六、如何解決AZ31鎂合金CO2激光焊焊縫下塌問題？

目前的鎂合金激光焊接中，大部分研究和應(yīng)用集中在無填絲的薄板焊接上，即通過母材的自熔化將兩塊金屬連接在一起。焊接過程中，由于鎂的表面張力較小（比鋁還小），焊件受熱時很容易使焊縫金屬產(chǎn)生下塌現(xiàn)象，特別是焊接功率越大，工件的熱輸入量大越大，下塌現(xiàn)象越嚴(yán)重。為解決焊縫下塌問題，拓寬激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域和提高焊縫的質(zhì)量，一些科研工作者在激光填絲焊方面進(jìn)行了較多的研究，提出了激光填絲焊接的新方法。激光填絲焊接與自熔焊接相比，具有很多優(yōu)點：第一，激光填絲焊接對母材的加工和裝配精度要求降低，可以降低加工成本；第二，激光填絲焊接過程中可以通過填加有用的合金成分方便改變和控制焊縫的組分，提高焊接接頭質(zhì)量；第三，激光填絲焊接可以焊接更厚的材料，而且容易實現(xiàn)多層焊。

例如，某院校的研究人員采用CO2激光焊接方法研究了AZ31鎂合金的填絲焊接工藝，實現(xiàn)了鎂合金的激光填絲焊接。試驗選取的AZ31鎂合金板材化學(xué)成分見表2-13，板材厚度為2.6mm。板材首先被加工成了80mm×245mm的試件，焊接前樣品用丙酮清洗以去除表面的油脂。試驗是在如圖2-31所示的具有自動填絲功能的CO2激光焊接試驗系統(tǒng)上進(jìn)行的，該系統(tǒng)由一個最大輸出功率為2.0kW的CO2激光器、具有特殊保護(hù)功能的焊槍、特制的焊接夾具、自動送絲機(jī)構(gòu)和數(shù)控工作臺等組成。焊接過程中，氬氣從焊槍軸向、側(cè)向和焊接夾具三路同時加入，如圖2-31所示。軸向氣體沿激光束軸線加入，用于保護(hù)激光的聚焦鏡頭不受熔滴的沾污；第二路氣從焊槍側(cè)面加入，以旁軸形式吹出，用于保護(hù)熔池表面和壓縮由于激光激勵產(chǎn)生的等離子體；第三路氣從夾具背面加入到焊接夾具的氣室中，可直接保護(hù)焊縫背面。

焊接采用平板對接方式，焊接過程中選取ERAZ31焊絲作為填充金屬，焊絲直徑為2.0mm，焊絲材料的組分與AZ31鎂合金母材基本相同，焊絲由自動送絲機(jī)構(gòu)通過送絲嘴送入到激光束中，焊絲與激光焦斑相交于工件的表面。焊接過程中，送絲角度（填充焊絲與工件表面之間的夾角，如圖2-31中的α角）是影響焊接質(zhì)量的一個重要參數(shù)。如果角度較小，送絲嘴靠近工件，則焊絲必須伸出較長的一段，導(dǎo)致焊絲的指向性下降，嚴(yán)重時焊絲會偏離光束，從而影響到激光對焊絲的加熱效果。

實踐證明，焊絲伸出送絲嘴的長度以不大于8mm為宜。反之，如果角度加大，就給調(diào)整填充焊絲帶來問題，因為很小的位置偏差就會使光束與焊絲的接觸點在垂直方向上發(fā)生很大的變化。送絲角度的大小還會影響到填充焊絲對激光的反射，送絲角度越大，焊絲對激光的反射越弱。通過工藝試驗得到最佳送絲角度范圍為20°～35°。研究者在工藝試驗中都采用28°的送絲角度，獲得的效果較好。

由于激光光束焦斑直徑只有ф0.3mm，焊絲的直徑為ф2mm，所以焊絲進(jìn)入熔池較困難，選擇合理的送絲方式對焊縫成型起著重要作用。送絲可分為“前送絲”和“后送絲”兩種方式（如圖2-32所示）。“前送絲”是指焊絲以一定傾角從熔池前方送入，焊絲端部對準(zhǔn)激光聚焦光斑，焊絲先受到光斑加熱，熔化后進(jìn)入熔池并進(jìn)一步受熱熔化混合。“后送絲”是指焊絲以一定傾角從熔池后側(cè)送入，并指向光斑，熔化后即混入尾部熔池并迅速凝固。

在相同焊接條件下，采用不同送絲方式得到的焊縫表面成型如圖2-33所示。由圖可見，采用“后送絲”方式填充的焊絲熔化但未與母材金屬熔合，而采用“前送絲”方式填充的焊絲得到的焊縫成型較好。“后送絲”與“前送絲”方式得到的焊縫表面成型不同是因為不同的送絲方式對焊絲的加熱機(jī)制不同，前者焊絲通過等離子體和熔池?zé)彷椛浼盁醾鲗?dǎo)加熱，這部分能量不足以使焊絲與母材金屬完全熔合；而后者焊絲是激光直接照射和等離子體加熱，使得焊絲熔化更充分。因此焊接時建議選擇“前送絲”方式。

獲得好的焊接質(zhì)量除與送絲角度和送絲方式有關(guān)外，還與激光功率參數(shù)有關(guān)。激光工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度和送絲速度。根據(jù)有關(guān)鎂合金CO2激光焊接經(jīng)驗，要獲得較好的焊縫表面保護(hù)效果，正面和背面保護(hù)氣體的流量需要達(dá)到20L/min以上。因此試驗過程中，軸向氣體壓力保持為0.2MPa，正面和背面的保護(hù)氣體流量都固定在20L/min。研究者試驗中選擇了L25（53）正交試驗，焊接試驗參數(shù)水平見表2-14。

正交試驗結(jié)果表明，激光功率要達(dá)到1200W以上，焊絲才能獲得較好的加熱并熔化，否則焊絲熔化較差，焊縫成型不好。同樣，焊接速度不能太快，否則焊縫中焊絲和母材熔合不好，較好的焊接速度范圍為600～900mm/min。而送絲速度亦不能太快，否則焊絲來不及熔化，可用的送絲速度范圍為400～800mm/min。上述就是2.6mm厚AZ31鎂合金板材的激光填絲焊較優(yōu)化的工藝參數(shù)。

從大量工藝試驗中，選取了兩個典型工藝條件下獲得的焊縫進(jìn)行了接頭性能分析，兩個典型接頭的焊接工藝條件見表2-15。

兩個焊接接頭的斷面形貌如圖2-34所示。從圖中可見，兩個焊縫都完全熔透，背面也形成了凸出的焊縫形貌，實現(xiàn)了單面焊雙面成型。由于焊接過程中填充了焊絲，使得兩條焊縫的上表面都有明顯的凸起，這樣就克服了原來的激光自熔焊（無填絲）存在的上表面下塌問題。兩個不同工藝條件下獲得的焊縫斷面有較大差別，焊接速度較小的焊縫B背面熔寬較大，背面下塌也較多。

兩個典型焊縫在母材、熱影響區(qū)和焊縫三個不同區(qū)域的顯微硬度如圖2-35所示。從圖中可見，典型試樣A和B的焊縫區(qū)域的顯微硬度值都與母材區(qū)域差不多，只是在熱影響區(qū)域稍微高一點，但三個區(qū)域的顯微硬度值都處于同一水平。因此填絲后的焊縫區(qū)域的硬度值與母材相比并沒有大的改變。

抗拉強度的測量結(jié)果如圖2-36所示。從圖中可見，典型試樣A和B的焊接接頭抗拉強度與母材的抗拉強度相差不大，說明AZ31鎂合金激光填絲焊焊接接頭的力學(xué)性能良好，達(dá)到了母材的水平。

試樣A焊接接頭熔合線附近的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖2-37所示。從圖中可見，母材金屬區(qū)域為典型的變形鎂合金的粗大等軸晶組織。同時，在熔合線附近沒有發(fā)現(xiàn)明顯的粗大晶粒組織形成，熱影響區(qū)不明顯。當(dāng)采用激光焊接方法時，激光束能量非常集中，焊后冷卻速度又很快，所以形成的熱影響區(qū)很小。在焊縫區(qū)域是明顯的枝狀晶結(jié)構(gòu)，而且枝狀晶的伸長方向是指向焊縫中心的，這主要是由于激光焊接的快速冷卻造成的，而且焊縫中心位置通過母材的傳熱比焊縫邊緣更慢，冷卻和凝固也最慢，從而使得枝狀晶的生長方向指向了焊縫的中心。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，與母材區(qū)域相比，焊縫區(qū)域晶粒明顯細(xì)化，這也為焊接接頭具有良好力學(xué)性能提供了保證。

由此可見，建立具有自動送絲功能的CO2激光焊接試驗系統(tǒng)，通過填加AZ31鎂合金焊絲，可以進(jìn)行AZ31鎂合金板材的激光填絲焊接。用填絲焊工藝形成的焊縫成型更加美觀，克服了不填絲焊接情況下焊縫的嚴(yán)重下塌問題。填絲焊工藝形成的焊縫顯微硬度和抗拉強度都與母材相當(dāng)，達(dá)到了母材的力學(xué)性能。