镁合金激光焊的研究现状及发展趋势_全亚杰(2)

激光与半导体激光焊接进行了对比研究。

２．２　激光－电弧复合焊

［９］，激光－电弧复合热源用于焊接是２与单独焊接方法相比，该工艺成本０世纪７０年代后期首次提出的１

［０］，可降低５而生产效率可提高５因此尤其适用于焊接高导热率金属，如铝、镁、铜等。该方法通过０％，０％２

提高了激光的吸收率，增强了氩弧的稳定性，热源热量集中，穿透力强，可以进激光和氩弧之间的相互协调，

２１］行镁合金优质、高效焊接。宋刚等［对镁合金Ａ发现复合焊接Ｚ３１Ｂ激光－ＴＩＧ复合焊接工艺进行了研究，

…ＹＡＧ激光与Ｔ激光单独焊接熔深的４倍。但这种Ｎ工艺的熔深可达ＴＩＧ单独焊接熔深的２倍，ｄＩＧ电弧

的复合难以实现填充材料的添加，无法从根本上解决镁合金焊接过程中出现的合金元素烧损、气孔、表面凹陷等冶金缺陷问题，且焊缝熔深仍然有限，所以仅适用于镁合金薄板的焊接。而ＣＯＩＧ电弧的复２激光与Ｍ

焊接熔深比Ｍ而焊接速度比激光焊增合可以实现１０ｍｍ厚ＡＺ３１镁合金的成功连接，ＩＧ焊提高近１０倍，

２２］。加５上述的冶金缺陷也能得到有效消除［０％，

３　焊接材料

用于激光焊接的镁合金母材，目前主要分为两类：同种材质和异种材质。前者是指被连接的两部分母材化学成分相同；而后者则是不同的，其根据材料成分差异的大小不同又可分为异种镁合金之间的焊接和镁合金与其他材料的焊接，包括与铝合金、钢、钛合金甚至非金属材料之间的焊接

。

３．１　同质镁合金

目前，同质镁合金的激光焊涉及到的材料以Ｍ包括变形Ａｌ系为主，Ｚ３１、ＡＺ６１和铸造ＡＺ９１、ＡＭ６０－Ａｇ

合金等。由于铝的含量低于１质量分数）时具有细化晶粒、提高可焊性的作用，所以这类合金的焊接性０％（

［３］（），能优良。图３所示为典型的Ａ除了焊缝的上部和根部有轻微咬边ａＺ３１镁合金激光焊接头横截面形貌２

）（）整体成型良好，焊缝狭窄，近缝区没有明显的热影响区（存在。图３（给出了对应各区域出现外，ＨＡＺ）ｂｄ

２３］，的微观组织［焊缝为细小的等轴枝晶，并出现了大量母材中没有的析出相小颗粒，研究表明这些析出颗粒

［２４］，）。母材和焊缝界面处存在明显的外延生长形成的柱状晶条带区。此区域的宽度与应为ＭＡｌＺｎｇ１７（１２相

焊接参数有关，焊接速度不变时，随着激光功率的增大，柱状晶的条带区域变窄；在相同的激光功率条件下，

）焊接头截面；（）母材；（）熔化区；（）过渡区图３ＡＺ３１镁合金激光焊接头的金相组织。（ａｂｃｄ

）；（）；Ｆｉ．３ＯｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｒａｈｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｏｉｎｔｏｆＡＺ３１ｍａｎｅｓｉｕｍａｌｌｏ．（ａｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｉｎｔｂｂａｓｅｍｅｔａｌ　　　　　　　　　　　　　ｇｐｇｐｊｇｙｊ

（）；（）ｃｆｕｓｉｏｎｚｏｎｅｄｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｚｏｎｅ　　

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４９，０５０００１激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｔｉｃｓｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔｐｊ

２５］。另外，焊接速度的下降会使柱状晶区变宽［随着Ｍ材料的凝固温度范围增ｌ合金中Ａｌ含量的增加，－Ａｇ

（。图４所示为Ａ大，从而在焊缝两侧会出现固液两相并存的区域，称之为“半熔化区”ＰＭＺ）Ｚ３１镁合金激光

［２６］，／／其宽度直接受焊接热输入的影响，当热输入由８焊接头中的ＰＭＺ５．７Ｊｍｍ降到４８Ｊｍｍ时，ＰＭＺ由

（）（）／图４所示的一个晶粒宽变得如图４所示的很窄，当热输入降到４和ａｂ４Ｊｍｍ时则缩小成了熔化区（ＦＺ）母材之间的一条熔合线

。

）／）／图４不同热输入时的ＰＭＺ显微组织。（ａ８５．７Ｊｍｍ；（ｂ４８Ｊｍｍ

）／）／ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｕｔ．（ａ８５．７Ｊｍｍ；（ｂ４８ＪｍｍＦｉ．４ＰＭＺ　　　　　　　　ｐｇ

目前也有文献对激光焊Ｍ对ＺＺｎ及Ｍ２７］ｎ含量不同的－ｇｇ稀土合金等进行了少量的研究。文献［

得出自熔焊条件下Ｚ而ＺＺＫ２１、ＺＫ４０和ＺＫ６０进行了激光焊接的对比研究，Ｋ２１和ＺＫ４０焊接性良好，Ｋ６０

［８］热裂倾向严重，这主要与熔化区沿晶界析出的Ｍ对航空镁合金Ｚｎｌａｚｚａｚ等２－Ｋｇ５１２０相呈网状分布有关。Ａ

…ＹＡＧ激光焊过程中形成的匙孔和焊缝几何形状进行了计算模拟，并与实验获得的焊缝宽ＺＥ４１Ａ的Ｎｄ

［，］度、熔深和焊缝形状吻合很好。Ｄｈａｈｒｉ等５６对车辆和航空用镁合金ＷＥ４３和ＺＥ４１采用ＣＯ２激光进行了

２９，３０］焊接工艺研究。戴军等［对Ｍｄ稀土合金中的ＮＺ３０Ｋ厚板采用高功率ＣＯ－Ｎｇ２激光进行了焊接工艺研

发现只要工艺合适焊缝成形良好，焊缝区组织细小，究，ＨＡＺ的宽度和晶粒大小则与热输入相关。高明３１］等［对Ｍ结果表明：焊缝熔合区组织主要由粗大的等轴晶组ｎ合金中的ＭＢ８进行了ＣＯ－Ｍｇ２激光焊研究，

，晶粒内有连续析出的条纹状β－Ｍ晶粒尺寸约为６晶成，ｎ０μｒｎ；ＨＡＺ组织为相对细小但大小不一的等轴晶，

粒尺寸为１５４０μｍ。

对于镁合金的激光焊一般采用不加填充材料的自熔焊，但这时往往会产生合金元素烧损、气孔、裂纹及

一般选用与母材成分相同的材料做填充金属，但加入方式各有不表面凹陷等冶金问题。为了消除这些问题，

［３２］同。Ｗ发现选用ＡａｎＺ３１或ＡＺ６１焊丝能使ＡＺ３１镁合金ＣＯｇ等采用的是填丝焊工艺，２激光焊的焊缝

成形更加美观。但这种具有自动填丝功能的激光焊接试验系统结构复杂，对送丝的精度要求较高，难以达

３３］到。因此，华中科技大学的唐海国等［提出了一种较为简单的激光补焊工艺来加入填充材料，即先进行自

然后在焊缝表面的凹坑缺陷内并排放置两根直径２ｍｍ的焊丝并采用光斑直径为３ｍｍ的激光扫描，熔焊，

［３４，３５］３４］，（）熔化焊丝形成补焊接头。另外还有一种填充金属的预置加入方式［如图５所示。图５是在连接界ａ

［３５］（）面上表面处预置填充薄带材，适合于薄板的焊接；而图５的预置位置是在连接界面的间隙处，适用于较ｂ

）预置在连接界面上表面处；（）预置在连接界面间隙处图５填充材料的预置方式。（ａｂ

）；（）Ｆｉ．５Ｐｒｅｓｅｔｔｉｎｏｆｆｉｌｌｍｅｔａｌ．（ａａｄｄｉｎｏｎｔｈｅｆａｃｅｂａｄｄｉｎｉｎｔｈｅｆｉｔｔｉｎａ　　　　　　ｇｇｇｇｇｇｐ　　　　

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厚一点的板材。

３．２　异质镁合金

随着镁合金的推广应用，出现了异质镁合金之间以及镁合金和其他种类材料之间的焊接要求。文献［］采用３ｋＷ的Ｃ焊速较快时，３６ＯＺ３１、ＡＭ６０、ＺＫ６０异种镁合金进行了焊接研究。结果表明，２激光束对Ａ

熔合区内会出现严重的分层现象，尤其是母材之一为成分差异较大的ＺＫ６０时这一现象更加显著。只有

／、、其余的ＡＡＭ６０ＺＫ６０接头的熔合区内出现了主要合金元素ＡｌＺｎ的浓度梯度，ｌＺｎ浓度分布比较均匀。］文献［则对Ａ结果发现焊缝在宏观上两种母３７Ｚ３１与ＮＺ３０Ｋ异种材料之间的ＣＯ２激光焊接进行了研究，

３８］材成分未完全混合在一起，且相应成分的组织区域呈波浪状夹杂态。刘黎明等［采用激光－ＴＩＧ复合热源

发现接头在整体形态上几乎一致，不存在异质镁合金对ＡＺ３１Ｂ和ＡＺ６１、ＡＺ３１Ｂ和ＡＺ９１Ｄ进行焊接研究，

之间的明显界面，能够完全良好熔合。

３．３　镁合金－铝合金

目前，镁合金与其他异质金属材料的激光焊主要集中在镁合金和铝合金之间的焊接。由于两种材料成分和性能的差异，要实现直接的熔化焊比较困难，其中最难解决的问题就是金属间化合物的形成。镁和铝的

，熔点相差不大（纯镁的熔点为６纯铝的熔点为６在熔焊时很难控制两者之间生成金属间化合５１℃，６０℃）

３９］；物。但高的焊接速度可以大大减少形成金属间化合物的时间，从而减少金属间化合物的量［同时如果采

４０］。因此，则可以通过减小搭接焊缝熔深来减小金属间化合物层的厚度［近年来关于镁和用搭接接头形式，

铝异种金属之间的熔化焊方法均以激光焊或激光－电弧复合焊为主，接头形式则几乎都采用搭接。

３９］柳绪静等［采用激光－ＴＩＧ复合热源。在ＡＺ３１Ｂ镁合金与６０６１铝合金板材之间实现了镁合金在上、

铝合金在下的搭接焊，结果表明，由于复合热源焊接速度高且对熔池有快速搅拌作用，使镁和铝形成的金属间化合物由连续的层状变成弥散的状态，改善了异种金属镁和铝的焊接性能，焊缝成形均匀、美观。文献［］…ＹＡＧ激光焊进行了如图６所示的中心搭接焊和边缘搭接对Ａ４０Ｚ３１Ｂ镁合金和５０５２铝合金的连续Ｎｄ

接头的数值模拟和对比试验，结果表明：边缘搭接焊可以使底板熔深浅、金属间化合物层薄，并且无论是镁合金在上还是铝合金在上都能焊接成功。文献［则对Ａ４１］Ｚ３１Ｂ镁合金和６０６１铝合金的ＣＯ２激光焊接进行

结果表明，中心搭接焊接头易在铝板内的焊缝近缝区和镁、铝板界面的焊缝部了两种搭接接头的对比试验，

而边缘搭接焊接头中多种Ｍ采用适当的激光加位出现凝固裂纹，ｌ系金属间化合物在焊缝中弥散分布，－Ａｇ

工参数可以得到无裂纹的焊缝

。

））图６两种搭接接头形式。（中心搭接灶焊；（边缘搭接焊ａｂ

）；（）Ｆｉ．６Ｔｗｏｔｅｓｏｆｗｅｌｄｉｎｌａｏｉｎｔｓ．（ａｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅｗｅｌｄｉｎｌａｏｉｎｔｂｅｄｅｌｉｎｅｗｅｌｄｉｎｌａｏｉｎｔ　　　－　－　ｇｙｐｇｐｊｇｐｊｇｇｐｊ　　　　　　

为了进一步改善镁合金与铝合金异种材料激光－Ｔ有研究者ＩＧ复合焊时焊缝的成形和提高接头的性能，

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