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ZK系高强镁合金的激光焊接研究

【摘要】:ZK系镁合金不但拥有镁基合金共有的低密度、导热性好、电磁屏蔽性优异、吸震能力强等特性,并且具有突出的比强度、更优异的抗应力腐蚀开裂性能及可热处理强化等优点,被认为是综合性能最为优异的商用镁合金体系之一。其在航空、航天及交通等领域的应用,可有效地减轻设备的自重,进而实现节能减排的目的。然而,高Zn含量的ZK系镁合金凝固温度区间较宽,热裂倾向严重,热输入相对较高的传统电弧焊方法难以对其进行焊接,这极大地限制了该类合金在焊接结构中的应用。为此,在深入理解Zn含量对ZK系镁合金在焊接过程中的组织演变及热裂机理基础上,寻求一种更为有效的焊接方式,以此拓宽该系列合金的实际应用范围,将具有非常重要的理论意义及工程应用价值。本文采用低热输入CO2激光对ZK系镁合金进行焊接,对该合金系在激光自熔焊条件下接头的成形性、显微组织、力学性能及热裂机理等方面进行了系统研究,并首次采用激光填带焊技术解决了高Zn含量的ZK60镁合金焊缝的结晶裂纹及表面成形难的问题。 基于ZK系镁合金的激光焊接工艺研究发现,该合金系不宜采用冷却速度过高或焊接速度过快的工艺参数,焊接速度v=2-3m/min时,焊缝具有较高的抗结晶裂纹性能;离焦量Zf=0mm时,焊缝可获得最大的熔深和深宽比;对于厚度为2mm的ZK系镁合金板材,在焊接线能量应高于19J/mm条件下,方可获得完全熔透的焊缝,其中,激光功率P=1200W、焊接速度v=3m/min时,ZK21和ZK40镁合金自熔焊接头的抗拉强度分别可达289MPa和315MPa,分别为母材的94%和91%。 母材的Zn含量和焊接工艺参数对ZK系镁合金自熔焊接头熔池区的凝固组织具有显著的影响。随着母材Zn含量的升高,熔池区边界的结晶形态由胞状晶、等轴晶向等轴树枝晶转变;熔池中心的晶粒尺寸按ZK60、ZK21、ZK40的顺序依次减小,其中ZK40合金的平均晶粒尺寸仅为4.8μm,其接头的力学性能明显优于ZK21和ZK60; ZK21镁合金焊缝中心柱状晶组织的头部呈等轴树枝晶状,尾部呈胞状,其产生原因在于凝固过程中G/R(凝固参数)的升高和熔池区较低的结晶形核率,提高焊接速度可以使晶粒趋于等轴化;但在焊接ZK40镁合金时,焊接速度的增大则会导致焊缝晶粒的结晶形态由等轴晶转变为等轴树枝晶。 在激光自熔焊条件下,ZK21和ZK40具有良好的焊接性,而ZK60热裂倾向较大,其熔池区结晶裂纹产生的主要原因在于母材的高Zn含量引起大量低熔点Mg7Zn3共晶相沿晶界的网状分布,而半熔化区液化裂纹产生的原因在于母材中残余MgZn相颗粒的组分液化。 在轧制态ZK60镁合金的半熔化区中发现了连续孔隙状裂纹和液化空穴,其形成机理在于:在焊接加热的过程中,半熔化区中连续分布的残余MgZn相颗粒发生组分液化,其中尺寸较大的第二相颗粒转变为球形液化微熔池,而尺寸较小颗粒液化使得晶界液化层变厚并成为连接熔池区和半熔化区中液化微熔池之间的通道;在冷却过程中,半熔化区的液相先于熔池区的熔体开始凝固,当熔池区的熔体从高温冷却时,半熔化区仍残留有高Zn含量的低熔点液相,此时,由于熔池区熔体的体积收缩而产生较大的抽吸力,使得半熔化区的液相向熔池区流动;在半熔化区凝固的后期,晶界通道因胞状晶的外延生长而堵塞,导致液相无法从熔池区回填,从而产生连续孔隙状裂纹或空穴。 采用激光填带焊工艺可以成功地焊接高Zn含量的轧制态ZK60镁合金。在此工艺中,自熔焊时易出现的表面裂纹和凹坑等缺陷被上移至有效接头以外的填充带材处,去除残余带材之后,可以获得尺寸完整、无宏观缺陷的高质量焊接接头。其中,ZK40填充带材的使用,可以降低焊缝金属的热裂倾向并细化晶粒,其接头抗拉强度和延伸率分别可达322MPa和6.5%,分别为母材的90.7%和63.8%。

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