五、采用CO2激光焊焊接AZ61和AZ31鎂合金各有什么特點？

激光焊接是一種比較先進的焊接鎂合金的方法，具有速度快、熱輸入量低、焊接變形小、容易實現自動化生產等優點，比傳統的弧焊方法更加適合于鎂合金結構件的焊接生產。目前應用較多的兩種鎂合金是AZ61和AZ31，那么CO2激光焊接AZ61和AZ31這兩種鎂合金各有什么工藝特點呢？在不同厚度的鎂合金板材激光焊接中，某院校的科研人員研究了焊接工藝參數對焊縫正面和背面熔寬以及焊縫成型的影響，并對獲得的典型焊接接頭性能進行了分析。

試驗材料為AZ61和AZ31兩種鎂合金板材，板材厚度分別為1.5mm、2.0mm和2.6mm，兩種材料的成分見表2-10。首先將板材切成80mm×245mm的試件，激光焊接前要將樣品用丙酮清洗干凈，以去除材料表面的油脂和污物。試驗在CO2激光焊接試驗系統上進行，如圖2-22所示，此試驗系統包括一個最大輸出功率為2.0kW的CO2激光器、具有特殊保護功能的焊槍、特制的焊接夾具和機械自動行走機構等。焊接過程中，為了保護焊接區域正反面的熔池，氬氣從焊槍和焊接夾具兩面同時加入。正面的氬氣從焊槍兩側加入，以旁軸形式吹出；背面的氬氣從夾具背面加入到焊接夾具的氣室中，可直接保護焊縫背面。

焊接形式采用平板對接，焊接過程不填充金屬。試驗過程中研究了激光功率、焊接速度、正面和背面的保護氣流量等四個工藝參數變化對鎂合金焊接效果的影響。

雖然激光的聚焦點也是比較重要的參數，但試驗發現，當激光的聚焦點聚焦到工件表面時，鎂合金才能獲得較高的熔化效率。因此，焊接時始終將激光的聚焦點固定在工件表面。試驗工藝條件根據不同的板材厚度進行了相應的調整，激光功率在0.8～1.5kW之間變化，采用連續方式輸出。焊接速度變化范圍為400～1000mm/min，正反面保護氣流量在5～25L/min之間變化。

根據研究者的試驗，首先讓我們觀察不同激光功率情況下焊縫熔寬的變化情況。焊接時，研究者采用的激光功率從0.8kW增加到1.5kW，測量了焊縫正面和背面的熔化寬度。對于不同厚度的AZ61和AZ31鎂合金薄板，采用不同的焊接速度。三種厚度（1.5mm、2.0mm和2.6mm）的鎂合金板采用的焊接速度分別為1400mm/min、1000mm/min和600mm/min，其主要目的是為了在所研究的激光功率范圍內能獲得較好的焊縫成型，防止出現燒穿或焊不透的情況。試驗過程中正面和背面的保護氣流量保持不變，分別為25L/min和20L/min，以保證熔池正面和背面獲得良好的保護。圖2-23給出了試驗獲得的焊縫正面熔寬隨激光功率的變化關系。從圖中可見，對不同厚度和不同材料的鎂合金，隨著激光功率的增加，正面熔寬都增大。這是因為激光功率增大，熱輸入增加，使得熔化的金屬量增加，正面熔寬也就相應增大。不同厚度的鎂合金薄板所獲得的正面熔寬變化規律基本相同。

對比相同厚度的兩種鎂合金材料獲得的正面熔寬發現，在相同的焊接條件下，對1.5mm的厚度，AZ61和AZ31獲得的正面熔寬相差不大；但對2.0mm、2.6mm的板厚，AZ61獲得的正面熔寬明顯大于AZ31。這可能與兩種鎂合金的合金成分不同有關，AZ61的合金成分（主要是Al）明顯高于AZ31。對鎂合金來說，隨著合金成分的增加，鎂合金的熔點降低，焊接過程熔化的金屬量和范圍增加，從而使熔化寬度增加。對1.5mm的厚度，由于焊接時用的焊接速度很快，單位長度的熱輸入本身較小，所以對兩種不同鎂合金材料表現不明顯，熔寬相差不大。由于所有試驗的焊縫都完全熔透，所以焊后從測量的焊縫背面熔化區的寬度（如圖2-24所示）可見，背面熔寬隨激光功率的變化規律與正面熔寬的規律基本相同，隨著功率的增大，背面熔寬增大。因此，激光功率的變化可以明顯改變焊縫的尺寸。

焊接速度的變化對焊縫熔寬的影響如圖2-25所示。為獲得好的焊縫成型和保證焊接熔透，研究者焊接不同厚度的鎂合金板時采用了不同的激光功率，對1.5mm、2.0mm和2.6mm的鎂合金板采用的激光功率分別為1000W、1200W和1400W。保護氣體流量與前面的試驗相同。從圖2-25中可見，焊接速度增大，正面熔寬明顯減小。對比兩種鎂合金材料的熔池熔寬發現：在相同的焊接參數情況下，AZ61的熔寬大于AZ31的熔寬。

不同焊接速度情況下獲得的焊縫背面熔寬如圖2-26所示。從圖中可以看出，隨著焊接速度增大，背面熔寬也減小，這與正面熔寬的變化規律是一致的。焊接速度增大，單位長度的熱輸入減小，導致熔化金屬減少，使得焊縫尺寸減小，說明焊接速度是影響焊縫尺寸和成型的又一個主要因素。從圖中還可以看出，在焊接速度較低時，對1.5mm和2.0mm厚的AZ61鎂合金板，存在一個背面熔寬顯著變化的奇異區間；在焊接速度較小（如400mm/min）時，背面熔寬很大，然后隨焊接速度的增大，背面熔寬才回到正常的曲線范圍。這是因為在AZ61母材較薄時，采用的激光功率相對較大，而焊接速度又很小，使得母材大量熔化，背面熔化金屬和熔池下塌都較多，從而使背面熔寬較大。同樣的焊接條件下，在材料AZ31上未發現背面熔寬增大現象，這也與兩者的合金成分相差較大有關。

焊接中，保護氣體的加入是為了保護焊縫的正面和背面防止其氧化。焊接2.6mm厚鎂合金板時，采用激光功率和焊接速度分別為1200W和800mm/min，背面保護氣流量固定在20L/min，試驗結果如圖2-27所示。從圖中可見，正面氣體流量對正面和背面的焊縫熔寬影響都比較小。對AZ61材料而言，在氣體流量較小時，隨氣體流量增大，正面焊縫寬度略有增加；但氣體流量增加較大時，正面熔寬略有減小。對AZ31材料，情況則有所不同，特別是氣體流量較大時，正面熔寬下降較多，這可能是因為氣體流量太大時，氣體帶走的熱量增加，使得散熱明顯加快，致使熔寬下降。正面氣體流量對背面熔寬影響不大，隨氣流增大，背面熔寬略有增大。此外，還試驗了背面保護氣體流量（從夾具加入）大小對焊接質量的影響，采用氣流量也在5～30L/min之間變化。此試驗用的鎂合金板厚度為2.0mm，激光功率和焊接速度分別為1200W和800mm/min，正面保護氣流量固定在25L/min，試驗結果如圖2-28所示。從圖2-28中可見，背面保護氣體流量對焊縫正面和背面熔寬的大小基本沒有影響。

對比圖2-27和圖2-28可以發現，圖2-27中正面和背面熔寬相差較大，而圖2-28中正面和背面熔寬相差很小。這主要是因為兩個試驗采用了相同的激光功率和焊接速度，但板材厚度不同，板材越厚，穿透到背面越少，形成的背面熔寬越小，這樣造成了正面和背面的熔寬相差更大。雖然正面和背面保護氣體流量對熔寬影響不大，但它們主要影響到正面和背面焊縫的保護效果。如果流量太小，則熔化金屬表面不能獲得很好的保護，表面氧化嚴重，呈現黑色的外觀。試驗發現，正面和背面的保護氣體流量都應當大于20L/min才能獲得好的保護效果。

后來，研究者又選擇了兩個典型的鎂合金焊縫進行分析，典型焊縫的焊接試驗條件以及正面和背面熔寬見表2-11。試樣A和B分別是不同材料的2.6mm鎂合金薄板對接焊縫，其焊縫正面外觀形貌如圖2-29所示。從圖中可見，激光焊接的焊縫表觀連續均勻、成型美觀、無表面缺陷、焊縫狹窄、熱影響區較小。兩個典型焊縫的橫斷面形貌如圖2-30所示。從圖中可見，在不填充金屬的情況下焊縫有一定的下塌量。同樣的參數情況下，AZ61獲得的熔化區面積比AZ31稍大。

兩個典型焊縫的顯微硬度測試結果見表2-12。從表中可見，熔合區和熱影響區的硬度均高于母材，說明焊縫區域的硬度優于母材。拉伸試驗結果發現，AZ61接頭試樣是在約3.18kN的拉力情況下，在母材金屬區域被拉斷，計算出的抗拉強度約為265MPa；而AZ31試樣是在約3.03kN的拉力情況下，也是在母材金屬區域被拉斷，其抗拉強度約為250MPa。這表明AZ61和AZ31焊接接頭的抗拉強度均高于母材的抗拉強度。因此，采用激光焊接方法焊接鎂合金獲得的焊接接頭具有很好的力學性能。