镁合金激光焊接技术

图片来自--《现代激光焊接技术》
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原理；光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸 发的金属可防止剩余能量被金属 反射掉。如果被焊金属具有良好 的导热性能，则会得到较大的熔 深。激光在材料表面的反射、透 射和吸收，本质上是光波的电磁 场与材料相互作用的结果。激光 光波入射材料时，材料中的带电 粒子依照光波电矢量步调振动， 使光子的辐射变成了电子的动 能。物质吸收激光后，首先产生 的是某些质点的过量能量，如自 由电子的动能，束缚电子的激发 能或者还有过量的声子。这些原 始激发能经过一定过程在转化为 热能。
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图片来自--《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》
四、镁合金的焊接特点
1. 氧化、氮化和蒸发 镁易与氧结合， 在焊接的高温下会生成MgO，易使焊缝形成 细小片状的固态夹渣而降低性能。镁还与空气中的氮化合生成 Mg3N2， 导致焊缝的塑性降低，脆性变大。镁的沸点1100℃ 左右，在焊接高温下容易蒸发。因此，镁合金焊接需要严格的 保护措施。 2. 热裂纹倾向 在焊接过程中， 镁与一些合金元素（Cu、Al、Ni等）易形成 低熔点共晶体，在脆性温度下容易形成热裂纹。镁熔点低，热 导率高，较大的焊接热会导致焊缝及近缝区金属产生粗晶现象， 降低了接头的性能。镁的热膨胀系数较大，是铝的1.2 倍，焊 接时易产生较大的热应力和变形，加剧裂纹的形成。 3. 气孔和烧穿 氢在镁中的溶解度随温度降低而急剧减少，焊后随着温度下降， 大量氢析出产生气孔。由于镁合金表面的氧化薄膜比合金熔点 高，随着焊接温度升高，两者不能熔合，导致焊缝烧穿和塌陷， 尤其在焊接镁合金薄板情况下容易出现这种情况。
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加工性能好
Mg
Al
图片来自--《时代骄子——镁合金》《中国镁业风光无限》
3．镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，适合于作发出电 磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机。
电磁屏蔽性强 Mg Al
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4．镁合金有较高的尺寸稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工 件尺寸精度高，除镁-铝-锌合金外，大多数镁合金在热处 理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于 零，适于做样板，夹具和电子产品外罩。 5 5．镁合金对缺口的敏感性比较大，易造成应力集中。125℃ 125 以上的高温条件下，多数合金的抗蠕变性能较差，这在选 用它和设计零件时应考虑。 6．可回收。与塑料类材料相比，镁合金具有可回收性。这对 降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。
图1.光纤激光焊接装置
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Байду номын сангаас
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表2 光纤激光焊工艺参数
Laser power/ kW Defocus length/ mm Welding speed/ (m# min- 1 ) Coaxial shielding gas/ MPa Side shielding gas / ( L # min- 1) 11 5, 21 25, 31 0 0( on surface) 2, 21 5, 3, 31 5, 41 0, 41 5, 51 0, 51 5 01 6 25
镁合金激光焊接技术
主要内容
一、镁合金的特点 二、镁合金焊接方法 三、激光焊接及其原理 四、镁合金激光焊接工艺及接头组 织分析 五、镁合金的焊接特点 六、激光焊的应用 七、镁合金焊接技术的展望 八、参考资料
一、镁合金的特点及应用
镁合金的特点
1、镁合金的密度是钢的23％，铝的67％，塑料的170%，是 金属结构材料中最轻的金属。在相同的强度和刚度况下， 用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量 。
焊后取焊接接头的横 截面, 通过粗磨、精磨、 抛光后先进行宏观分析,通 过计算机图像处理系统自 动计图2 是焊缝表面形 貌。由图2 可见, 焊缝表面 均匀圆滑、连续, 鱼鳞纹 细密均匀, 无明显的焊接 缺陷。 图2 焊缝表面形貌 图片来自--《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》
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表3 热输入对焊缝形状参数的影响
Laser power / kW 31 0 11 5 31 0 21 25 31 0 21 25 11 5 21 25 11 5 11 5 Welding speed / (m# min- 1 ) 31 5 21 0 41 0 31 5 51 5 41 5 31 0 51 5 41 0 41 5 Heat input / ( kJ # m- 1) 511 4 451 0 451 0 381 6 321 7 301 0 301 0 241 5 221 5 201 0 Pen et ration depth/ mm 31 0 31 0 31 0 31 0 21 0 11 9 11 9 11 3 11 5 11 2 Bead width/ mm 21 3 21 4 21 2 21 1 21 0 21 0 11 7 11 7 11 5 11 4 Aspect ratio 11 30 11 25 11 36 11 43 11 00 01 95 11 12 01 76 11 00 01 86
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图1- 3 是功率为 115kw 时, 不同速 度下的焊缝区组织。 可见, 随着焊接速 度增加, 晶粒变小。 这是因为随着焊接 速度增加,焊缝金 属加热时间变短, 热输入减少, 因此 晶粒细化,同时更 多的合金元素熔入 其中，显微硬度明 显增大, 见图4。
比重轻
Mg
Al
重金属
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2、镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在 同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减 振功能，可承受较大的冲击震动负荷。
减震性能强
Mg
Al
Fe
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3、镁合金具有较好的铸造性和加工性能。
五、镁合金激光焊接的应用
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七、镁合金焊接技术的展望
镁合金作为21 世纪新型绿色结构材料，在汽车、交通、宇航、电子 产品、民用产品等领域有着广泛的应用前景，而焊接已成为制约其发 展应用的瓶颈，因此镁合金焊接就成为目前国内外的研究热点。目前 对镁合金的焊接还没有形成较成熟的方法。根据目前的研究现状，以 后研究工作重点有以下几个方面： （1） 对传统的焊接方法进一步深入研究。针对镁合金在氩弧焊焊接过 程中容易产生焊缝脆性、气孔、裂纹以及热影响区晶粒粗大等缺 陷，研究的重点在优化弧长控制、填充焊丝的选配、送丝速度、 接头性能的提高、焊接裂纹及变形的控制等方面。 （2） 对A-TIG 焊、电子束焊、激光-氩弧复合焊和FSW 的研究。A-TIG 焊活性剂的选择、活性剂机理研究等；电子束焊真空室的设计、 工艺参数选择、非真空焊接的保护措施等；激光-氩弧复合焊中的 焊接速度、激光的输出功率、气体保护流量控制、热源间距控制 等；FSW 的焊接速度、搅拌头的转速、轴向压力、搅拌头的磨损 等。 （3） 对同一种镁合金材料进行不同的焊接方法研究， 根据焊缝的组织 和性能来确定合适的焊接方法。
表3 是热输入对焊缝形状参数的影响。可见, 随着热输入的增加, 熔深明显增加。当热输入较低时( <241 5kJ # m- 1 ) , 熔深较小, 热导 焊是主要的焊接机理。此时热损失高, 效率低, 焊缝深宽比小。当热 输入较高时( > 30kJ # m- 1 ) , 熔深较大, 深熔焊是主要的焊接机理 [ 10] 。此时热损失低, 效率高, 熔深大, 焊缝深宽比大。此外, 激光功 率和焊接速度对焊缝熔深和熔宽也有影响, 随着激光功率增加或焊接 速度降低, 焊缝熔深和熔宽都明显增大。这与CO2 和Nd : YAG激光 焊接趋势一致。
接头组织分析
右图是光纤激光焊接接头 的显微组织。 图中左侧为母材区, 右侧 为焊缝区。母材和焊缝交 界处的热影响区不明显, 母材为粗大的等轴晶, 焊 缝晶粒明显细化。 该接头组织与焊接状态和 镁合金自身特性有关。光 纤激光能量密度高, 焊接 时热输入小, 因此热影响 区小。光纤激光能够迅速 熔化焊件, 镁合金的热导 率大,冷却速度快, 所以晶 粒明显细化。
八、参考资料
《特种焊接技术及应用》曹朝霞 主编 北京理工大学出版社 《特种焊接技术及应用》李亚江 王娟 刘鹏 编著 化学工业出版社 《现代激光焊接技术》 陈彦宾 编著 科学出版社 《镁合金光纤激光焊接工艺及接头组织分析》内蒙古工业大学 刘 军 董俊慧 吴永军 《镁合金焊接技术研究》宋 刚 刘黎明 《镁合金焊接技术的研究现状与展望》重庆大学 胡耀波 赵冲 邓娟 《时代骄子——镁合金》《中国镁业风光无限》
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三、镁合金激光焊接工艺
以光纤激光焊接AMCa403 镁 合金为例： 采用310kw的IPGYLR23000 光纤激光焊接设备进行平板熔 焊实验, 如图1 所示。该设备的 最大输出功率为310kw, 激光 连续输出, 波长为1070nm, 聚 焦光斑直径为0.1436mm, 焦距 为341mm。焊接过程中, 采用 轴向、侧向氩气对焊缝及熔池 进行保护。焊接前用丙酮清洗 试样表面去除油污, 然后用钢 丝刷清理表面去除氧化膜。
二、镁合金焊接方法
（一）传统的焊接方法
1.钨极氩弧焊（TIG） 2.熔极氩弧焊（MIG） （二）先进的焊接技术 1.活性钨极氩弧焊（A-TIG） 2.真空电子束焊 3.激光-氩弧复合焊 4.搅拌摩擦焊（FSW）
二、激光焊接及其原理
定义：激光焊接是利用高能 量密度的激光束作为 热源进行焊接的一种 高效精密的焊接方法。 其中，根据激光对工件的作用 方式和激光器输出能量 的不同，可将激光焊分 为连续激光焊和脉冲激 光焊。