镁合金薄板激光焊气孔及裂纹形成机理研究

论文摘要

针对镁合金可焊性差,熔化焊过程中容易出现气孔和热裂纹的难题,本文以变形镁合金AZ31B、AZ61薄板材料为研究对象,采用CO2激光焊方法,围绕自熔激光对接焊过程中气孔和裂纹的产生原因、影响因素及防止措施展开了较为系统的试验研究和理论分析。通过改变焊接速度、激光功率和气保护方式等焊接参数,探讨了不同焊接条件下接头对气孔和裂纹的敏感性规律。利用金相显微镜、电子扫显微镜等分析手段对焊接试件进行微观组织和缺陷形貌分析。试验结果表明,当激光功率和焊接速度选取在一定范围时,试验得到的两种镁合金激光焊焊接接头变形小,成形良好,焊缝狭窄,肉眼观察下表面连续均匀且无任何气孔或裂纹,但通过对接头试样进行剖面及显微观察发现,两种镁合金激光焊接头的焊缝中均发现有气孔存在。气孔数量总体上呈分散分布,焊缝底部气孔尺寸相对较小,而较大尺寸气孔大多沿熔合线分布,气孔形状呈比较规则的圆形,也有少数呈椭圆形,而激光焊中往往容易因“匙孔”不稳定造成的涡流状气孔则未能观察到。气孔率对焊接速度有一定的敏感性,但对激光功率的敏感性不大。焊前工件的预热、表面清理的程度以及工艺参数的优化,都可以一定程度上降低焊缝中的气孔率。AZ61的含铝量高于AZ31B,液-固相温度区间大从而导致析出的氢多,故相同焊接条件下AZ61焊接试样焊缝的气孔率略高于AZ31B焊接试样。试验还发现,所研究的两种镁合金在激光焊条件下均存在一定程度的热裂纹敏感性。在不同焊接条件下得到的AZ31B、AZ61激光焊试件的焊缝中均发现有少量细小的结晶裂纹,沿着焊缝中的枝晶状的交界处发生和发展。此外,在部分AZ61焊接试件中观察到具有开叉形态焊缝结晶裂纹以及焊接热影响区液化裂纹,而在相同焊接条件下得到的AZ31B焊接试件中却未能被观察到同样的裂纹。这表明AZ61合金的热裂纹敏感性则明显高于AZ31B合金。结合本试验结果和有关镁合金焊接气孔和裂纹的国内外研究理论,对变形镁合金薄板激光焊接头中出现气孔和裂纹的机理进行了较为深入地分析和讨论。最后总结认为,镁合金激光焊焊缝中的产生气孔主要原因是氢在焊缝熔池中的溶解度在冷却过程中急剧下降,导致氢大量析出并产生气泡,当气泡来不及逸出,就留在焊缝中形成了气孔。气泡的形成过程包括产生、长大、逸出这三个过程。母材中的氢原子和氢分子都对产生气孔有一定的影响。镁合金因为蒸汽压力高,表面张力大,激光焊中匙孔稳定性对气孔的形成影响不大。镁合金激光焊焊缝产生结晶裂纹的原因是镁合金中的铝、镁等合金元素与镁生成低熔共晶体,在焊缝凝固过程中形成熔点较低的液态薄膜,因为镁合金导热快,热胀系数大,低熔点的液态薄膜在焊接拉应力的作用下发生了开裂,产生结晶裂纹。液化裂纹的产生机理与焊缝结晶裂纹相似,即同样是在低熔点的液态薄膜的形成和焊接拉应力作用下产生。不同的是液化裂纹中的液态薄膜是因为近缝区的母材在焊接加热的条件下晶界低熔共晶物的重新熔化产生的。而AZ61合金中的Al含量较高,带来焊缝结晶温度区间增大效应,则是造成AZ61合金的焊接热裂纹敏感性明显高于AZ31B合金的主要原因。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 镁及镁合金概述
• 1.2.1 镁合金的种类
• 1.2.2 镁合金的特点
• 1.2.3 镁合金的应用
• 1.3 镁合金的焊接特点
• 1.4 镁合金的焊接方法
• 1.4.1 钨极氩弧焊（TIG 焊）
• 1.4.2 激光焊
• 1.4.3 激光复合焊
• 1.4.4 搅拌摩擦焊
• 1.4.5 钎焊
• 1.5 镁合金焊接的研究现状
• 1.5.1 焊接接头的组织特征
• 1.5.2 焊接过程中的问题与缺陷
• 1.6 本文的研究意义及研究内容
• 2 试验方法及过程
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 焊接接头设计
• 2.1.3 焊接工艺参数的选择
• 2.1.4 试验设备
• 2.1.5 试验过程
• 2.2 镁合金的焊缝成形
• 2.3 本章小结
• 3 镁合金激光焊气孔问题分析
• 3.1 焊缝气孔特征分析
• 3.2 气孔形成机理分析
• 3.2.1 匙孔不稳定引起的气孔
• 3.2.2 氢气孔
• 3.3 气孔敏感性研究
• 3.3.1 合金元素的影响
• 3.3.2 焊接工艺的影响
• 3.4 气孔的防止措施
• 3.4.1 母材中的氢
• 3.4.2 表面清理
• 3.4.3 气体保护
• 3.5 本章小结
• 4 镁合金激光焊裂纹问题分析
• 4.1 镁合金焊缝结晶裂纹
• 4.1.1 结晶裂纹特征
• 4.1.2 结晶裂纹机理分析
• 4.2 镁合金热影响区液化裂纹
• 4.2.1 液化裂纹特征
• 4.2.2 液化裂纹机理分析
• 4.3 镁合金激光焊裂纹防止措施
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录