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1、精品论文推荐CO2 激光焊接工艺对 AZ31B 变形镁合金焊缝表面成形的影响 1谭稳达 单际国 雷祥 张婧 陈武柱1、 清华大学机械工程系 北京 1000842、 先进成形制造教育部重点实验室 北京 100084E-mail: 摘要：本文采用 3kW 的 CO2 激光器焊接 4mm 厚的 AZ31B 变形镁合金板材，研究了气体保护方 式和焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响。实验结果表明，保护气流的方向和气流量对焊缝 表面成形存在显著影响，当气流方向为与焊接方向相反并与水平方向呈 30角、气流量为2000L/h 时，焊缝的表面成形最为均匀平整。通过调整激光功率和焊接速度等工艺参数来改 变焊接热输入
2、，可以获得“未熔透”、“仅熔池透”、“适度熔透”和“过度熔透”等不同熔透 状态和表面成形特点的焊缝，其中“适度熔透”状态的焊缝正、背面成形最均匀；在相同的 焊接热输入条件下，强参数规范条件下获得的焊缝表面成形效果最佳。关键词：AZ31B 变形镁合金；CO2 激光焊接；焊缝表面成形；气体保护方式；工艺参数0.前言镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料之一，具有很高的比强度和比刚度，有利于减 轻结构重量，因而在汽车、航天和航空等领域具有较高的应用价值1，2。与铸造镁合金相比， 变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，因而具有更广阔的应用 前景3。但目前，镁合金在结构制造中的主要成
3、形方法仍然是铸造，其主要原因是镁合金的 自身连接以及与钢、铝等普适结构材料之间的焊接问题没有得到很好的解决。由此看来，镁 合金的焊接问题是制约其应用的瓶颈和急待解决的关键问题之一。激光焊接过程的热输入量低，焊接速度快，焊缝深宽比大，焊缝组织细化，热影响区窄， 焊接变形不严重，是一种高效的焊接镁合金的方法4。但是由于其特殊的物理性质，镁合金 在激光深熔焊过程中的小孔稳定性很差，直接造成熔池的不规则振荡和焊缝表面成形的不均 匀。目前已发表的文献中鲜见针对该问题的讨论，而本文对此进行了较细致的研究。1.实验方法本文选用目前最重要的商用变形镁合金 AZ31B 板材（4mm 厚）作为实验材料，母材为 热
4、挤压态。焊前需对母材进行化学处理以清除表面的氧化膜5。焊接实验使用美国 PRC 生产的 3kW 快轴流 CO2 激光器，光束模式为 TEM00+01，聚焦 元件为焦距 190mm 的 ZnSe 透镜。实验中采取激光深熔焊模式，选用最佳焦点位置，主要-1 本课题得到高等学校博士学科点专向科研基金资助（项目号：20060003070）- 2 -调节的焊接工艺参数为激光功率 P（12002400W）和焊接速度 V（12004800mm/min）。焊接时对镁合金熔池采取双面 Ar 气保护：正面保护气流方向为与水平面呈 1590，气流量 为 3002000 L/h；背面采用气槽保护，气体流量为 1200
5、L/h。焊后使用数码相机拍照记录焊缝表面成形情况。沿焊缝横截面截取金相试样，使用 KH-1000 视频显微分析仪拍照记录横截面形状。使用 AutoCAD 软件测量焊缝横截面形状参 数，测量结果取三个取样点的平均值。2.实验结果与分析本文的研究对象焊缝的表面成形良好时应该满足以下要求：完全熔透；焊缝无正面塌陷、 背面流淌、烧穿、表面粗糙度不均匀等成形缺陷。实验研究发现，气体保护方式和焊接工艺 参数都能够显著影响焊缝的表面成形。2.1 气体保护方式的影响镁合金的熔点和沸点低、电离能小，激光深熔焊时产生等离子体的倾向非常严重。等离 子体会对激光产生不稳定的屏蔽作用，导致工件无法吸收到稳定的激光能量。
6、此时，焊接小 孔内的受力平衡状态将发生波动并导致小孔和熔池形状的振荡，最终造成焊缝表面成形的不 均匀。在小孔上方通入保护气体，既可以保护熔池，又可以通过加快等离子体中的电子复合 速率和机械吹除等离子体这两种机制来减少小孔上方的等离子体数量，从而降低甚至抑制等 离子体对激光的不稳定屏蔽作用，提高小孔和熔池的稳定性。但是在保护条件选择不当时， 保护气流的动量冲击作用会导致小孔和熔池的剧烈振荡，有可能造成焊缝表面成形的显著恶 化。因此，选择气体保护方式的关键是在有效保护熔池的前提下，发挥气流吹除等离子体的 能力，同时抑制其对小孔及熔池的冲击。2.1.1 正面保护气流方向的影响实验中选用固定的焊接工艺
7、参数和背面保护方式（2000W1200mm/min，1200L/h 气槽 保护），在焊缝正面分别使用轴向气体保护（300L/h）和侧向气体保护（2000L/h）两种方 式进行焊接实验。其中侧向保护选用与焊接方向相反（即由熔池前沿送气）、并使其与水平 面分别呈 45、30和 15夹角的气流方向。实验结果表明，选用不同正面保护气流方向时，焊缝的表面成形存在明显的区别（图 1）。 在轴向保护条件下，焊缝的表面成形均匀性较差，正背面都能观察到明显的焊波起伏。而侧 向保护条件下焊缝表面成形的均匀性明显提高：当气流方向为侧向 45或 15时，焊缝出现 了一定程度的起伏，但其起伏程度明显小于轴向保护条件下得
8、到的焊缝；当气流方向为侧向30时，焊缝的表面成形非常均匀，没有观察到明显的起伏。 采用轴向保护得到的焊缝的表面成形极不均匀，主要原因是轴向气体对小孔和熔池的冲击扰动。在激光深熔焊时，小孔形状主要通过金属蒸发的反冲压力与小孔内的表面张力、静 压力和液体流动阻力等作用力之间的受力平衡来维持。轴向保护气流的冲击极易破坏这种平 衡，引起小孔形状的不断振荡，进而造成熔池的不稳定和焊缝表面成形的不均匀。尽管降低气流量可以减小气流对小孔和熔池的冲击扰动，但过低的气流量会导致保护熔池和机械吹除等离子体的效果下降。 侧向保护方式在保证对等离子体的吹除效果的同时，又能够减少气流对小孔内受力平衡的直接干扰，因而更有
9、利于焊缝表面成形的均匀稳定。其中当气流方向与水平面呈 30时焊 缝的表面成形最为均匀平整。该条件下保护气流拥有适当的竖直和水平分量，竖直分量能够 适度减缓等离子体喷出的速度，而水平分量能将减速后的等离子体迅速吹向小孔的后方。由 于等离子体被有效吹除，焊接过程的稳定性得以提高。当气流方向与水平呈 45时，气流的 竖直分量过大，其对小孔和熔池的冲击效果显著增强，气流作用效果更类似于轴向气体保护， 所以焊缝的成形效果不佳。而当气流方向与水平面呈 15角时，气流的竖直分量不足以有效 减小等离子体喷出的速度，气流的水平分量只能吹除部分等离子体，而残留在小孔上方的等 离子体仍足以对激光产生不稳定的屏蔽作用
10、，所以焊缝的表面成形不够均匀稳定。图 1 正面保护气流方向对焊缝表面成形的影响（2000W1200mm/min）Figure.1 Influence of Flow Direction of Front-side Shielding Gas on Weld Surface Formation(2000W1200mm/min)2.1.2 正面保护气流量的影响保持焊接工艺参数和背面保护方式不变，在优化的正面保护气流方向（30侧向保护） 条件下使用不同气流量进行焊接实验，研究气流量对焊缝表面成形的影响（图 2）。当气流 量为 800L/h 时，焊缝未熔透；当气流量增大到 1400L/h，焊缝实现了稳
11、定熔透，但焊缝表面 成形并不均匀，特别是焊缝背面存在着明显的不规则起伏；当气流量增大到 2000L/h 时，焊 缝稳定熔透，且表面成形的均匀性显著提高。图 2a 未熔透焊缝的横截面显示小孔的生长被明显抑制（图 3）。这说明 800L/h 的侧吹 气流量无法有效去除小孔上方的等离子体，等离子体的大量聚集对激光造成了非常严重的屏- 3 -蔽作用，工件无法获取足够的能量以发生熔化和蒸发，小孔深度和焊缝熔深因而受到抑制。图 2b 的焊缝实现了稳定熔透，这说明 1500L/h 的气流对等离子体的吹除效果明显增强，但 焊缝的表面成形并不均匀，可以推断小孔上方的等离子体并未被完全吹除，残余的等离子体 仍对激
12、光产生不稳定的屏蔽作用，造成小孔和熔池的不稳定。图 2c 焊缝的表面成形均匀， 这说明 2000L/h 的侧向保护气流足以有效地吹除小孔上方的等离子体，工件获得足够能量以 保证焊缝的熔透，并且小孔和熔池也非常稳定。由于受到调节范围的限制，实验中无法获得大于 2000L/h 的气流量。但可以推测，适当 地继续增大气流量应该有利于进一步增强气流吹除等离子体的效果和改善焊缝的表面成形； 但当气流量过分增大时，其对小孔和熔池不断增大的冲击扰动作用将不可避免地造成小孔和 熔池的振荡，进而导致焊缝表面成形的恶化。图 2 正面保护气流量对焊缝表面成形的影响（2000W1200mm/min）Figure.2
13、Influence of Flow Rate of Front-side Shielding Gas on Weld Surface Formation(2000W1200mm/min)- 9 -图 3 焊缝的横截面图（侧向 30，800L/h，2000W1200mm/min）Figure.3 Cross Section of Bead(30 to the horizontal, 800L/h,2000W1200mm/min )图 4 焊缝局部纵截面图（侧向 30，2000L/h，2300W3600mm/min）Figure.4 Vertical Section of Bead(30 to t
14、he horizontal, 2000L/h, 2300W3600mm/min )2.2 焊接工艺参数的影响在激光焊接过程中，气体保护条件只是通过等离子体而间接地影响到激光能量向工件传输的过程，而焊接速度和激光功率通过焊接热输入和激光功率密度间接影响到焊接热循环特 征，从而改变小孔和熔池的形状及其稳定性，最终也影响到焊缝的表面成形。2.2.1 焊接热输入的影响实验中选用优化的保护气流方向和气流量（侧向 30，2000L/h），通过单独改变激光功 率和焊接速度来改变焊接热输入。实验发现，随着焊接热输入的增大，焊缝的表面成形（特 别是背面成形）出现了有规律的变化。保持激光功率不变（2300W），通
15、过减小焊接速度以增加焊接热输入，获得了表面成形 特点不同的焊缝（图 5）。当焊接速度为 4400mm/min 时，焊接热输入不足，焊缝背面未出 现熔化现象。当焊接速度为 3600mm/min 时，焊缝背面熔透不稳定，熔透区间内焊缝背面出 现类似钟乳石状的凸起（图 4），总体来看，背面成形的均匀性很差。当焊接速度减小到3200mm/min 时，焊缝实现了稳定熔透，焊缝背面的部分区间内开始出现平整的表面成形， 但其余区间内仍存在钟乳石状的凸起，背面成形总体仍不均匀。当焊接速度为 2600mm/min 时，焊接热输入足以保证焊缝稳定熔透，背面几乎不存在钟乳石状的凸起，表面成形非常平 整。而当焊接速度
16、进一步减小到 1600mm/min 时，焊缝的背面成形保持平整，但是焊缝背面 的熔宽明显增大，并出现较为严重的背面凹陷，成为另一种明显的表面成形缺陷（图 6，表1）。在以上焊缝中，当焊缝背面成形波动时，焊缝正面的成形也随之产生起伏，但其幅度 远小于背面。图 5 焊接速度对焊缝表面成形的影响（侧向 30，2000L/h）Figure.5 Influence of Welding Speed on Weld Surface Formation (30 to the horizontal, 2000L/h)图 6 焊缝背面凹陷示意图Figure.6 Sketch of Back-side Depre
17、ssion of Bead表 1 焊接速度对焊缝背面凹陷程度的影响（侧向 30，2000L/h）Table.1 Influence of Welding Speed on Back-side Depression of Bead (30 to the horizontal, 2000L/h)激光功率 P（W）焊接速度 V（mm/min）背面凹陷程度 SD（mm2）23004400未熔透3600不稳定熔透3200熔透，背面凸起和凹陷交替出现2600熔透，背面凹陷 0.151600熔透，背面凹陷 0.42保持焊接速度不变（2400mm/min），通过增加激光功率而增大焊接热输入，焊缝的表 面成形呈
18、现出了相似的变化规律（图 7）。当激光功率为 1600W 时，焊缝虽然稳定熔透， 但是背面存在严重的钟乳石状凸起，表面成形极不平整。当激光功率为 2000W 时，焊接热 输入增大，焊缝背面的钟乳石状凸起基本消失，表面成形非常均匀。当激光功率增大到2400W，焊接热输入继续增大，焊缝的表面成形也非常均匀，但背面凹陷程度表现出增大的 趋势（表 2）。图 7 激光功率对焊缝表面成形的影响（侧向 30，2000L/h）Figure.7 Influence of Laser Power on Weld Surface Formation (30 to the horizontal, 2000L/h)表
19、2 激光功率对焊缝背面凹陷的影响（侧向 30，2000L/h）Table.2 Influence of Welding Speed on Back-side Depression of Bead (30 to the horizontal, 2000L/h)焊接速度 V（mm/min）2400激光功率 P（W）160020002400背面凹陷程度 SD（mm2） 背面凸起和凹陷交替出现0.150.20分析实验现象认为：随着焊接热输入的增加，镁合金焊缝呈现出类似钢铁材料激光焊接 时的“未熔透”、“仅熔池透”、“适度熔透”和“过度熔透”等四种典型的熔透状态6。由于不同 熔透状态下镁合金的小孔和熔池
20、具有不同的物理过程，因此焊缝的表面成形也呈现出不同的 特点，并且这些特点与钢铁材料激光焊缝的表面成形特点并不完全相同。当焊接热输入不足时，焊缝处于“未熔透”状态。在这种焊接条件下，激光虽然能在工件 上产生小孔和熔池，但不足以穿透工件，焊缝背面没有出现熔化痕迹（图 5a）。当焊接热输入增加，小孔生长至工件背面的附近（但尚未穿透工件背面），而小孔下方 的液态金属层已经穿透到工件背面（即熔池已穿透到工件背面），这种状态为“仅熔池透”。 由于穿透工件背面的液态镁合金层厚度有限且表面张力很小，稳定的“仅熔池透”状态极难维 持，焊缝倾向于在“仅熔池透”和临近的熔透状态之间随机反复跳变：当焊接热输入相对较小
21、 时，焊缝更倾向于随机跳变至“未熔透”状态，焊缝整体表现为不稳定熔透（图 5b）；当焊 接热输入相对较大时，焊缝更倾向于随机跳变至“适度熔透”状态，焊缝整体表现为稳定熔透（图 5c 和图 7a）。所以，本文所指的“仅熔池透”状态并非稳定的“仅熔池透”状态，而是指 焊缝在“仅熔池透”和临近熔透状态之间随机反复跳变的不稳定状态。由于熔透状态不断变 化，小孔和熔池的形状会出现剧烈波动。当焊缝从其它熔透状态跳变回到“仅熔池透”状态时， 这种剧烈波动将对熔池底部的液态镁合金层产生巨大的冲击并导致其崩溃，液态镁合金从工 件背面涌出并随之凝固，从而形成了工件背面的钟乳石状凸起；并且伴随着焊缝背面钟乳石 状凸
22、起的出现，焊缝正面成形也出现起伏。可以说，焊缝背面的钟乳石状凸起是“仅熔池透” 状态下焊缝表面成形的典型特征。随着焊接热输入的进一步增加，小孔能够穿透工件，为“适度熔透”状态。这时的小孔和 熔池相对稳定，焊缝的正背面成形都非常均匀。由于小孔内的等离子体会从焊缝背面喷出， 其反冲压力会使液态金属向小孔四周流动，焊缝背面不再出现钟乳石状凸起（图 5d 和图 7b）。当热输入继续增加时，小孔在工件背面的开口尺寸和熔池的背面宽度都进一步增大，焊 缝出现“过度熔透”。“过度熔透”状态焊缝的正背面成形同样具有很好的均匀性，但背面出现 了明显的凹陷现象，是一种明显的表面成形缺陷（图 5e 和 7c）。与“适
23、度熔透”状态相比，“过 度熔透”状态下的熔池拥有更大的背面宽度，因此更大面积的液态镁合金将会受到背面保护 气体的托举作用，特别是对于表面张力很小的液态镁合金，这种明显的托举作用最终导致焊 缝背面出现了明显的凹陷。2.2.2 焊接规范的影响焊接热输入决定了焊缝的熔透状态，进而影响了焊缝的表面成形。而在相同的焊接热输入条件下，大功率与高速度的强规范和小功率与低速度的弱规范所得到的焊缝的表面成形也 有显著区别。本研究在 60J/mm 的焊接热输入条件下选用了三组不同的参数规范进行焊接实验。三组 规范下的激光功率都能保证深熔焊模式，焊接热输入也足以保证焊缝实现稳定熔透，但三条 焊缝在表面成形的均匀性方
24、面存在明显的区别（图 8）。在弱规范条件（1600W1600mm/min） 下，焊缝正面存在明显的焊波起伏，背面存在钟乳石凸起；使用中规范（2000W2000mm/min） 焊接， 焊缝 正面成 形较 为平整 ，背 面基本 未出 现钟乳 石状 凸起； 而使 用强规范 （2400W2400mm/min）时焊缝的表面成形则明显改善，正背面的成形都非常均匀平整，没 有明显的成形缺陷。图 8 焊接规范对焊缝表面成形的影响（侧向 30，2000L/h）Figure.8 Influence of Welding Parameters Combination on Weld Surface Formatio
25、n (30 to the horizontal,2000L/h)实验表明，在相同的热输入条件下，使用大激光功率和大焊接速度的强参数规范时小孔 和熔池的稳定性最好，焊缝的表面成形最均匀。一方面，强参数规范条件下选用的大激光功 率有利于焊接小孔的稳定。在激光焊接过程中，激光功率密度（在激光光斑尺寸不变时，激 光功率密度与激光功率成正比）直接决定了工件的升温速度和峰值温度：激光功率越大，工 件能够达到的温度越高，金属的熔化和蒸发速度就越快。当激光功率较大时，金属蒸发强烈， 蒸发反作用力也相对更大，能够保证小孔的始终打开和小孔壁的相对稳定；相反地，当激光 功率减小（即使保证了相同的热输入），小孔内的金
26、属蒸发显著减弱，维持小孔打开的蒸发 反作用力变小，小孔更容易在受到干扰后发生波动。另一方面，强参数规范选用较大的焊接 速度对小孔和熔池的稳定性也是有利因素。在大焊接速度的条件下，热源移动非常快，激光 辐照时金属材料的熔化、蒸发、小孔的产生和热源离开后液态金属的回填和熔池的凝固都被 压缩到更短的时间内完成。由于工件局部加热和冷却的时间变短，因热传导而损失的能量也 随之减少，更多吸收的能量被用于金属的熔化和汽化，这在一定程度上有利于小孔的稳定；同时，由于熔池凝固速度加快，工件局部处于熔化态的时间变短，熔化态金属受到扰动并发生形变的几率也随之下降，这也有利于熔池稳定性的提高。3. 结论（1）AZ31
27、B 变形镁合金 CO2 激光焊接的焊缝表面成形性能较差，激光焊接过程中的气 体保护方式（气流方向和气流量）以及焊接工艺参数（激光功率、焊接速度、焊接规范的强 弱）都会对焊缝的表面成形产生影响。（2）在轴向和多个不同方向的侧向保护气流方向中，与焊接方向相反并与水平方向呈30的侧向保护气流最有利于焊缝获得均匀平稳的表面成形；在该气流方向条件下，选用2000L/h 的气流量最有利于焊缝获得均匀平稳的表面成形。（3）通过增大激光功率或减小焊接速度来增加焊接热输入，能够依次获得“未熔透”、“仅 熔池透”、“适度熔透”和“过度熔透”状态的焊缝；其中“适度熔透”状态的焊缝表面成形均匀 平稳，没有明显的缺陷，
28、整体效果最好。而在相同热输入条件下，强参数规范条件下获得的 焊缝表面成形最为均匀平稳。参考文献1潘际銮. 镁合金结构及焊接J. 电焊机. 2005, 35(9): 1-72Cao.X, Jahazi.M, Immarigeon.J.P et al. A review of laser welding techniques for magnesium alloysJ. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 171(2): 188-2043刘正, 张奎, 曾小勤. 镁基轻质合金理论基础及其应用M. 北京: 机械工业出版社, 20024李
29、力钧. 现代激光加工及其设备M. 北京: 北京理工大学出版社, 19935中国机械工程学会焊接学会.焊接手册 (第 2 卷 材料的焊接)M. 北京: 机械工业出版社, 1992 6张旭东, 陈武柱, 刘春等. CO2 激光焊接的同轴检测与熔透控制 IJ. 焊接学报. 2004, 25(4):1-4Influence of CO2 Laser Welding Process onWeld Surface Formation of Wrought Magnesium AlloyAZ31BTAN Wen-da, SHAN Ji-guo, LEI Xiang, ZHANG Jing, CHEN Wu-
30、zhu1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China2. Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, Beijing100084, China精品论文推荐http:/ABSTRACTSheets of wrought magnesium alloy AZ31B were welded by CO2 laser, and the influences of
31、 gas shielding condition and welding parameters on weld surface formation were investigated. The results showed that the direction and flow rate of shielding gas could seriously influence the weld surface formation, and the smoothest surface formation were obtained when the shielding gas is at 30 de
32、gree to the horizontal with a flow rate of 2000L/h. With heat input varied, welds of “partial penetration”, “weld pool penetration”, “moderate penetration” and “excessive penetration” were obtained, among which the moderate penetrated weld possessed the smoothest surface formation. And with the same
33、 heat input, the parameter combination of high laser power and welding velocity ensured the smoothest weld surface formation.KEYWORDS: Wrought Magnesium Alloy AZ31B; CO2 Laser Welding; Weld Surface Formation; GasShielding Condition; Welding Parameters作者简介：第一作者：谭稳达（1982 年出生，广西桂林人，硕士研究生）通讯作者：单际国（1965 年出生，山东胶州人，教授、博士；email: ； 电话：010-62773798）雷祥（1985 年出生，新疆博乐人，硕士研究生）- 10 -