LZ91镁锂合金激光焊接工艺研究

发布时间：2020-08-02 21:46

【摘要】：随着社会经济的发展,国家也越来越重视节约资源和保护环境,“轻质化”这一概念应运而生。镁合金具有密度小,比强度高,刚度高,易回收等优点,已被广泛应用于汽车,铁路和航空航天等领域,随着环境保护需求的不断增加,特别是二氧化碳减排的需求,镁合金等环保轻质材料的应用也在积极进展,而作为世界上最轻的合金—镁锂合金更是有着广阔的应用和前景。然而要真正实现工业上的应用,其连接技术更是重中之重。然而镁、锂熔沸点极低,金属活泼性高,在焊接过程中容易发生蒸发流失和氧化。激光焊具有热输入量小,冷却速度快,自动化程度高等优点已被广泛应用,因此用激光做光源可以作为解决上述问题的一种有效的方法。本文首先进行了Mg-9Li-Zn镁锂合金的平板激光拼接焊全因素实验,建立了焊接工艺窗口。详细研究了焊接功率、焊接速度、保护气流量、离焦量和线能量对激光焊接镁锂合金平板拼接焊焊缝成型的影响。发现只有在焊接功率在1000~1600 W,焊接速度在2~4 m/min,保护气流量在0.6~0.9 m~3/h,线能量在24~48 kJ/m之间时,才能得到成型良好的焊接接头。通过对匙孔的等离子体的高速摄像发现,在线能量在[14 KJ/m,24 KJ/m],功率[700,900]之间时,熔池刚好到达试板底部,熔宽较小,焊缝底部会产生下塌,这是由于表面张力难以支撑焊缝金属的重力。当匙孔一旦穿过试板,则得以形成成型良好的焊缝,熔宽明显增大,液态金属的受力达到稳定的平衡。接下来本文详细研究了焊缝的显微金相组织。激光焊接镁锂合金的焊接接头存在热影响区、柱状晶区、等轴晶区。母材成轧制态,α相成长条状分布在β基体相中。焊缝中心呈现等轴晶,这是激光焊接快速冷却的结果,焊缝中心成分过冷极大,α相和β相经过共晶转变后形成过饱和固溶体,一部分α相首先在晶界处析出。而后过饱和固溶体继续冷却沉淀析出成细针状组织均匀分布在晶粒内部。热影响区处的α相尺寸也较大,但小于母材尺寸。这是因为这一区域存在液化区,一部分α相液化后形成枝晶,打碎分布在基体中。对母材和焊缝的XRD图谱进行分析,发现激光焊接后原存在于母材的软化相θ(MgLiZn)相消失了,这显然会增加焊缝的硬度和强度。进一步,测定了焊缝的显微硬度,发现从焊缝中心到热影响区,再到母材,显微硬度依次呈递减的趋势。焊缝中心最高可达73.75 HV,比母材53.75 HV增加了37.2%。经激光焊接后,焊缝成型良好的接头经拉伸后,均断在了母材区,说明焊缝的强度要大于母材。经过在焊缝开坡口,拉伸后断裂处在热影响区。接头的最终UTS可达到188.47 Mpa,母材的UTS为155.58 Mpa。对焊缝以及母材的耐腐蚀性能进行探究实验,发现母材的自腐蚀电位为-1.62 V,而焊缝的自腐蚀电位在-1.25 V。经激光焊接后,焊缝组织更加均匀细化,可显著提高组织的耐腐蚀性能。最后进行了磁场辅助激光焊接LZ91镁锂合金的焊接实验。发现对2 mm厚镁锂合金来说,磁场强度≥200 mT时,磁场可明显改善焊缝的成型。针对之前单激光800 W,2 m/min焊接是出现的下塌,发现随着磁场强度的增加,下塌量相对减少,且200 mT之后,几乎不出现下塌。对显微组织进行观察,发现添加磁场后,焊缝区域更加均匀,母材中出现的鱼骨状组织不再出现,晶界处的晶粒取向变得杂乱无章。焊缝显微硬度标准差降低,说明组织更加均匀,这是磁场搅拌力的作用的结果。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.6
【图文】：

二元合金相图,镁锂,二元合金相图,减震性能

华中科技大学硕士学位论文LA141 合金的电阻率为61.53 10 m ，碳纤维复合材料约为21.2 10 m ，是 LA141合金电阻率的 10000倍。（6）优异的减震性能：材料的内耗系数是衡量减震性能的主要指数，内耗系数越大，表明其在发生震动时能将更多的能量消耗于金属内部，表明材料的的减震性能越好。普通镁合金的内耗系数约为 0.004，而镁锂合金的内耗系数可达到 0.0所以用镁锂合金制作设备的话，能够大大的减少震动，从而使设备工作更加稳定。

光纤激光器

建可以实现实验的可重复性，保证实验的准确器、机器人、高速摄像及相关设备的基础上搭本章将详细介绍该焊接系统平台的实验设备及材料、研究与分析方法。主要设备 Mg-9Li-Zn 合金的激光焊接，所用的主要设备系统及相应的高速摄像、工装夹具，激光清洗4000 型光纤激光器，其主要性能参数如下：最续可调，激光波长 1.07 μm，激光通过光纤传为 0.3 mm，透镜焦距为 250 mm。如图 2-1所

电控柜,机器人,主要设备,激光焊接

华中科技大学硕士学位论文激光焊接头采用的是 Precitec 的 YW50 激光焊接头。机器人系统作为激光焊接过程中的运动执行机构，其运动精度以及操作性对于激光焊接过程具有十分重要的作用。本课题中的机器人采用的是 ABB IRB4400 机器人，图 2-2即为相应的实验设备。

【参考文献】