稀土镁合金激光焊工艺及接头性能研究(附件)【字数：12758】
摘 要摘 要稀土镁合金如今作为正在迅速崛起的金属材料，在工业上有着巨大的发展前景。围绕着这一背景，本文综述了稀土镁合金国内外的研究现状，以及稀土镁合金NZ30K激光焊接的根本原理和组织特点。本次试验运用的是对4mm厚的NZ30K稀土镁合金试板进行的激光焊接，在焊后并分析了不同的焊接工艺参数对焊接接头焊缝成形的影响和焊接接头各个区域的显微组织的形成机理，除此之外还对焊接接头的拉伸性能和显微硬度进行了测试，并且分析了在不同的工艺参数条件下的影响。试验结果表明在焊接参数 （1.4kW焊接功率和1.2m/min 的焊接速度）下，能得到了良好的焊接接头。稀土镁合金焊缝的抗拉强度不是很高，大概是母材的80%，所以NZ30K接头性能一般。金相试验表明，激光功率对于NZ30K焊缝反面熔宽影响比较大,功率越大，反面熔宽也越大； 而焊接速度对焊缝表面熔宽影响比较显著，速度变大，表面熔宽也变大。激光焊接离焦量, 正面保护气流量和背面保护气体流量的变化会引起焊缝的背面熔宽变化。在稀土镁合金的显微组织方面，靠近热影响区的焊缝是柱状晶，焊缝中心主要是等轴晶，焊缝区的晶粒明显比热影响区晶粒致密，但是热影响区的晶粒比焊缝区要大。关键词稀土镁合金；NZ30K；激光焊接；微观组织；接头力学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 镁合金的分类及热处理 3
1.4 镁合金的激光焊接 5
1.4.1镁合金激光焊接工艺及焊缝质量 5
1.4.2镁合金激光焊接接头组织 7
1.4.3镁合金激光焊接接头的力学性能 8
1.4.4镁合金激光焊接的主要缺陷及预防措施 9
1.5本文研究内容 10
第二章 试验材料，设备与方法 11
2.1试验材料 11
2.2试验设备与方法 11
2.2.1激光焊接 11
2.2.2金相观察 12
2.2.3物相分析 13
2.2.4扫描电镜组织及断口观察 13
2.2.5硬度测试 14
2.2.6拉伸性能 14
第三章 焊接工艺参数对焊缝 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
成形以及接头性能的影响 16
3.1 焊接工艺参数对焊缝成形的影响 16
3.1.1激光功率对焊缝成形的影响 16
3.1.2焊接速度对焊缝成形的影响 17
3.1.3激光离焦量对焊缝成形的影响 18
3.2激光焊接接头性能的研究 19
3.2.1激光焊接接头的拉伸性能 19
3.2.2室温下拉伸断口形貌的分析 20
3.2.3 激光焊接接头硬度分析 22
第四章 焊接工艺参数对稀土镁合金微观组织的影响 24
4.1焊接工艺参数对稀土镁合金微观组织的影响 24
4.1.1激光焊接接头组织特征 24
4.1.2焊缝元素分布 26
结论 29
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 课题背景
工程应用中镁合金是最轻的金属结构材料,镁合金具有许多好的性能：减震性高、比刚度高、比强度高,并且镁合金的密度也很低，在生产应用上易于回收，易于。现在广泛运用在电子通讯、航天事业、军工、交通运输、建筑工地等领域。由于现在全球许多金属资源匮乏，镁合金又具有如此多的优势，在这样的背景下，国际上已经把镁作为重要的研究对象，许多国外科学家都对镁及其合金进行了大量的研究。中国是镁资源生产和出口的大国，前期，对镁合金进行深入的研究，对以后开发运用镁合金有着十分重大的意义。然而目前还是存在着许多制约镁合金大规模应用的瓶颈问题[15]，比如像普通镁合金的强度偏低、耐热耐蚀等性能较差。
稀土元素(Rare Earth, 简称RE)有许多优良的性能和特点，首先，稀土元素可以提高镁合金的高温拉伸性能和蠕变性能，同时稀土元素的加入还能使镁合金具有更高的耐腐蚀性。其次，稀土元素还具有除氢脱氧、优化铸造性能等好处，还有就是稀土元素固溶强化和沉淀强化的作用。所以，含有稀土元素的合金都具有耐热的性能和优良的蠕变性能。稀土镁合金在国际上的定义是，工作温度超过200°C。正是由于稀土元素具有如此多的特点，当今国际，稀土镁合金迅速成为了各国科学家的一大青睐对象。我国作为资源大国，稀土资源也十分丰富，开发高性能稀土耐热镁合金在我国具有重要意义[6]。
激光焊接的定义是利用比较高的能量密度激光束作为焊接的热源进行处理的一种高效，并且精密的材料加工方法。在和其他熔焊方法作比较是，激光焊接具有热输入少, 接头区残余应力,能量密度高和变形小, 熔深大、焊缝组织细小、接头性能好, 熔化区和热影响区窄等一系列优点。除此之外，激光焊没有必要真空的条件下进行 , 还可以方便选择压力范围、保护气体的种类等条件，可以运用偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到焊接比较困难到达的部位进行加工、操作灵活、简单、方便 ，同时高能量激光束还可以穿过透明材料进行聚焦焊接等 ,这些都是电子束焊是难以具备和实现的。激光束可灵活控制 , 易于实现工件的三维自动化焊接。研究结果得出变形镁合金的激光焊焊缝强度可与母材的相近 , 为了避免气孔与咬边的产生[7]可以通过选用适当的工艺参数。
1.2 国内外研究现状
由于我国拥有的稀土镁合金资源比较丰富，在对稀土镁合金上也进行了大量的试验研究，并得到了很大的发展。
目前，一种新型镁合金在上海交通大学科学家不断试验和探索下研发出来的，由于这种新型的镁合金具有高效的阻燃效果，并且力学性能比较良好，所以在轿车行业投入了大量的使用。采用了高挤压比及等通道角挤（ECAE）、快速凝固粉末冶金等方法是由中南大学、湖南大学等的研究成果，采用这种方法来使镁合金的晶粒高度细化，从而具有高塑性、高强度甚至超塑性的高强、高韧性的镁合金被成功的研发出来了，如Mg（5～8）Al（1～2） Zn（0. 5～2）M（M = Pr ,Nd ,Ce ,Y）。由于镁合金微观弥散沉淀相的形成可以导致镁合金可以快速凝固，在组织结构方面晶粒均匀化比较显著，从而进一步提高了镁合金的抗腐蚀能力，目前的研究中，如快速凝固Mg5A12Zn2Y合金等是在镁合金中抗腐蚀性能最高的合金。由于含Sc镁合金具有的性能良好，这种合金科学家也正在积极开发之中[8]。
当今国际上，特别是美国、俄罗斯、欧洲及日本等许多国外经济发达国家对稀土镁合金研究投入量是比较大的。对镁合金研发在这一工程材料方面美国科学家投入了大量的试验研究，并且在道路运输、航空航天事业、汽车行业、电子讯息方面进行了大量的新型材料研制与推广应用工作。在镁稀土压铸合金方面，美国科学家先行开发出了AE系列，并且在WE系列合金方面，美国投入了大量的研究和大规模的应用。
欧洲作为发达国家的代表，在关于稀土镁合金的科研方面，欧洲是非常积极的，目前，欧洲已经研发出了大量实用型稀土镁合金。在飞机、导弹的优质铸件上含银富钕稀土QE22A 合金长期以来广泛应用。科学家在研究MgZn合金时，发现了如果添加一些稀土元素（RE）不但能提高Mg2Zn 合金的铸造性能，还能优化其蠕变抗力，但这样镁合金的抗拉性能就减小了，后来，曾等人采取折中的办法成功的开发了ZE41和EZ33合金。ZE41合金的抗拉强度比较大，在200 ℃的温度下也能使用并且没有任何问题产生，而在EZ33 合金中主要体现出的是更高蠕变抗力，可以在250℃的温度下使用。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 镁合金的分类及热处理 3
1.4 镁合金的激光焊接 5
1.4.1镁合金激光焊接工艺及焊缝质量 5
1.4.2镁合金激光焊接接头组织 7
1.4.3镁合金激光焊接接头的力学性能 8
1.4.4镁合金激光焊接的主要缺陷及预防措施 9
1.5本文研究内容 10
第二章 试验材料，设备与方法 11
2.1试验材料 11
2.2试验设备与方法 11
2.2.1激光焊接 11
2.2.2金相观察 12
2.2.3物相分析 13
2.2.4扫描电镜组织及断口观察 13
2.2.5硬度测试 14
2.2.6拉伸性能 14
第三章 焊接工艺参数对焊缝 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
成形以及接头性能的影响 16
3.1 焊接工艺参数对焊缝成形的影响 16
3.1.1激光功率对焊缝成形的影响 16
3.1.2焊接速度对焊缝成形的影响 17
3.1.3激光离焦量对焊缝成形的影响 18
3.2激光焊接接头性能的研究 19
3.2.1激光焊接接头的拉伸性能 19
3.2.2室温下拉伸断口形貌的分析 20
3.2.3 激光焊接接头硬度分析 22
第四章 焊接工艺参数对稀土镁合金微观组织的影响 24
4.1焊接工艺参数对稀土镁合金微观组织的影响 24
4.1.1激光焊接接头组织特征 24
4.1.2焊缝元素分布 26
结论 29
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 课题背景
工程应用中镁合金是最轻的金属结构材料,镁合金具有许多好的性能：减震性高、比刚度高、比强度高,并且镁合金的密度也很低，在生产应用上易于回收，易于。现在广泛运用在电子通讯、航天事业、军工、交通运输、建筑工地等领域。由于现在全球许多金属资源匮乏，镁合金又具有如此多的优势，在这样的背景下，国际上已经把镁作为重要的研究对象，许多国外科学家都对镁及其合金进行了大量的研究。中国是镁资源生产和出口的大国，前期，对镁合金进行深入的研究，对以后开发运用镁合金有着十分重大的意义。然而目前还是存在着许多制约镁合金大规模应用的瓶颈问题[15]，比如像普通镁合金的强度偏低、耐热耐蚀等性能较差。
稀土元素(Rare Earth, 简称RE)有许多优良的性能和特点，首先，稀土元素可以提高镁合金的高温拉伸性能和蠕变性能，同时稀土元素的加入还能使镁合金具有更高的耐腐蚀性。其次，稀土元素还具有除氢脱氧、优化铸造性能等好处，还有就是稀土元素固溶强化和沉淀强化的作用。所以，含有稀土元素的合金都具有耐热的性能和优良的蠕变性能。稀土镁合金在国际上的定义是，工作温度超过200°C。正是由于稀土元素具有如此多的特点，当今国际，稀土镁合金迅速成为了各国科学家的一大青睐对象。我国作为资源大国，稀土资源也十分丰富，开发高性能稀土耐热镁合金在我国具有重要意义[6]。
激光焊接的定义是利用比较高的能量密度激光束作为焊接的热源进行处理的一种高效，并且精密的材料加工方法。在和其他熔焊方法作比较是，激光焊接具有热输入少, 接头区残余应力,能量密度高和变形小, 熔深大、焊缝组织细小、接头性能好, 熔化区和热影响区窄等一系列优点。除此之外，激光焊没有必要真空的条件下进行 , 还可以方便选择压力范围、保护气体的种类等条件，可以运用偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到焊接比较困难到达的部位进行加工、操作灵活、简单、方便 ，同时高能量激光束还可以穿过透明材料进行聚焦焊接等 ,这些都是电子束焊是难以具备和实现的。激光束可灵活控制 , 易于实现工件的三维自动化焊接。研究结果得出变形镁合金的激光焊焊缝强度可与母材的相近 , 为了避免气孔与咬边的产生[7]可以通过选用适当的工艺参数。
1.2 国内外研究现状
由于我国拥有的稀土镁合金资源比较丰富，在对稀土镁合金上也进行了大量的试验研究，并得到了很大的发展。
目前，一种新型镁合金在上海交通大学科学家不断试验和探索下研发出来的，由于这种新型的镁合金具有高效的阻燃效果，并且力学性能比较良好，所以在轿车行业投入了大量的使用。采用了高挤压比及等通道角挤（ECAE）、快速凝固粉末冶金等方法是由中南大学、湖南大学等的研究成果，采用这种方法来使镁合金的晶粒高度细化，从而具有高塑性、高强度甚至超塑性的高强、高韧性的镁合金被成功的研发出来了，如Mg（5～8）Al（1～2） Zn（0. 5～2）M（M = Pr ,Nd ,Ce ,Y）。由于镁合金微观弥散沉淀相的形成可以导致镁合金可以快速凝固，在组织结构方面晶粒均匀化比较显著，从而进一步提高了镁合金的抗腐蚀能力，目前的研究中，如快速凝固Mg5A12Zn2Y合金等是在镁合金中抗腐蚀性能最高的合金。由于含Sc镁合金具有的性能良好，这种合金科学家也正在积极开发之中[8]。
当今国际上，特别是美国、俄罗斯、欧洲及日本等许多国外经济发达国家对稀土镁合金研究投入量是比较大的。对镁合金研发在这一工程材料方面美国科学家投入了大量的试验研究，并且在道路运输、航空航天事业、汽车行业、电子讯息方面进行了大量的新型材料研制与推广应用工作。在镁稀土压铸合金方面，美国科学家先行开发出了AE系列，并且在WE系列合金方面，美国投入了大量的研究和大规模的应用。
欧洲作为发达国家的代表，在关于稀土镁合金的科研方面，欧洲是非常积极的，目前，欧洲已经研发出了大量实用型稀土镁合金。在飞机、导弹的优质铸件上含银富钕稀土QE22A 合金长期以来广泛应用。科学家在研究MgZn合金时，发现了如果添加一些稀土元素（RE）不但能提高Mg2Zn 合金的铸造性能，还能优化其蠕变抗力，但这样镁合金的抗拉性能就减小了，后来，曾等人采取折中的办法成功的开发了ZE41和EZ33合金。ZE41合金的抗拉强度比较大，在200 ℃的温度下也能使用并且没有任何问题产生，而在EZ33 合金中主要体现出的是更高蠕变抗力，可以在250℃的温度下使用。
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