LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能

姜炳春，付 琴，胡少华，唐联耀，刘方方

(广东科技学院机电工程学院，东莞 523083)

0 引 言

镁及镁合金具有密度低、比强度高、电子屏蔽性能优良、抗阻尼性好及易回收再利用等特点，被誉为“21世纪绿色结构材料”[1-3]。具有密排六方(hcp)晶体结构的镁及镁合金在室温下的滑移系有限，塑性变形及成形能力较差，这限制了镁合金产品的工业应用范围。随着镁及镁合金中添加的锂含量增加，镁锂合金的晶体结构发生改变[4-5]。根据Mg-Li二元相图[6]：当锂质量分数低于5.7%时，锂原子完全固溶在镁中，组织为hcp结构的α相，塑性变形能力较差；当锂质量分数高于10.3%时，组织为体心立方(bcc)结构的β相，滑移系大于5个，延展性和塑性成形能力较好，但其强度较低；当锂质量分数介于5.7%10.3%时，合金组织中存在α相和β相，双相结构的镁锂合金兼顾强度和延展性，是交通运输车辆制造中代替铝合金和钢的理想结构材料[7]。在交通运输车辆制造中，整体成形工艺成本大，难度高，结构件间通常采用焊接方式进行连接。为扩大镁锂合金的工业应用范围，有必要开发一种有效环保的连接方式，以解决镁锂合金的连接问题。

镁锂合金的主要成分以镁为主，该合金的焊接工艺可借鉴镁合金的焊接工艺，也可采用镁合金的焊接设备[6]。但是，镁锂合金的焊接工艺比镁合金的更加复杂与困难，这是因为在镁锂合金的焊接过程中，不仅要考虑因合金再结晶温度范围宽而造成的焊缝气孔及裂纹，以及高温下镁和锂形成氧化物和脆化相等夹杂物的问题，还要考虑在焊接过程中因高温发生爆炸而造成高温熔融物飞溅的安全隐患问题。目前，有关镁锂合金焊接工艺的研究报道主要集中在氩弧焊方面[7-9]。但是，氩弧焊的热输入大，焊后焊件的变形程度严重、热影响区范围较宽、组织粗大，导致焊接接头的力学性能下降。与氩弧焊相比，激光焊接具有热输入低、冷却速率快和接头热影响区较小、焊缝组织细小、力学性能优良等特点，更适用于镁锂合金的连接。吕君霞等[10]对Mg-9.8Li-2.9Al-Zn合金进行激光焊接后发现：接头热影响区范围较小，宽度仅为120 μm，焊缝组织由α相和β相组成，与母材组织相比，焊缝中α相数量增加且呈细针状，显微硬度比母材的高约20 HV。刘旭贺等[11]对LZ91镁锂合金薄板进行激光焊接后发现：焊缝组织由树枝晶区、等轴晶区组成，接头的抗拉强度达到母材的81.2%，拉伸断裂发生在熔合线处。余文祥[12]研究了焊接功率、焊接速度、保护气流量等焊接工艺参数对LZ91镁锂合金激光焊接接头组织与性能的影响，获得成形良好焊接接头的工艺参数。但是，在上述研究中的激光焊接镁锂合金存在焊缝晶粒仍较大，接头抗拉强度较低等问题。为解决上述问题，作者采用CO2激光焊接技术焊接LZ92镁锂合金，研究了焊接接头的显微组织与力学性能，以期获得综合性能良好的镁锂合金连接件。

1 试样制备与试验方法

试验材料为10 mm厚的挤压态LZ92镁锂合金，制备工艺参考文献[13]。将挤压板置于200 ℃下保温2 h后空冷，然后在室温下进行多道次轧制至厚度为2 mm。焊接前依次对焊接试样进行打磨、脱脂、酒精和去离子水清洗、冷风吹干处理。采用YLS4000型光纤激光器进行焊接，采用平板对接方式，拼接缝中不填充金属，高纯度氩气作为保护气体，采用正面气罩法进行保护。激光的固定输出功率为1 000 W，焊接速度为3 m·min-1，氩气流量为20 L·min-1，离焦量为1 mm。

激光焊接完成后，在焊接接头处截取金相试样，经打磨、抛光，用0.2 g苦味酸+1 mL冰醋酸+25 mL无水乙醇+5 mL水组成的溶液腐蚀30 s后，采用LEICADM4000型光学显微镜观察接头不同区域的显微组织。采用X pert pro PANalytical型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，采用铜靶，加速电压为60 kV，扫描速率为5 (°)·min-1，扫描范围为20°80°。采用HX-1000TM/LCD型维氏硬度计测接头不同区域的维氏硬度，载荷为4.9 N，保载时间20 s。按照ISO 4136-2012标准，在接头上以焊缝为中心截取如图1所示的拉伸试样，采用SUN10型电子拉伸试验机进行拉伸试验，拉伸速度为5 mm·min-1，每组测3个试样取平均值。采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸断口形貌。

图1 拉伸试样的形状与尺寸Fig.1 Shape and dimension of tensile specimen

2 试验结果与讨论

图2 LZ92镁锂合金母材与焊缝的XRD谱Fig.2 XRD patterns of base metal and weld of LZ92 magnesium lithium alloy

2.1 物相组成与显微组织

由图2可以看出，母材与焊缝的物相组成基本相同，主要由α相、β相和少量中间相Mg7Zn3化合物组成。观察发现，激光焊接LZ92镁锂合金后，焊接接头成形良好，焊缝中无明显气孔、裂纹等缺陷。由图3可以看出：焊接接头母材组织中β相呈等轴状，晶粒尺寸约为70 μm，α相呈枝晶状和颗粒状沿β相晶界分布；热影响区主要由粗大的β相和少量细小颗粒状α相组成，β相晶粒尺寸约为260 μm，热影响区和焊缝之间存在明显的熔合线；焊缝中大量细小的颗粒状和细针状α相均匀分布在β相中，β相晶界消失。在焊接接头中未观察到中间相的存在，可能原因是中间相Mg7Zn3含量较少且锌在α相和β相中的溶解度大。在激光焊接过程时，大量的热量使焊缝金属完全熔化，焊接结束后快速冷却，使得焊缝处形成过饱和固溶体；在余热的作用下，处于过饱和状态的焊缝组织发生沉淀析出反应，因此在焊缝组织中可观察到细颗粒状和细针状α相[12]。

图3 LZ92镁锂合金焊接接头不同区域的显微组织Fig.3 Microstructures of different regions in LZ92 magnesium lithium alloy welded joint: (a) base metal; (b) heat affected zone and (c) weld

图5 LZ92镁锂合金母材与焊接接头的拉伸断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of tensile fracture of LZ92 magnesium lithium alloy base metal (a) and welded joint (b)

2.2 力学性能

测得焊接接头母材、热影响区以及焊缝的平均硬度分别为58,52,64 HV，焊缝的硬度高于母材与热影响区的，热影响区的硬度最低。合金中不同区域的硬度差异与显微组织有关。在焊接过程中热影响区温度较高，α相溶入相基体中，较软的β相晶粒快速长大，导致硬度较低。在焊接过程中焊缝的冷却速率较大，组织中析出大量的细小针状和颗粒状α相，α相硬度较高，同时根据霍尔佩奇公式可知，晶粒越细小，合金的硬度越高，因此焊缝的硬度最高，母材的次之，热影响区的最低。

图4 LZ92镁锂合金母材与焊接接头的真应力-真应变曲线Fig.4 True stress-true strain curves of LZ92 magnesium lithium alloy base metal and welded joint

由图4可以看出，母材的抗拉强度为182 MPa，断后伸长率为36%，焊接接头的抗拉强度为158 MPa，断后伸长率为27%。断裂位置位于热影响区与焊缝间的熔合线处，这是由于熔合线两侧热影响区与焊缝的组织差异明显，使得熔线合处的结合力较低导致的。

2.3 拉伸断口形貌

由图5可以看出，母材拉伸断口由大小不一的韧窝组成，呈典型的韧性断裂特征。LZ92镁锂合金属于双相镁锂合金，在室温拉伸应力作用下，α相和β相中的位错会发生剧烈的滑移。由于β相位错开动的临界分切应力小于α相的，因此β相更容易产生滑移。随着应变的增加，大量的位错在α相表面堆积，当位错密度堆积到一定程度，便在位错塞积的区域形成细小的空洞，继而形成细小的韧窝[14]。焊接接头拉伸断口中存在韧窝和解理面，呈典型的混合型断裂特征。

3 结 论

(1) 激光焊接LZ92镁锂合金后，焊接接头成形良好，焊缝中无明显气孔、裂纹等缺陷；母材与焊缝的物相组成相同，由α相、β相和中间相Mg7Zn3化合物组成；焊接接头母材由等轴状β相和枝晶状与颗粒状α相组成，热影响区由粗大的β相和少量细小颗粒状α相组成，焊缝区中大量细针状和细小颗粒状α相均匀分布β相中，β相晶界消失。

(2) 焊接接头中焊缝的硬度最高，母材的次之，热影响区的最低；焊接接头的抗拉强度为158 MPa，为母材的86.8%，断后伸长率为27%；母材室温拉伸断口由韧窝组成，断裂形式为韧性断裂，焊接接头的断口位于热影响区与焊缝间的熔合线处，断口由韧窝和解理面组成，断裂形式为混合型断裂。