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)對焊縫成形影響和對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)組織與性能之間對應關(guān)系，探討其機理。研究成果不但具有重要的理論意義，同時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的相互作用機理，計算NZ30K合金表面對于入射激光的吸收率。利用光譜儀及高速攝影機采集并觀察焊接過程中等離子體的譜線信號及等離子體形態(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。試驗結(jié)果表明，常溫下鎂稀土合金對于入射CO2激光的吸收率為0.036。使用高的激光功率，對鎂合金表面進行毛化處理可以增加鎂稀土合金NZ30K對于CO2激光的吸收率。側(cè)吹保護氣體氦氣流量對于激光等離子體的影響顯著。對于內(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，當氣體流量30L/min時，對等離子體的冷卻效果最好。研究了多個焊接參數(shù)（激光功率、焊接速度、離焦量等）對鎂稀土合金焊接成形的影響。鎂稀土合金NZ30K激光焊接過程中當熱輸入量過大時會在焊縫中心位置產(chǎn)生熱裂紋。10mm鎂稀土合金板材在實驗條件下當熱輸入量超過160J/mm時則產(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脆性物Mg12Nd和激光焊接時焊縫受到的拉應力共同作用

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試了接頭的力學性能。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性能之間的對應關(guān)系。焊縫組織由大量細小等軸晶組成，晶界處主要為Mg12Nd，焊接接頭無明顯的軟化區(qū)存在。當熱輸入量為84J/mm時焊縫

5、強度達到母材強度的80％。未熔透和氣孔是導致焊縫抗拉強度降低的主要原因。
　　 熱處理對于鎂稀土合金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)對得到的焊縫組織進行熱處理，利用透射電鏡觀察研究焊縫典型時效處理后的組織，并對不同熱處理后的焊接接頭力學性能進行測試，揭示焊縫中稀土析出相的時效析出過程及對焊接接頭的強化機制。采用理論計算和實驗結(jié)果相結(jié)合的方法研究了不同形貌析出物對于NZ30K激光焊接焊縫組織強化作

6、用的大小。通過實驗發(fā)現(xiàn)，焊縫時效處理后組織中有大量不同形貌的析出物。鎂稀土合金NZ30K激光焊接焊縫時效沉淀析出過程應為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。通過理論計算得到焊縫組織時效之后不同形貌析出物導致的強化作用的大小，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、積分數(shù)下，垂直于基面的棱柱面片狀析出相的強化效果最好，而平行于基面的片狀析出相強化效果最弱。析出物強化對于熱處理后焊接接頭強度的增加起主要作用，在200℃時效8小時后接頭強度達到最大，抗拉強度可達273MPa，比未熱處理的焊接接頭強度增加了70％。
　　 采用浸泡腐蝕和電化學測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焊縫腐蝕機理模型，揭示稀土元素在提高NZ3