伸性能。结果表明:LZ92镁锂合金焊接接头成形良好,焊缝中无明显气孔、 裂纹等缺陷;母材与焊缝的物相组成相同,由α相、β相和中间相 Mg7Zn3 组成;母材由等轴状β相 和枝晶状与颗粒状α相组成,热影响区由粗大的β相和少量细小颗粒状α相组成,焊缝中大量细针 状和细小颗粒状α相均匀分布在β相中,β相晶界消失;焊缝的硬度最高,母材的次之,热影响区的 最低;焊接接头的抗拉强度为158MPa,为母材的86.8%,断后伸长率为27%;焊接接头的拉伸断 口位于影响区与焊缝间的熔合线处,断口由韧窝和解理面组成,断裂形式为混合型断裂。 

关键词:镁锂合金;激光焊接;显微组织;力学性能 中图分类号:TG456.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)01-0046-04

0 引 言 

镁及镁合金具有密度低、比强度高、电子屏蔽性 能优良、抗阻尼性好及易回收再利用等特点,被誉为 “21世纪绿色结构材料”[1-3]。具有密排六方(hcp) 晶体结构的镁及镁合金在室温下的滑移系有限,塑 性变形及成形能力较差,这限制了镁合金产品的工 业应用范围。随着镁及镁合金中添加的锂含量增 加,镁锂合金的晶体结构发生改变[4-5]。根据 Mg-Li 二元相图[6]:当锂质量分数低于5.7%时,锂原子完 全固溶在镁中,组织为hcp结构的α相,塑性变形能 力较差;当锂质量分数高于10.3%时,组织为体心 46 姜炳春,等:LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能 立方(bcc)结构的β相,滑移系大于5个,延展性和 塑性成形能力较好,但其强度较低;当锂质量分数介 于5.7%~10.3%时,合金组织中存在α相和β相,双 相结构的镁锂合金兼顾强度和延展性,是交通运输车 辆制造中代替铝合金和钢的理想结构材料[7]。在交 通运输车辆制造中,整体成形工艺成本大,难度高,结 构件间通常采用焊接方式进行连接。为扩大镁锂合 金的工业应用范围,有必要开发一种有效环保的连接 方式,以解决镁锂合金的连接问题。 镁锂合金的主要成分以镁为主,该合金的焊接 工艺可借鉴镁合金的焊接工艺,也可采用镁合金的 焊接设备[6]。但是,镁锂合金的焊接工艺比镁合金 的更加复杂与困难,这是因为在镁锂合金的焊接过 程中,不仅要考虑因合金再结晶温度范围宽而造成 的焊缝气孔及裂纹,以及高温下镁和锂形成氧化物 和脆化相等夹杂物的问题,还要考虑在焊接过程中 因高温发生爆炸而造成高温熔融物飞溅的安全隐患 问题。目前,有关镁锂合金焊接工艺的研究报道主 要集中在氩弧焊方面[7-9]。但是,氩弧焊的热输入 大,焊后焊件的变形程度严重、热影响区范围较宽、 组织粗大,导致焊接接头的力学性能下降。与氩弧 焊相比,激光焊接具有热输入低、冷却速率快和接头 热影响区较小、焊缝组织细小、力学性能优良等特 点,更 适 用 于 镁 锂 合 金 的 连 接。 吕 君 霞 等[10] 对 Mg-9.8Li-2.9Al-Zn合金 进 行 激 光 焊 接 后 发 现:接 头热影响区范围较小,宽度仅为120μm,焊缝组织 由α相和β相组成,与母材组织相比,焊缝中 α相 数量 增 加 且 呈 细 针 状,显 微 硬 度 比 母 材 的 高 约 20HV。刘旭贺等[11]对 LZ91镁锂合金薄板 进 行 激光焊接后发现:焊缝组织由树枝晶区、等轴晶区 组成,接头的抗拉强度达到母材的81.2%,拉伸断 裂发生在熔合线处。余文祥[12]研究了焊接功率、 焊接速度、保护气流量等焊接工艺参数对 LZ91镁 锂合金激光 焊 接 接 头 组 织 与 性 能 的 影 响,获 得 成 形良好焊 接 接 头 的 工 艺 参 数。但 是,在 上 述 研 究 中的激光焊 接 镁 锂 合 金 存 在 焊 缝 晶 粒 仍 较 大,接 头抗拉强 度 较 低 等 问 题。为 解 决 上 述 问 题,作 者 采用 CO2 激光焊接技术焊接 LZ92镁锂合金,研究 了焊接接头 的 显 微 组 织 与 力 学 性 能,以 期 获 得 综 合性能良好的镁锂合金连接件。

 1 试样制备与试验方法

 试验材料为10 mm 厚的挤压态 LZ92镁锂合 金,制备工艺参考文献[13]。将挤压板置于200 ℃ 下保温2h后空冷,然后在室温下进行多道次轧制 至厚度为 2 mm。焊接前依次 对 焊 接 试 样 进 行 打 磨、脱脂、酒精和去离子水清洗、冷风吹干处理。采 用 YLS4000型光纤激光器进行焊接,采用平板对接 方式,拼接缝中不填充金属,高纯度氩气作为保护气 体,采用正面气罩法进行保护。激光的固定输出功 率为1000 W,焊接速度为3m·min -1,氩气流量为 20L·min -1,离焦量为1mm。 激光焊接完成后,在焊接接头处截取金相试样, 经打磨、抛 光,用 0.2g 苦 味 酸 +1 mL 冰 醋 酸 + 25mL无水乙醇 +5 mL 水 组 成 的 溶 液 腐 蚀 30s 后,采用 LEICADM4000型光学显微镜观察接头不 同区域的显微组织。采用 XpertproPANalytical 型 X射线衍射仪(XRD)进行物相分析,采用铜靶, 加速电压为60kV,扫描速率为5 (°)·min -1,扫描 范围为20°~80°。采用 HX-1000TM/LCD 型维氏 硬度计测接头不同区域的维氏硬度,载荷为4.9N, 保载时间20s。按照ISO4136-2012标准,在接头 上以焊缝为中心截取如图1所示的拉伸试样,采用 SUN10型电子拉伸试验机进行拉伸试验,拉伸速度 为5mm·min -1,每组测3个试样取平均值。采用 JSM-6360LV 型扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸断 口形貌。 图1 拉伸试样的形状与尺寸 Fig.1 Shapeanddimensionoftensilespecimen 图2 LZ92镁锂合金母材与焊缝的 XRD谱 Fig.2 XRDpatternsofbasemetalandweldofLZ92 magnesiumlithiumalloy

2 试验结果与讨论 

2.1 物相组成与显微组织 

由图2可以看出,母材与焊缝的物相组成基本 相同,主要由α相、β相和少量中间相 Mg7Zn3 化合 物组成。观察发现,激光焊接 LZ92镁锂合金后,焊 47 姜炳春,等:LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能 接接头成形良好,焊缝中无明显气孔、裂纹等缺陷。 由图3可以看出:焊接接头母材组织中β相呈等轴 状,晶粒尺寸约为70μm,α相呈枝晶状和颗粒状沿 β相晶界分布;热影响区主要由粗大的β相和少量 细小颗粒状α相组成,β相晶粒尺寸约为260μm, 热影响区和焊缝之间存在明显的熔合线;焊缝中大 量细小的颗粒状和细针状α相均匀分布在β相中,β 相晶界消失。在焊接接头中未观察到中间相的存 在,可能原因是中间相 Mg7Zn3 含量较少且锌在α相 和β相中的溶解度大。在激光焊接过程时,大量的热 量使焊缝金属完全熔化,焊接结束后快速冷却,使得 焊缝处形成过饱和固溶体;在余热的作用下,处于过 饱和状态的焊缝组织发生沉淀析出反应,因此在焊缝 组织中可观察到细颗粒状和细针状α相[12]。 图3 LZ92镁锂合金焊接接头不同区域的显微组织 Fig 3 MicrostructuresofdifferentregionsinLZ92magnesiumlithiumalloyweldedjoint a basemetal b heataffectedzoneand c weld 图5 LZ92镁锂合金母材与焊接接头的拉伸断口SEM 形貌 Fig 5 SEM morphologyoftensilefractureofLZ92magnesiumlithiumalloybasemetal a andweldedjoint b 

2.2 力学性能

 测得焊接接头母材、热影响区以及焊缝的平均 硬度分别为58,52,64HV,焊缝的硬度高于母材与 热影响区的,热影响区的硬度最低。合金中不同区 域的硬度差异与显微组织有关。在焊接过程中热影 响区温度较高,α相溶入β相基体中,较软的β相晶 粒快速长大,导致硬度较低。在焊接过程中焊缝的 冷却速率较大,组织中析出大量的细小针状和颗粒 状α相,α相硬度较高,同时根据霍尔佩奇公式可 知,晶粒越细小,合金的硬度越高,因此焊缝的硬度 最高,母材的次之,热影响区的最低。 由图4可以看出,母材的抗拉强度为182MPa, 断后 伸 长 率 为 36%,焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 为 158MPa,断后伸长率为27%。断裂位置位于热影 响区与焊缝间的熔合线处,这是由于熔合线两侧热 影响区与焊缝的组织差异明显,使得熔线合处的结 合力较低导致的。 图4 LZ92镁锂合金母材与焊接接头的真应力-真应变曲线 Fig.4 Truestress-truestraincurvesofLZ92magnesiumlithium alloybasemetalandweldedjoint 

2.3 拉伸断口形貌

 由图5可以看出,母材拉伸断口由大小不一的 韧窝组成,呈典型的韧性断裂特征。LZ92镁锂合金 属于双相镁锂合金,在室温拉伸应力作用下,α相和 β相中的位错会发生剧烈的滑移。由于β相位错开 动的临界分切应力小于α相的,因此β相更容易产 生滑移。随着应变的增加,大量的位错在α相表面 48 姜炳春,等:LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能 堆积,当位错密度堆积到一定程度,便在位错塞积的 区域形成细小的空洞,继而形成细小的韧窝[14]。焊 接接头拉伸断口中存在韧窝和解理面,呈典型的混 合型断裂特征。

 3 结 论 

(1)激光焊接LZ92镁锂合金后,焊接接头成形 良好,焊缝中无明显气孔、裂纹等缺陷;母材与焊缝 的物相组成相同,由α相、β相和中间相 Mg7Zn3 化 合物组成;焊接接头母材由等轴状β相和枝晶状与 颗粒状α相组成,热影响区由粗大的β相和少量细 小颗粒状α相组成,焊缝区中大量细针状和细小颗 粒状α相均匀分布β相中,β相晶界消失。 (2)焊接接头中焊缝的硬度最高,母材的次之, 热影响区的最低;焊接接头的抗拉强度为158MPa, 为母材的86.8%,断后伸长率为27%;母材室温拉 伸断口由韧窝组成,断裂形式为韧性断裂,焊接接 头的断口位 于 热 影 响 区 与 焊 缝 间 的 熔 合 线 处,断 口由韧窝和解理面组成,断裂形式为混合型断裂。

来源：材料与测试网