镁合金分析研究分析论文

时间：2021-01-21 20:14:28 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　第一章 绪论 1.1 镁合金 1.1.1 镁合金简介 1.1.1 列举的是镁的一些常见的性能参数。

　表 表 1.1.1 镁合金的部分性能参数 作为结构材料，镁合金具有以下特征：

　良好的比强度和比刚度。

　镁合金就强度而言，它的屈服强度略差于碳钢，接近于铝合金的屈服强度，同时它的密度仅为铝的 2/3 和碳钢的 1/4。

　因此，镁合金的比强度高于普通镁合金、铝合金和碳钢的比强度。同时，在刚度方面，镁合金的密度是塑料密度的 1.7 倍，而它的弹性模量却是塑料的 20 倍以上。因此，镁合金的刚度远远高于塑料的刚度。因此，在一些方面，使用镁合金作为结构构件可以显著减少产品的重量。例如，它可以减少飞机发动机、外壳、内部支架的重量，研究发现飞机重量减少时，消耗的能源也随之降低，因此在飞机制造中使用镁合金可以减少能源的消耗，达到节约能源的目的。

　良好的铸造性能。为了使镁合金铸件的结构性能良好，镁合金铸件的厚度不能超过 0.6mm，但是与镁合金铸件结构性能相同的塑料铸件，厚度远远大于0.6mm，而铝合金铸件要想达到镁合金铸件的结构性能，厚度应在 1.2-1.5mm 之间。除此之外，镁合金的流动性能强，导热性能好，镁合金铸件厚度较小时结构性能稳定。

　较高的废料回收利用率。在在实际生产过程中，镁合金可以多次回收再利用。例如，部分含有镁合金的废品或由镁合金制成的废品可以作为其他牌号镁合金的辅助材料。随着当今社会的高速发展，材料的综合性能也有了更高的要求。而镁合金优异的性能，使得很多生产行业对镁合金的需求量逐年增大，包括汽车生产行业、军工制造业以及航空航天产业，因此镁合金的可回收性促进了镁合金的快速发展。尤其在当今社会，大力提倡绿色环保，这也对镁合金的发展有了极大的促进。综合上述的镁合金各方面的有点，相较于其他材料，镁合金更具竞争力。尽管镁合金有很多的优点，但是它也存在一定的缺陷。例如，镁元素的化学性能较为活泼，容易发生氧化，并且镁的耐腐蚀性很差。尤其是在高温环境下，这些缺陷会更加的明显：镁的晶体结构为密排六方结构，不容易发生滑移现象，塑性变形能力较差，不适合进行塑性加工;在温度较高时，镁合金的机械性能会大大降低，硬度以及拉伸性能等都会明显下降。

　1.1.2 镁合金的分类 镁合金的分类一般考虑以下两个方面：化学成分的不同和成型工艺的差异。

　(1)化学成分 镁合金通常是通过向金属镁中添加其他合金元素而形成的合金，其可以分为二元，三元和多元合金。

　大多数镁合金含有一种以上的合金元素。

　为了简化和突出镁合金中最重要的元素，通常将镁合金分为基于 Mg 和含量最高合金元素之一的二元合金系统。

　(2)成型工艺 照成型工艺，镁合金可分为两类：变形镁合金和铸造镁合金。这两者在成分、组织以及性能等方面存在有极大的差异。铸造镁合金还可以分为普通铸造镁合金和压力铸造镁合金。在实际生产过程中可采用挤压，锻造，冲压，轧制等一系列塑性变形加工的镁合金称为变形镁合金。镁合金的晶体结构属于密排六方结构,而这种结构是一种很难产生塑性变形的结构,因此，镁合金是一种塑性变形能力差的金属材料。所以变形镁合金与铸造镁合金相比,强度、塑形都要略胜一筹。

　1.1.3 镁及镁合金的应用 镁合金具有密度低，重量轻，比强度高，比刚度大，易加工，抗震性能好，电磁屏蔽性能好等特点,镁合金被称为21世纪最具发展潜力和发展前途的工程材料,在汽车工业、航天航空、家用电器行业和电极材料中都得到了广泛的应用。

　(1)镁合金在汽车工业中的应用 (1)镁合金在汽车工业中的应用镁的密度很小,纯镁的机械性能不理想，但镁合金具有高比强度和比刚度，高于一些铝合金和高强度钢;镁合金在铸造性能、抗震性能和尺寸稳定性能方面都有较好的表现,密度小重量轻,良好的机械加工性,较高的回收利用率都决定了镁合金在汽车工业领域中的广泛应用。用镁合金制造汽车零部件具有以下优点: ①可以显着降低汽车的整体重量，从而降低油耗，节约资源，减少废气排放。

　根据统计，汽车消耗的能量的 60％消耗在了汽车的重量上。

　每降低 10％的汽车重量，燃油消耗将减少 8％至 10％。

　②由于镁合金具有良好的铸造性能,可以铸造相对复杂的铸件,提高零部件的集成度,降低其加工和装配成本,提高整体设计的灵活性 ③镁合金的阻音和减震性能远远优于碳钢材料,因此，镁合金的使用可以大大提高汽车的降噪和减震性能。

　(2)镁合金在航天航空领域中的应用 对于航天航空材料来说,减重和轴承与功能集成的整体结构是航天航空设备机体结构材料的重要发展方向。由于镁合金具有高比强度、低密度、高比刚度的特性,使其很早就在航天航空工业中得到应用,但是抗腐蚀性较差有在一定程度上限制了镁合金的应用范围。材料的重量减轻给航空航天技术带来的性能改进和经

　济效益非常显着。在相同的减重情况下，商用飞机可以比汽车节省近 100 倍的油耗。战斗机的油耗是商用飞机的 10 倍。更重要的是，减轻重量可以提高其活动能力，并大大提高战斗力和生存能力。

　(3)镁合金在家用电器行业中的应用 为了适应家用电器轻、薄、小的发展方向，要求家用电器壳体的材料具备密度小、质量轻、强度刚度高、抗冲击性和减震性好、电磁屏蔽能力强、容易机械加工、散热能力好、易于回收再利用、符合环保要求等特点。传统的工程塑料和铝合金材料已经难于满足使用要求，镁及镁合金是制造电子器件壳体的理想材料。近 10 年来，世界上电子器件制造业发达的国家，尤其是日本及欧美的一些国家在镁合金产品的研发方面开展了大量的工作，已经在一大批重要的电子产品上使用了镁合金，取得了理想的成果。

　(4)电极材料 采用牺牲阳极的方法进行金属机构的腐蚀防护，具有不需外加电源、电流分散能力强、不会干扰相邻金属设施、易于管理维护等优点，在防腐工程中的应用十分广泛。目前，铝基、锌基和镁基阳极是最常用的三种牺牲阳极材料。铝基阳极密度小，电流效率高，发电量较大，驱动电位适中:锌基阳极密度大，发电量较小，驱动电位较低，高温下易极化:而镁基阳极有很高的化学活性，驱动电位较大，密度小，单位质量可输出的电流较大，适用于电阻较高的环境，同时金属表面难以形成致密保护膜，腐蚀产物容易脱落，因此受到广泛关注。

　1.2 镁合金的 焊接 特性和现状

　1.2.1 镁合金的焊接性 镁及镁合金在工业上广泛应用必然会涉及焊接结构，而焊接过程遇到的问题与铝合金相类似。随着现代化工业对焊接效率以及成本上提出的高要求下，目前推广镁合金的应用迫切需要一种焊接效率高、质量好和节能的新型镁合金焊接技术。

　考虑镁合金和铝合金本身质轻等特点，加快了在工业应用上的脚步，相对工业上对钢铁的使用率正在逐渐增加。由于镁合金具有易燃性、熔点低、热导率和电导率大、化学性质活泼等特点。焊接过程中易产生的问题如以下几个方面：

　(1)氧化、氮化和蒸发 镁的化学性质比较活泼，与氧的亲和力大，所以在镁合金的表面易形成 MgO薄膜，熔点约为 2500℃，与镁的熔点相差大，焊接时容易阻碍焊缝成形，且氧化镁熔入焊缝中后无法及时溢出焊缝导致产生夹杂现象,但附着在镁合金表面的氧化镁可以借助气体保护和电弧的阴极破碎的方法去除。同时焊接过程气体保护不佳，在焊接高温的条件下会有氮化镁 Mg 3 N 2 形成，导致焊缝接头的性能下降，

　焊接高温下也会使沸点只有 1100℃的镁蒸发，致使空气的污染产生。因此，在焊接镁合金时，完善气体的保护很重要。

　(2)热裂纹倾向 镁合金加入 AI、Cu、Ni 和 Zn 等合金元素，会形成一些熔点较低的共品体，如 Mg-Al 共晶共晶点 430℃、Mg-Cu 共晶共晶点 480℃和 Mg-Ni 共晶共晶点508℃，而由于 Zn 的固熔有限且结晶出的共晶共晶点只有 340℃，所以脆性温度区范围很大，易形成热裂纹。而且加上镁合金在焊接时受到过大激光束能量作用会产生热应力，造成镁合金板材的变形，从而致使焊接接头热裂纹增多。

　(3)气孔与烧穿 镁合金焊接时易产气孔，主要来源是焊接过程母材中小气泡的聚集;或者焊接过程产生氢气在熔池内部，氢气溶解度随着焊缝冷却速度过快急剧减小，导致焊缝中氢气无法溢出，从而形成气孔。因此焊缝中出现气孔的倾向会随着氢的来源较多增加。

　同时由于激光焊接能量较大，导致镁合金焊接时焊缝获得的能量较高，且镁的表面张力比铝小，若保护气体流量大小不恰当时，很容易造成焊接时产生焊缝金属下塌和烧穿现象。

　1.2.3 镁合金焊接方法 镁合金从发展应用开始，几乎针对镁合金焊接问题的焊接技术也在研发，在越来越多的学者进行镁合金的焊接技术的研究过程中，焊接技术都得到了快速的发展，从而在各种新型焊接技术下镁合金的焊接性能得到了改善。目前镁合金的焊接技术众多，应用的技术主要有以下几个: (1)钨极氩弧焊(TIG 焊) 钨极氩弧焊是利用惰性气体的保护，在钨电极与工件间作用时利用电弧产生的热量熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。属于镁合金焊接技术中最广泛应用的技术之一，可分为直流氩弧焊和交流氩弧焊镁合金在使用此焊接方法可获得纯净高、氢含量低的优质焊缝，在焊接时热量集中，焊件发生变形小且焊接电弧易控制。

　(2)电子束焊接 电子束焊接是指使用加速和聚焦的电子束轰击放置在真空或非真空中的焊接表面以熔化工件以实现焊接。

　真空电子束焊接是最广泛使用的电子束焊接。

　(3)激光焊接 和传统的气焊类型焊接技术或者是电焊类型焊接技术不同, 激光类型的焊接技术在使用的时候巧妙的利用了激光束所带有的辐射能量, 在使用激光类型焊接技术的时候能将一定量的激光聚焦到较小范围的区域内, 从而在聚焦的情

　况下产生大量的能量, 这种新型的焊接技术主要是运用了高能量脉冲对各种材料进行焊接加工, 因此目前在小范围材料焊接加工中应用较多。并其由于激光有便于控制特点使得焊接的精准度有所提升。

　激光类型的焊接技术经过了较长时间演变, 在这项技术研发的阶段中一个技术难点就是保证激光能产生足够加工材料的热量。而在焊接技术研发的阶段中技术人员开创性的使用先进技术激活了激光之中的活性类型介质, 并使这些活性类型的介质填充到谐振空腔之中, 并让这些介质在空腔之中反复的发生振荡, 高频率的振荡也就会在这个过程中转变成为激光束, 而正是这种激光束在焊接的过程中通过和加工材料的直接接触, 使被加工材料的表面温度发生提升, 激光束的持续照射下被照射材料的温度也就会达到材料本身的熔点, 这样也就完成了材料的焊接加工。

　光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有很多优点，例如功率高、输出激光波长多、光束质量好等。对光纤激光焊接的研究，正成为激光焊接研究的热点。

　(4)激光-电弧复合焊 激光-TIG 复合焊是将激光和电弧两种能量传输机制、物理性质截然不同的热源结合同时作用于一个加工位置.其原理是通过激光和电弧的耦合作用，可以增大焊接熔深、提高焊接速度、增大装配间隙，在激光工作时产生的金属等离子体稳定电弧的作用，也达到电弧稀释光致等离子体减少对激光能量的吸收和散射作用，增加工件对激光的吸收率。

　(5)搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(TWI)于 1991 年开发的新型固相连接技术。FSW 是利用圆柱形、锥形或者其他形状的搅拌工具扎入到待焊的工件内部，然后通过搅拌工具的搅拌、摩擦和顶锻作用下并相对待焊工件运动从而实现工件焊接的一种连接技术。其具有操作简单无需要准备焊前工作，焊接过程没有金属飞溅情况，工件焊接后变形小和存在的焊接后缺陷少，且焊接不考虑填丝，焊接过后焊接接头的力学性能优异。

　1.3 研究意义与主要内容 1.3.1 研究意义 镁合金在汽车、军工、航空航天和精密器件等许多领域得到应用和发展。但进一步推广应用必须面临的连接问题，由于镁本身特殊的一些物理性质，导致焊接镁合金时会造成氧化、蒸发、裂纹和气孔等缺陷问题，但随着焊接技术不断的创新，镁合金在焊接上的缺陷问题已经得到了有效的解决，同时在工业发展的严格要求下，镁合金也得到很快的进步，针对不同的要求研发出了很多系列的镁合

　金，主要有 AZ 系列、AM 系列、ZK 系列和 WE 系列等系列镁合金。

　本论文采用的镁合金，属于变形镁合金，主要含有 Mg、Al、Li 三种金属元素，在焊接过程中容易有 Mg17Al2 等低熔点共晶体的析出，导致结晶过程与固溶体的结晶过程存在着时间差，导致在两者结晶体中会出现排列不规则现象，容易形成裂纹。同时焊接过程中焊缝受应力过大的因素，会加快裂纹扩大，对焊接接头的力学性能产生影响。所以提高其焊接接头的质量具有非常重要的意义。光纤激光焊接是一种热输入量小、高焊速、小变形、功率密度高和深穿透等特点的焊接技术，成为此次试验的优选方法。

　因此，本论文采用光纤激光器进行焊接，系统的研究不同的焊接工艺下激光焊接接头组织和腐蚀性能。

　1.3.2 主要内容 本论文研究主要内容有: (1)采用 YLS-4000 光纤激光器对 2.5mm 厚的镁合金进行焊接，对焊接工艺与焊缝成形之间的对应关系进行研究。

　(2)观察在激光焊接镁合金成形良好的焊接接头，并通过金相显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜等实验仪器进行不同焊接工艺参数下焊缝组织、相组成以及元素分布。

　(3)使用维氏硬度仪测试焊接接头的硬度。

　(4)选取成形较好的焊接参数下的焊接接头进行腐蚀试验，并且分析腐蚀性能的影响因素。

　 第二章

　实验规划 2.1 实验材料 本次实验采用 LA103Z 镁合金板进行实验。

　表 2.1.1 LA103Z 镁合金试板元素含量 (wt.%)

　Li Al Zn Fe Cu Si Mg 10 3 2.9 0.003 < 001 0.23 余量 2.2 实验方案

　2.3 实验设备 2.2.1 焊接设备 焊接系统包括：弧焊机器人系统和光纤激光焊接系统，本实验所采用的是 IPG YLS-4000 型高功率光纤激光器对 LA103Z 板材进行焊接，表 2-2 是弧焊机器人和光纤焊接系统的部分参数：

　弧焊机器人系统 安川 HP 6D 机器人 6 自由度，荷载 6Kg 威特力 WMS-315 逆变直流

　脉冲氩弧焊机 电流/电压：10A/10V-315A/23V 脉冲频率：15-500HZ 占空比：5%-100% MOTOWELD YWE-S360 MG 焊机

　额定输入：18.0 KVA，15.0 KW 工作/空载电压：36 V/64 V

　光纤激光焊接系统 型号：IPG YLS-4000 标称功率：4000 W 运行模式：连续/调制 焦距：150/250 mm 光纤规格：φ 200 μm X 20 m 输出功率调整范围：10-100% 辐射波长：1060-1080 光斑直径：0.2/0.33 mm 表 表 2.3.1 弧焊机器人和光纤焊接系统的部分参数 下图为激光焊接器图示：

　 图 图 2.3.2 光纤激光焊接器 2.4 分析设备 本次实验所需要的分析设备主要有金相显微镜，扫描电子显微镜，维氏硬度仪以及 X 射线衍射仪。

　2.4.1 金相显微镜 金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机电脑上很方便地观察金相图像，从而对金相组织进行分析以及对图片进行输出、打印。金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机通过光电转换有机的结合在一起，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机(数码相机)显示屏幕上观察实时动态图像，电脑型金相显微镜并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。金相显微镜的放大倍数最高能够达到 1000 倍，比较适合实验前期对试样表面金相组织以及表面划痕的分析和观察。本次实验采用奥林巴斯 GX51 标准型倒置金相显微镜。

　 图 图 2.4.1

　金相显微镜

　2.4.2 扫描电子显微镜 SEM 的工作原理是用一束极细的电子光束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的数量与电子光束的入射角度有关系，也就是说与试样的表面结构组织有关系，仪器内部的探测器会收集反射回来的次级电子，然后由闪烁器转变为光电信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。显示出的图像为立体形象，可以更详细具体的反映出样品表面的形貌和组织结构。也有部分试样导电性能不好，反射出的次级电子数量过少，此时可以对试样进行喷金处理，从而使样品的导电性能达到实验所需的要求。本次实验采用的扫描电子显微镜的型号为本次实验扫描电子显微镜采用的是上海圣科仪器设备有限公司生产的 JEOL JSM-6510 型。

　2.4.2 扫描电子显微镜 2.4.3X 射线衍射仪 特征 X 射线及其衍射 X 射线是短波长（0.06-20nm）的电磁波，可以穿透一定厚度的材料，使荧光物质发光。高能电子束用于轰击金属靶以产生具有与靶中的元素相对应的特定波长的 X 射线，称为特征 X 射线。X 射线的波长类似于晶体内原子面之间的间距。

　该晶体可用作 X 射线的空间衍射光栅。

　当 X 射线束照射

　到物体上时，它被物体中的原子散射，并且每个原子产生散射波。

　这些波相互干扰，结果是衍射。

　由于衍射波的叠加，射线的强度在某些方向上增强并在其他方向上减弱。

　通过分析衍射结果，可以获得晶体结构。

　图 图 2.4.3

　X 射线衍射仪 2.4.4 维氏硬度仪 维氏硬度计具有较大的试验力，只要工件的表面粗糙度符合标准，维氏硬度计就能检测到它。维氏硬度计用步进电机按压工件表面，然后用读数显微镜测量压痕对角线的长度，然后使用对角线和试验力之间的转换关系测量维氏硬度。

　此外，可以安装维氏硬度计软件以通过计算机显示屏显示图像。测量硬度值更方便快捷。

　图 图 2.4.4 维氏硬度仪

　2.4 焊接工艺 2.4.1 焊前准备 （1）试样表面清理。由于镁合金易氧化，在存放过程中，试样表面会与空气中的氧气以及水分子发生反应形成一层氧化膜。而氧化膜会对激光焊接焊缝的成型以及后续的腐蚀实验产生影响，因此在实验开始前有必要对试样表面的氧化层进行处理，避免其对实验结果产生影响。本次实验采用机械清理的方法去除氧化层，即使用粗砂纸打磨镁合金表面，去掉表面的氧化物，使其表现出金属光泽； （2）调试设备，确定激光焊接设备能正常工作。

　2.4.2 焊接参数 本次实验中，激光焊接所考虑的工艺参数主要有激光功率(P)，离焦量(f)，焊接速度(V)以及保护气体，这些参数的选择将会对激光焊接接头的组织形貌产生直接影响，而接头处的组织形貌又会对镁合金的腐蚀性能产生影响，因此需要选择合适的工艺参数进行焊接，主要的工艺参数如下：

　(1) 激光功率(P)与焊接速度(v) 根据焊接热输入公式: v P Q / 

　 (式 3-1)

　式中: Q 为焊接热输入(单位: J/mm)，P 为激光功率(单位: W)，v 为焊接速度(单位: mm/s)。由该式可知，焊接热输入与激光功率成比例，当焊接速度恒定并且激光功率增加时，焊接热输入也增加。焊接热输入与焊接速度成反比，即激光功率恒定，焊接速度减小，焊接热输入增加。焊接热输入的大小影响激光焊接的熔深。

　热输入越大，焊缝的熔深越大。热输入越小，焊缝熔深越小。当焊缝熔深过小时，焊缝熔合效果差，不会焊透; 当焊缝熔深过大时，焊缝容易焊穿。因此应该选择合适的激光功率和焊接速度进行焊接，本次实验选用的激光功率范围为2000W-3000W，焊接速度的范围为 300cm/min-500cm/min。

　(2) 离焦量(f) 离焦量是指激光束焦点距焊接试样表面的距离，激光束焦点正好位于试样上表面上时离焦量为零。正负离焦量会影响作用于试样上的能量，改变其传热模式进而影响焊缝的成形和组织性能。本实验选用离焦量为 0mm、-1mm、-2mm 进行焊接对比，分析离焦量对焊缝质量的影响。

　(3) 保护气体 激光焊接中，保护气体会影响焊缝成型、焊缝质量、焊缝熔深及熔宽，大多数情况下，吹入保护气体会对焊缝产生积极的影响作用。常用的激光焊接保护气体主要有 N 2 、Ar、He，本次实验采用纯度为 99.99%的氩气作为保护气体。

　(4) 激光焊接的工艺参数

　下表为激光焊接的工艺参数：

　P/W f/mm Vcm/min 2000 0 300 2000 -1 400 2000 -2 500 2500 0 400 2500 -1 500 2500 -2 300 3000 0 500 3000 -1 300 3000 -2 400 2.5 试样的制备 （1）取样 将 尺 寸 为 420mm×450mm×3mm 的 镁 合 金 板 材 进 行 线 切 割 ， 将 其 切 成60mm×50mm×3mm 的试样，进行激光焊接。将激光焊接后的试样按照画好的线切开，右边沿着焊缝切下四个小样，用于金相观察和腐蚀实验。

　(2)镶样 本次实验采用型号为 XBH-30 的金相镶嵌料进行镶样。样品在使用前打磨表面并清洗干净，混合比：粉末/液体=10：8(重量比)，按上述比例称量出粉末和液体，然后将粉末倒入装有液体的杯中，搅拌均匀后倒入放有样品的冷镶嵌模中，约10min 中后镶嵌料硬化，即可从模中取出样品。（实验过程因注意制样环境通风，干燥。有利于散发冷镶剂的气味和加速冷却）

　 图 图 2.5.1

　金相镶嵌料 （3）粗磨 使用 400，600,800,1200,1500，2000 的水砂纸依次打磨。

　（4）精抛 使用 0.5μm 的抛光膏进行抛光，并在抛光过程中向试样滴加酒精，防止在抛光过程中试样表面发生氧化。

　（5）侵蚀 按照配比配制 4%硝酸酒精溶液，用脱脂棉沾上试剂擦拭抛光好的样品表面，擦拭至样品表面刚好开始发黑即可。

　（6）金相观察 使用金相显微镜观察激光焊接后的镁合金表面形貌。

　第三章

　实验结果与分析

　1 3.1 显微硬度分析

　根据之前预设的实验方案，对每个试样进行显微硬度测定。试样焊缝硬度测定如下表所示：

　表 表 3.1.1 试样的焊缝硬度均值 试样 1 2 3 4 5 6 7 8 9 焊 缝硬 度（ 均值）

　110

　101

　91

　108

　106

　98

　96

　94

　90 测定结果表明：不同焊接工艺参数对焊缝的硬度有显著影响。

　对部分试样硬度测定制图如下图所示：

　 图 图 3.1.2

　部分焊接试样硬度图 根据测得的 1-9 号试样显微硬度处的结果显示，在载荷大小为 1N 及保荷时间为 10s 时，焊缝和母材的显微硬度均低于 120HV，表明这种合金母材和经激光焊接后焊缝的硬度均较低。但通过分析试验数据可知，焊缝的显微硬度要高于热影响区及母材区域，由母材的约 60HV 升高到焊缝的约 100HV，导致这种结果的主要原因是由于快速冷却凝固过程中焊缝形成细晶组织，且 α-Mg 相和 AlLi相增多。此外，α-Mg 和 β-Li 相的显微硬度值不同导致接头不同区域内显微硬度以一定的差值波动，整体曲线呈锯齿形。

　 2 3.2 探究最佳焊接工艺

　根据预设工艺参数，以焊缝硬度作为试验指标，以正交试验探究最佳焊接工艺。

　表 3.2.1 预设焊接工艺参数 试样 P/W f/mm Vcm/min

　1 2000 0 300 2 2000 -1 400 3 2000 -2 500 4 2500 0 400 5 2500 -1 500 6 2500 -2 300 7 3000 0 500 8 3000 -1 300 9 3000 -2 400 表 3.2.2 正交试验求解最佳工艺

　功率 离焦量 焊接速度 焊缝硬度 1 A1 B1 C1 110 2 A1 B2 C2 101 3 A1 B3 C3 91 4 A2 B1 C2 108 5 A2 B2 C3 106 6 A2 B3 C1 98 7 A3 B1 C3 96 8 A3 B2 C1 94 9 A3 B3 C2 90 K1 101 105 101

　K2 104 100 100

　K3 93 93 98

　极差 11 12 3

　影响程度 2 1 3

　最佳方案 A2(2500) B1(0) C1(300)

　首先对激光功率进行分析，即 A 因素，A 因素一共有三个水平，即 A1、A2、A3。

　从表中可看出 A 1 的影响反应在 1、2、3 号试验中；A 2 的影响反应在 4、5、6 号试验中；A 3 的影响反应在 7、8、9 号试验中。A 因素的 1 水平所对应的试验指标之和 K A1 =110+101+91=302，各指标的平均值为 k A1 =K A1 /3=101。同理可求得K A2 =312，k A2 =104，K A3 =280，k A3 =93。

　根据正交设计的特性，对 A 1 、A 2 、 A 3 来说，三组试验的试验条件是完全一样的(综合可比性)，可进行直接比较。如果因素 A 对试验指标无影响时，那么K A1 、K A2 、K A3 应该相等，但由上面的计算可见，K A1 、K A2 、K A3 实际上不相等。说明，A 因素的水平变动对试验结果有影响。因此，根据 K A1 、K A2 、K A3 的大小可以判断 A 1 、A 2 、 A 3 对试验指标的影响大小。由于试验指标为焊缝强度，而K A2 ＞K A1 ＞K A3 , 所以可判定 A 2 为 A 因素的优水平。

　同理可得出 B 因素和 C 因素的结果。

　B 因素：K B1 =314，k B1 =105；K B2 =301，k B2 =100；K B3 =279，k B3 =93。可判定 B 1 为 B 因素的优水平。

　C 因素：K C1 =302，k C1 =101；K C2 =299，k C2 =100；K C3 =293，k C3 =98。可判定 C 1 为 C 因素的优水平。

　由此可得最佳工艺为 A 2 B 1 C 1 ；即功率 2500 W，离焦量 0，焊接速度 300 cm/min。

　极差：一组数据中最大与最小值的差。正交试验中，极差越大，该因素对实验结果影响越大可求得各因素的极差：R A =k A2 -k A3 =11；R B =k B1 -k B3 =12；R C =k C1 -k C3 =3。根据各因素的极差大小可知：R B ＞R A ＞R C ，即对试验结果影响最大的为离焦量，最小的为焊接速度，功率的影响量位于二者之间。

　正交试验结论：最佳工艺为 A 2 B 1 C 1 ；即功率 2500 W，离焦量 0，焊接速度 300 cm/min。

　3 3.3 组织成分分析

　1 3.3.1 金相组织分析

　本次实验对 LA103Z 镁锂合金试样进行了最佳工艺的光纤激光焊接，进而研究其组织和腐蚀性能，首先分析的是镁锂合金激光焊接后接头处的金相组织及接头各部分金相组织的变化。

　 图 3.3.1LA103Z 镁锂合金激光焊接接头光学显微镜照片。(a)激光焊接接头；(b)镁锂合金母材区域，对应图(a)中 b 区；(c)镁锂合金焊缝区，对应图(a)中 c 区域；(d)镁锂合金热影响区域，对应图(a)中 d 区域。

　LA103Z 镁锂合金激光焊接接头显微组织如图 3.3.1 所示。从图(a)可以看出激光焊接后的焊缝上下的宽度一致，热影响区的宽度较窄，证明在激光焊接过程中镁合金板材的上下表面所吸收的能量基本一致。在焊缝中也没能发现气孔和裂纹等缺陷，证明激光焊接的焊接工艺良好。LA103Z 镁锂合金母材主要由 α-Mg 和 β-Li两相组成，如图(b)所示。α-Mg 为白亮色分布在黑色的 β-Li 基体之上。在 α-Mg上可以看到圆形的细小的呈弥散分布的析出物。经过激光焊接之后，焊缝处的组织如图(c)所示组织晶粒细小，结构致密。图(d)为镁锂合金激光焊接接头母材和热影响区的交界处，从图中可以看出析出相在母材上分布较少，而在热影响区上大量分布。造成这一现象的主要原因是在激光焊接的过程中会产生大量的热量，越接近焊缝的地方温度就越高，原先在基材上大量分布的 α-Mg 在高温状态下重新结晶，由于激光焊接的速度较快，持续时间短，焊接结束后，试样会迅速空冷，因此α-Mg来不及再结晶形成原来的相，而是形成了大量的析出相分布在基材上，因此可以看到热影响区上分布大量的析出相，而母材上析出相分布较少。而焊缝处由于激光焊接时温度过高，使焊缝处合金熔化，焊接结束后，重新凝固，在这个过程中，析出相由于熔点较低，发生元素蒸发，因此焊缝处金相组织排列整齐，组织致密，析出相分布较少。

　/‘

　b c d (a) (b) (c) (d) α-Mg β-Li

　 图 图 3.3.2LA103Z 镁锂合金激光焊接接头热影响区光学显微镜照片。

　上图按顺序为 1-9 号试样激光焊接接头母材与热影响区交界处。由图 3.3.2 可知镁合金激光焊接接头母材处的析出相分布较少，而在热影响区上析出相分布较多。

　3.3.2 成分分析

　 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00keV00701002003004005006007008009001000CountsCOMgZnZnZnZnZn

　 图 图 3.3.3 1 号试样能谱点扫描 表 表 3.3.4

　焊缝的组成成分 Element Mass% Sigma Atom% C K 11.90 0.28 21.08 O K 7.02 0.19 9.34 Mg K 78.52 0.33 68.74 Zn k 2.56 0.17 0.83 Total 100.00

　100.00 表 表 3.3.5 熔合线的组成成分 Element Mass% Sigma Atom% C K 11.11 0.28 20.04 O K 4.00 0.15 5.42 Mg K 82.14 0.33 73.21 Zn k 1.88 0.15 0.62 Al k 0.88 0.07 0.70 Total 100.00

　100.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00keV01101002003004005006007008009001000CountsCOMgAlZnZnZnZnZn008100 µm0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00keV008015003000450060007500900010500120001350015000165001800019500CountsCOMgAl ZnZnZnZn Zn011100 µm

　表 表 3.3.6

　热影响区组成成分 Element Mass% Sigma Atom% C K 10.45 0.25 18.95 O K 4.46 0.14 6.07 Mg K 82.30 0.31 73.72 Al K 0.60 0.06 0.49 Si K 0.08 0.03 0.06 Zn K 2.11 0.14 0.70 Total 100.00

　100.00 对焊缝,热影响区和熔合线进行点扫描，焊缝，热影响区和熔合线的能谱如图 3.2.3 所示，对比 LA103Z 基材可知焊缝相较于基材的 C 元素和 O 元素含量剧增，且热影响区和熔合线的 C 元素和 O 元素的含量也高于母材，但含量略低于焊缝。C 元素含量的剧增是导致焊缝硬度略高于热影响区及远高于母材的重要因素之一。焊缝的 Mg 和 Zn 相对含量明显下降。这主要是因为镁和锌的沸点分别为 1107℃和 907℃，与其他合金元素相比较低，在激光焊接这种高能量的焊接过程中镁、锌先达到沸点，持续熔化时间最长，导致焊接过程中高温熔池内镁、锌的蒸发比较严重，从而使镁和锌的相对含量降低。从而可以看出热影响区的 Mg和 Zn 元素含量相较于焊缝较多。

　图 图 3.3.7

　LA103Z 镁合金母材与焊缝的 X 射线衍射谱图。（a ）母材；（b ）焊缝 图 3.3.7 为对焊缝和母材进行 XRD 衍射分析的谱线。从该实验结果看，经激光焊接后，试样焊缝组织和母材组织均由 α-Mg、β-Li 和少量的 AlLi 相及 MgLi2Al相组成。对比图 3.3.7 中（a）和（b）线可见，焊缝处的 α-Mg 相和 AlLi 相的衍射峰强度明显强于母材，而 MgLi2Al 相的衍射峰强度则弱于母材。这主要是由于激光焊接过程中，高温导致母材中亚稳定的 MgLi2Al 相转变成稳定的 AlLi 相和更多的 α-Mg。因此这也是焊缝组织腐蚀性能优于母材腐蚀性能的重要因素之一。

　3.4 腐蚀形貌分析 3.4.1 宏观形貌

　图 图 3.4.1

　部分试样腐蚀后的宏观形貌

　3.4.2 微观组织 (a) (b) (c) (d)

　图 图 3.4.2 镁锂合金激光焊接接头腐蚀前和腐蚀 12h 后表面形貌。图(a)(b) 为腐蚀前接头形貌，图 图(c)(d) 为腐蚀 12h 后的接头形貌。

　本次实验对 LA103Z 镁锂合金在 0.35%NaCl 溶液中的腐蚀形貌进行了研究。从图(a)(b)中可以看出在腐蚀前，镁锂合金试样表面无裂纹，在经过 12h 的腐蚀之后，在图(c)(d)中可以看到试样表面出现了很多裂纹。这是因为镁合金试样表面的腐蚀产物主要由 MgO 的水合物组成，由于使用扫描电子显微镜观察试样时处于真空环境，因此水合物里的 H 2 O 发生分离和蒸发，导致试样表面出现了裂纹。

　3.5 腐蚀机理分析

　3.5.1 LA103Z 镁锂合金在 0.35%NaCl 溶液中浸泡 12h 后去除腐蚀产物之后的表面形貌。

　在含有 Cl - 离子的溶液中，镁合金很容易发生点蚀，因为镁合金中经常会掺杂进适量的合金元素，而且镁合金表面自发形成的氧化物膜中也会存在部分杂质和缺陷，这些杂质和缺陷会对氧化膜产生极大的破坏，此外，晶界的偏析和金属表面的划痕也属于缺陷。在腐蚀的过程中，腐蚀液中 Cl - 很容易通过氧化膜上的缺陷，与镁合金基材接触，使镁合金的腐蚀更易发生。

　点蚀是一种比较常见的腐蚀类型。LA103Z 镁锂合金在本次的腐蚀试验中出现了比较明显的点蚀特征。点蚀是一种在金属上产生小孔的比较局部的腐蚀形态，而且其他地方的腐蚀较为轻微，从图 3.5.1 中可以看到 LA103Z 镁锂合金在发生腐蚀时，合金表面出现直径较小的孔洞，而其他地方腐蚀程度较轻，符合点蚀的特征。

　3.6 腐蚀产物分析

　007100 µm0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00keV007015030045060075090010501200135015001650CountsCOMgAlSiZnZnZnZn Zn

　 图 图 3.6.1

　4 号试样腐蚀 12h 后能谱点扫描 Element Mass% Sigma Atom% C K 15.27 0.35 22.57 O K 50.20 0.65 54.63 Mg K 24.68 0.33 17.68 Al K 1.16 0.09 0.75 Si K 6.05 0.17 3.75 Zn K 2.34 0.24 0.62 Total 100.00

　100.00 表 表 3.6.2

　腐蚀 12h 后试样表面元素组成 理论上，镁锂合金在腐蚀过程中最有可能产生的化合物有 LiCO 3 和 Mg(OH) 2, 用表 3.5.2 中的数据与腐蚀前试样表面元素组成对比可以发现 O 元素含量变化较为明显，C 元素变化较小。并且 Mg(OH) 2 的晶体结构为密排六方，表面容易出现裂纹。结合腐蚀前后的 SEM 照片可以确定腐蚀产物为 Mg(OH) 2 。