镁合金超声辅助激光焊接特性研究

【摘要】：镁合金是近年来在工程领域应用广泛也是最轻的金属材料,广泛地应用于各个领域。因为镁合金自身的一系列特殊的物理性质,导致在激光焊接过程中极易出现气孔、晶粒粗大等问题。超声辅助加工技术在金属凝固、表面改进以及焊接领域得到了广泛的研究,实现了细化晶粒,消除气孔和裂纹,从而改善材料综合性能的效果。因此,本课题提出超声辅助激光焊接工艺,利用超声波在焊接熔池中产生的空化效应、声流效应以及机械与热效应,消除镁合金在焊接时出现的一系列问题,并研究其机理,为镁合金的高质量焊接打下理论基础。与常规的镁合金激光焊相比,施加超声后,焊缝表面平整美观,但超声辅助无法解决焊缝的下塌缺陷;增大激光功率或降低焊接速度,焊缝熔宽和下塌量均有所增加;在其他工艺参数相同的情况下,只有负离焦能够得到稳定的焊接过程,正离焦和零离焦均会出现匙孔塌陷而导致焊接过程不连续;偏移量和变幅杆压力主要影响传播到镁合金熔池的超声能量。随着偏移量的增大,损失的超声能量越多,超声对焊缝成形的影响越小;变幅杆压力大小主要影响超声从变幅杆端部传到工件表面处的能量损失,当压力很小或很大时,超声能量损失较大,引起焊缝成形不良。通过扫描电镜以及EDS能谱分析表明镁合金焊接时主要产生氢气孔以及匙孔不稳定产生的“小孔型”气孔。在焊接速度较低的情况下,向熔池中施加超声波可以减小焊缝中气孔缺陷的产生;采用示踪元素法对熔池流动进行分析研究,发现施加超声后,焊接熔池的流动性增强。但随着焊接速度的提高,这种现象变得越来越不明显;结合超声对熔池流动特性以及超声波产生的效应,阐述了超声抑制焊接气孔机理:施加超声波辅助后,液态熔池中产生空化效应、声流效应以及机械搅拌效应,促进气泡的形核、长大及逸出过程,从而抑制气孔缺陷的产生。对焊缝微观组织及力学性能进行分析,AZ31B镁合金激光焊焊缝相组成主要由α-Mg基体和第二相β-Mg17Al12构成,β相弥散分布于晶界和晶粒内部,焊缝熔合线处的柱状晶区较大。施加超声辅助后,熔池中产生空化效应、声流效应以及机械搅拌作用,能够改善液态金属的润湿性,有利于熔池金属的形核,同时超声波效应也会促进熔池的流动,使已结晶的晶粒更容易被流动的金属卷到熔池中,促进等轴晶的形成;且由于超声波的加入,焊接接头的力学性能有所提高。