稀土鎂合金NZ30K激光焊接及接頭性能改善研究.pdf

1、在鎂合金工業(yè)化應(yīng)用過程中，焊接接頭質(zhì)量是關(guān)鍵問題之一。論文研究鎂稀土合金NZ30K與激光的相互作用機(jī)理;在非線性、大的溫度梯度、快速加熱冷卻條件下，激光工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形影響和對(duì)激光焊接接頭組織的影響及變化規(guī)律;研究焊接接頭焊接態(tài)，熱處理態(tài)組織與性能之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討其機(jī)理。研究成果不但具有重要的理論意義，同時(shí)解決了稀土鎂合金保證焊接質(zhì)量的技術(shù)難題，為工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。
　　 本文研究了CO2激光與鎂稀土合金NZ3

2、0K的相互作用機(jī)理，計(jì)算NZ30K合金表面對(duì)于入射激光的吸收率。利用光譜儀及高速攝影機(jī)采集并觀察焊接過程中等離子體的譜線信號(hào)及等離子體形態(tài)，估算等離子體溫度，分析鎂稀土合金焊接過程中等離子體的特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫下鎂稀土合金對(duì)于入射CO2激光的吸收率為0.036。使用高的激光功率，對(duì)鎂合金表面進(jìn)行毛化處理可以增加鎂稀土合金NZ30K對(duì)于CO2激光的吸收率。側(cè)吹保護(hù)氣體氦氣流量對(duì)于激光等離子體的影響顯著。對(duì)于內(nèi)徑6mm的側(cè)吹氣體噴嘴，

3、等離子體溫度隨側(cè)吹氣體流量增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，當(dāng)氣體流量30L/min時(shí)，對(duì)等離子體的冷卻效果最好。研究了多個(gè)焊接參數(shù)（激光功率、焊接速度、離焦量等）對(duì)鎂稀土合金焊接成形的影響。鎂稀土合金NZ30K激光焊接過程中當(dāng)熱輸入量過大時(shí)會(huì)在焊縫中心位置產(chǎn)生熱裂紋。10mm鎂稀土合金板材在實(shí)驗(yàn)條件下當(dāng)熱輸入量超過160J/mm時(shí)則產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋主要是由鎂稀土合金中在晶界偏聚的低熔點(diǎn)脆性物Mg12Nd和激光焊接時(shí)焊縫受到的拉應(yīng)力共同作用

4、引起的。采用高功率CO2激光器通過合適的工藝參數(shù)焊接能夠?qū)崿F(xiàn)鎂稀土合金NZ30K的良好連接，焊接接頭表面成形連續(xù)致密，沒有裂紋、氣孔等缺陷。
　　 利用OM、SEM、TEM等手段分析鎂稀土合金NZ30K激光焊接接頭的微觀組織并測(cè)試了接頭的力學(xué)性能。揭示鎂稀土合金激光焊接工藝參數(shù)、焊接接頭組織及力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。焊縫組織由大量細(xì)小等軸晶組成，晶界處主要為Mg12Nd，焊接接頭無明顯的軟化區(qū)存在。當(dāng)熱輸入量為84J/mm時(shí)焊縫

5、強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的80％。未熔透和氣孔是導(dǎo)致焊縫抗拉強(qiáng)度降低的主要原因。
　　 熱處理對(duì)于鎂稀土合金NZ30K激光焊接接頭組織和性能具有重要的影響。采用不同的工藝參數(shù)對(duì)得到的焊縫組織進(jìn)行熱處理，利用透射電鏡觀察研究焊縫典型時(shí)效處理后的組織，并對(duì)不同熱處理后的焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，揭示焊縫中稀土析出相的時(shí)效析出過程及對(duì)焊接接頭的強(qiáng)化機(jī)制。采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方法研究了不同形貌析出物對(duì)于NZ30K激光焊接焊縫組織強(qiáng)化作

6、用的大小。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫時(shí)效處理后組織中有大量不同形貌的析出物。鎂稀土合金NZ30K激光焊接焊縫時(shí)效沉淀析出過程應(yīng)為Mg(SSSS)→G.P.區(qū)→β"(DO19)→β'(fcc)。β"與基體形成共格界面，而β'與基體形成半共格界面。通過理論計(jì)算得到焊縫組織時(shí)效之后不同形貌析出物導(dǎo)致的強(qiáng)化作用的大小，它們的比值為△τ棱:△τ桿:△τ球:△τ片=3.57∶3.14∶1.86∶1。對(duì)于鎂稀土合金NZ30K激光焊接焊縫組織，在較高的析出相體

7、積分?jǐn)?shù)下，垂直于基面的棱柱面片狀析出相的強(qiáng)化效果最好，而平行于基面的片狀析出相強(qiáng)化效果最弱。析出物強(qiáng)化對(duì)于熱處理后焊接接頭強(qiáng)度的增加起主要作用，在200℃時(shí)效8小時(shí)后接頭強(qiáng)度達(dá)到最大，抗拉強(qiáng)度可達(dá)273MPa，比未熱處理的焊接接頭強(qiáng)度增加了70％。
　　 采用浸泡腐蝕和電化學(xué)測(cè)試方法研究不同狀態(tài)下的鎂稀土合金NZ30K激光焊接焊縫組織的腐蝕性能，分析產(chǎn)生不同腐蝕速率的原因，建立NZ30K焊縫腐蝕機(jī)理模型，揭示稀土元素在提高NZ3