1、鎂合金分析研究分析論文 第一章 緒論 1.1 鎂合金 1.1.1 鎂合金簡介 1.1.1 列舉的是鎂的一些常見的性能參數(shù)。 表 表 1.1.1 鎂合金的部分性能參數(shù) 作為結(jié)構(gòu)材料，鎂合金具有以下特征： 良好的比強(qiáng)度和比剛度。 鎂合金就強(qiáng)度而言，它的屈服強(qiáng)度略差于碳鋼，接近于鋁合金的屈服強(qiáng)度，同時它的密度僅為鋁的 2/3 和碳鋼的 1/4。 因此，鎂合金的比強(qiáng)度高于普通鎂合金、鋁合金和碳鋼的比強(qiáng)度。同時，在剛度方面，鎂合金的密度是塑料密度的 1.7 倍，而它的彈性模量卻是塑料的 20 倍以上。因此，鎂合金的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于塑料的剛度。因此，在一些方面，使用鎂合金作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以顯著減少產(chǎn)品的重量。例

2、如，它可以減少飛機(jī)發(fā)動機(jī)、外殼、內(nèi)部支架的重量，研究發(fā)現(xiàn)飛機(jī)重量減少時，消耗的能源也隨之降低，因此在飛機(jī)制造中使用鎂合金可以減少能源的消耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。 良好的鑄造性能。為了使鎂合金鑄件的結(jié)構(gòu)性能良好，鎂合金鑄件的厚度不能超過 0.6mm，但是與鎂合金鑄件結(jié)構(gòu)性能相同的塑料鑄件，厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.6mm，而鋁合金鑄件要想達(dá)到鎂合金鑄件的結(jié)構(gòu)性能，厚度應(yīng)在 1.2-1.5mm 之間。除此之外，鎂合金的流動性能強(qiáng)，導(dǎo)熱性能好，鎂合金鑄件厚度較小時結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。 較高的廢料回收利用率。在在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鎂合金可以多次回收再利用。例如，部分含有鎂合金的廢品或由鎂合金制成的廢品可以作為其他牌號鎂

3、合金的輔助材料。隨著當(dāng)今.的高速發(fā)展，材料的綜合性能也有了更高的要求。而鎂合金優(yōu)異的性能，使得很多生產(chǎn)行業(yè)對鎂合金的需求量逐年增大，包括汽車生產(chǎn)行業(yè)、軍工制造業(yè)以及航空航天產(chǎn)業(yè)，因此鎂合金的可回收性促進(jìn)了鎂合金的快速發(fā)展。尤其在當(dāng)今.，大力提倡綠色環(huán)保，這也對鎂合金的發(fā)展有了極大的促進(jìn)。綜合上述的鎂合金各方面的有點(diǎn)，相較于其他材料，鎂合金更具競爭力。盡管鎂合金有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一定的缺陷。例如，鎂元素的化學(xué)性能較為活潑，容易發(fā)生氧化，并且鎂的耐腐蝕性很差。尤其是在高溫環(huán)境下，這些缺陷會更加的明顯：鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，不容易發(fā)生滑移現(xiàn)象，塑性變形能力較差，不適合進(jìn)行塑性加工;在溫

4、度較高時，鎂合金的機(jī)械性能會大大降低，硬度以及拉伸性能等都會明顯下降。 1.1.2 鎂合金的分類 鎂合金的分類一般考慮以下兩個方面：化學(xué)成分的不同和成型工藝的差異。 (1)化學(xué)成分 鎂合金通常是通過向金屬鎂中添加其他合金元素而形成的合金，其可以分為二元，三元和多元合金。 大多數(shù)鎂合金含有一種以上的合金元素。 為了簡化和突出鎂合金中最重要的元素，通常將鎂合金分為基于 mg 和含量最高合金元素之一的二元合金系統(tǒng)。 (2)成型工藝 照成型工藝，鎂合金可分為兩類：變形鎂合金和鑄造鎂合金。這兩者在成分、組織以及性能等方面存在有極大的差異。鑄造鎂合金還可以分為普通鑄造鎂合金和壓力鑄造鎂合金。在實(shí)際生產(chǎn)過程

5、中可采用擠壓，鍛造，沖壓，軋制等一系列塑性變形加工的鎂合金稱為變形鎂合金。鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)屬于密排六方結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)是一種很難產(chǎn)生塑性變形的結(jié)構(gòu),因此，鎂合金是一種塑性變形能力差的金屬材料。所以變形鎂合金與鑄造鎂合金相比,強(qiáng)度、塑形都要略勝一籌。 1.1.3 鎂及鎂合金的應(yīng)用 鎂合金具有密度低，重量輕，比強(qiáng)度高，比剛度大，易加工，抗震性能好，電磁屏蔽性能好等特點(diǎn),鎂合金被稱為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前途的工程材料,在汽車工業(yè)、航天航空、家用電器行業(yè)和電極材料中都得到了廣泛的應(yīng)用。 (1)鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用 (1)鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用鎂的密度很小,純鎂的機(jī)械性能不理想，但鎂合金具有

6、高比強(qiáng)度和比剛度，高于一些鋁合金和高強(qiáng)度鋼;鎂合金在鑄造性能、抗震性能和尺寸穩(wěn)定性能方面都有較好的表現(xiàn),密度小重量輕,良好的機(jī)械加工性,較高的回收利用率都決定了鎂合金在汽車工業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。用鎂合金制造汽車零部件具有以下優(yōu)點(diǎn): 可以顯著降低汽車的整體重量，從而降低油耗，節(jié)約資源，減少廢氣排放。 根據(jù)統(tǒng)計，汽車消耗的能量的 60消耗在了汽車的重量上。 每降低 10的汽車重量，燃油消耗將減少 8至 10。 由于鎂合金具有良好的鑄造性能,可以鑄造相對復(fù)雜的鑄件,提高零部件的集成度,降低其加工和裝配成本,提高整體設(shè)計的靈活性 鎂合金的阻音和減震性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于碳鋼材料,因此，鎂合金的使用可以大大提高汽

7、車的降噪和減震性能。 (2)鎂合金在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用 對于航天航空材料來說,減重和軸承與功能集成的整體結(jié)構(gòu)是航天航空設(shè)備機(jī)體結(jié)構(gòu)材料的重要發(fā)展方向。由于鎂合金具有高比強(qiáng)度、低密度、高比剛度的特性,使其很早就在航天航空工業(yè)中得到應(yīng)用,但是抗腐蝕性較差有在一定程度上限制了鎂合金的應(yīng)用范圍。材料的重量減輕給航空航天技術(shù)帶來的性能改進(jìn)和經(jīng) 濟(jì)效益非常顯著。在相同的減重情況下，商用飛機(jī)可以比汽車節(jié)省近 100 倍的油耗。戰(zhàn)斗機(jī)的油耗是商用飛機(jī)的 10 倍。更重要的是，減輕重量可以提高其活動能力，并大大提高戰(zhàn)斗力和生存能力。 (3)鎂合金在家用電器行業(yè)中的應(yīng)用 為了適應(yīng)家用電器輕、薄、小的發(fā)展方向，要

8、求家用電器殼體的材料具備密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度剛度高、抗沖擊性和減震性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、容易機(jī)械加工、散熱能力好、易于回收再利用、符合環(huán)保要求等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的工程塑料和鋁合金材料已經(jīng)難于滿足使用要求，鎂及鎂合金是制造電子器件殼體的理想材料。近 10 年來，世界上電子器件制造業(yè)發(fā)達(dá)的國家，尤其是日本及歐美的一些國家在鎂合金產(chǎn)品的研發(fā)方面開展了大量的工作，已經(jīng)在一大批重要的電子產(chǎn)品上使用了鎂合金，取得了理想的成果。 (4)電極材料 采用犧牲陽極的方法進(jìn)行金屬機(jī)構(gòu)的腐蝕防護(hù)，具有不需外加電源、電流分散能力強(qiáng)、不會干擾相鄰金屬設(shè)施、易于管理維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在防腐工程中的應(yīng)用十分廣泛。目前，鋁基、鋅基和鎂基陽

9、極是最常用的三種犧牲陽極材料。鋁基陽極密度小，電流效率高，發(fā)電量較大，驅(qū)動電位適中:鋅基陽極密度大，發(fā)電量較小，驅(qū)動電位較低，高溫下易極化:而鎂基陽極有很高的化學(xué)活性，驅(qū)動電位較大，密度小，單位質(zhì)量可輸出的電流較大，適用于電阻較高的環(huán)境，同時金屬表面難以形成致密保護(hù)膜，腐蝕產(chǎn)物容易脫落，因此受到廣泛關(guān)注。 1.2 鎂合金的 焊接 特性和現(xiàn)狀 1.2.1 鎂合金的焊接性 鎂及鎂合金在工業(yè)上廣泛應(yīng)用必然會涉及焊接結(jié)構(gòu)，而焊接過程遇到的問題與鋁合金相類似。隨著現(xiàn)代化工業(yè)對焊接效率以及成本上提出的高要求下，目前推廣鎂合金的應(yīng)用迫切需要一種焊接效率高、質(zhì)量好和節(jié)能的新型鎂合金焊接技術(shù)。 考慮鎂合金和鋁合

10、金本身質(zhì)輕等特點(diǎn)，加快了在工業(yè)應(yīng)用上的腳步，相對工業(yè)上對鋼鐵的使用率正在逐漸增加。由于鎂合金具有易燃性、熔點(diǎn)低、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率大、化學(xué)性質(zhì)活潑等特點(diǎn)。焊接過程中易產(chǎn)生的問題如以下幾個方面： (1)氧化、氮化和蒸發(fā) 鎂的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，與氧的親和力大，所以在鎂合金的表面易形成 mgo薄膜，熔點(diǎn)約為 2500，與鎂的熔點(diǎn)相差大，焊接時容易阻礙焊縫成形，且氧化鎂熔入焊縫中后無法及時溢出焊縫導(dǎo)致產(chǎn)生夾雜現(xiàn)象,但附著在鎂合金表面的氧化鎂可以借助氣體保護(hù)和電弧的陰極破碎的方法去除。同時焊接過程氣體保護(hù)不佳，在焊接高溫的條件下會有氮化鎂 mg 3 n 2 形成，導(dǎo)致焊縫接頭的性能下降， 焊接高溫下也會使沸

11、點(diǎn)只有 1100的鎂蒸發(fā)，致使空氣的污染產(chǎn)生。因此，在焊接鎂合金時，完善氣體的保護(hù)很重要。 (2)熱裂紋傾向 鎂合金加入 ai、cu、ni 和 zn 等合金元素，會形成一些熔點(diǎn)較低的共品體，如 mg-al 共晶共晶點(diǎn) 430、mg-cu 共晶共晶點(diǎn) 480和 mg-ni 共晶共晶點(diǎn)508，而由于 zn 的固熔有限且結(jié)晶出的共晶共晶點(diǎn)只有 340，所以脆性溫度區(qū)范圍很大，易形成熱裂紋。而且加上鎂合金在焊接時受到過大激光束能量作用會產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成鎂合金板材的變形，從而致使焊接接頭熱裂紋增多。 (3)氣孔與燒穿 鎂合金焊接時易產(chǎn)氣孔，主要來源是焊接過程母材中小氣泡的聚集;或者焊接過程產(chǎn)生氫氣在熔池

12、內(nèi)部，氫氣溶解度隨著焊縫冷卻速度過快急劇減小，導(dǎo)致焊縫中氫氣無法溢出，從而形成氣孔。因此焊縫中出現(xiàn)氣孔的傾向會隨著氫的來源較多增加。 同時由于激光焊接能量較大，導(dǎo)致鎂合金焊接時焊縫獲得的能量較高，且鎂的表面張力比鋁小，若保護(hù)氣體流量大小不恰當(dāng)時，很容易造成焊接時產(chǎn)生焊縫金屬下塌和燒穿現(xiàn)象。 1.2.3 鎂合金焊接方法 鎂合金從發(fā)展應(yīng)用開始，幾乎針對鎂合金焊接問題的焊接技術(shù)也在研發(fā)，在越來越多的學(xué)者進(jìn)行鎂合金的焊接技術(shù)的研究過程中，焊接技術(shù)都得到了快速的發(fā)展，從而在各種新型焊接技術(shù)下鎂合金的焊接性能得到了改善。目前鎂合金的焊接技術(shù)眾多，應(yīng)用的技術(shù)主要有以下幾個: (1)鎢極氬弧焊(tig 焊)

13、鎢極氬弧焊是利用惰性氣體的保護(hù)，在鎢電極與工件間作用時利用電弧產(chǎn)生的熱量熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。屬于鎂合金焊接技術(shù)中最廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一，可分為直流氬弧焊和交流氬弧焊鎂合金在使用此焊接方法可獲得純凈高、氫含量低的優(yōu)質(zhì)焊縫，在焊接時熱量集中，焊件發(fā)生變形小且焊接電弧易控制。 (2)電子束焊接 電子束焊接是指使用加速和聚焦的電子束轟擊放置在真空或非真空中的焊接表面以熔化工件以實(shí)現(xiàn)焊接。 真空電子束焊接是最廣泛使用的電子束焊接。 (3)激光焊接 和傳統(tǒng)的氣焊類型焊接技術(shù)或者是電焊類型焊接技術(shù)不同, 激光類型的焊接技術(shù)在使用的時候巧妙的利用了激光束所帶有的輻射能量, 在使用激光類型焊接技術(shù)的

14、時候能將一定量的激光聚焦到較小范圍的區(qū)域內(nèi), 從而在聚焦的情 況下產(chǎn)生大量的能量, 這種新型的焊接技術(shù)主要是運(yùn)用了高能量脈沖對各種材料進(jìn)行焊接加工, 因此目前在小范圍材料焊接加工中應(yīng)用較多。并其由于激光有便于控制特點(diǎn)使得焊接的精準(zhǔn)度有所提升。 激光類型的焊接技術(shù)經(jīng)過了較長時間演變, 在這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的階段中一個技術(shù)難點(diǎn)就是保證激光能產(chǎn)生足夠加工材料的熱量。而在焊接技術(shù)研發(fā)的階段中技術(shù)人員開創(chuàng)性的使用先進(jìn)技術(shù)激活了激光之中的活性類型介質(zhì), 并使這些活性類型的介質(zhì)填充到諧振空腔之中, 并讓這些介質(zhì)在空腔之中反復(fù)的發(fā)生振蕩, 高頻率的振蕩也就會在這個過程中轉(zhuǎn)變成為激光束, 而正是這種激光束在焊接的過程

15、中通過和加工材料的直接接觸, 使被加工材料的表面溫度發(fā)生提升, 激光束的持續(xù)照射下被照射材料的溫度也就會達(dá)到材料本身的熔點(diǎn), 這樣也就完成了材料的焊接加工。 光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如功率高、輸出激光波長多、光束質(zhì)量好等。對光纖激光焊接的研究，正成為激光焊接研究的熱點(diǎn)。 (4)激光-電弧復(fù)合焊 激光-tig 復(fù)合焊是將激光和電弧兩種能量傳輸機(jī)制、物理性質(zhì)截然不同的熱源結(jié)合同時作用于一個加工位置.其原理是通過激光和電弧的耦合作用，可以增大焊接熔深、提高焊接速度、增大裝配間隙，在激光工作時產(chǎn)生的金屬等離子體穩(wěn)定電弧的作用，也達(dá)到電弧稀釋光致等離子體減少對激光能量的吸收和

16、散射作用，增加工件對激光的吸收率。 (5)攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所(twi)于 1991 年開發(fā)的新型固相連接技術(shù)。fsw 是利用圓柱形、錐形或者其他形狀的攪拌工具扎入到待焊的工件內(nèi)部，然后通過攪拌工具的攪拌、摩擦和頂鍛作用下并相對待焊工件運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)工件焊接的一種連接技術(shù)。其具有操作簡單無需要準(zhǔn)備焊前工作，焊接過程沒有金屬飛濺情況，工件焊接后變形小和存在的焊接后缺陷少，且焊接不考慮填絲，焊接過后焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)異。 1.3 研究意義與主要內(nèi)容 1.3.1 研究意義 鎂合金在汽車、軍工、航空航天和精密器件等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。但進(jìn)一步推廣應(yīng)用必須面臨的連接問題，由于鎂本

17、身特殊的一些物理性質(zhì)，導(dǎo)致焊接鎂合金時會造成氧化、蒸發(fā)、裂紋和氣孔等缺陷問題，但隨著焊接技術(shù)不斷的創(chuàng)新，鎂合金在焊接上的缺陷問題已經(jīng)得到了有效的解決，同時在工業(yè)發(fā)展的嚴(yán)格要求下，鎂合金也得到很快的進(jìn)步，針對不同的要求研發(fā)出了很多系列的鎂合 金，主要有 az 系列、am 系列、zk 系列和 we 系列等系列鎂合金。 本論文采用的鎂合金，屬于變形鎂合金，主要含有 mg、al、li 三種金屬元素，在焊接過程中容易有 mg17al2 等低熔點(diǎn)共晶體的析出，導(dǎo)致結(jié)晶過程與固溶體的結(jié)晶過程存在著時間差，導(dǎo)致在兩者結(jié)晶體中會出現(xiàn)排列不規(guī)則現(xiàn)象，容易形成裂紋。同時焊接過程中焊縫受應(yīng)力過大的因素，會加快裂紋擴(kuò)大

18、，對焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。所以提高其焊接接頭的質(zhì)量具有非常重要的意義。光纖激光焊接是一種熱輸入量小、高焊速、小變形、功率密度高和深穿透等特點(diǎn)的焊接技術(shù)，成為此次試驗(yàn)的優(yōu)選方法。 因此，本論文采用光纖激光器進(jìn)行焊接，系統(tǒng)的研究不同的焊接工藝下激光焊接接頭組織和腐蝕性能。 1.3.2 主要內(nèi)容 本論文研究主要內(nèi)容有: (1)采用 yls-4000 光纖激光器對 2.5mm 厚的鎂合金進(jìn)行焊接，對焊接工藝與焊縫成形之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。 (2)觀察在激光焊接鎂合金成形良好的焊接接頭，并通過金相顯微鏡、x 射線衍射儀、掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行不同焊接工藝參數(shù)下焊縫組織、相組成以及元素分布。 (3

19、)使用維氏硬度儀測試焊接接頭的硬度。 (4)選取成形較好的焊接參數(shù)下的焊接接頭進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，并且分析腐蝕性能的影響因素。 第二章 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃 2.1 實(shí)驗(yàn)材料 本次實(shí)驗(yàn)采用 la103z 鎂合金板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 表 2.1.1 la103z 鎂合金試板元素含量 (wt.%) li al zn fe cu si mg 10 3 2.9 0.003 001 0.23 余量 2.2 實(shí)驗(yàn)方案 2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 2.2.1 焊接設(shè)備 焊接系統(tǒng)包括：弧焊機(jī)器人系統(tǒng)和光纖激光焊接系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)所采用的是 ipg yls-4000 型高功率光纖激光器對 la103z 板材進(jìn)行焊接，表 2-2 是弧焊機(jī)器人和光纖焊接

20、系統(tǒng)的部分參數(shù)： 弧焊機(jī)器人系統(tǒng) 安川 hp 6d 機(jī)器人 6 自由度，荷載 6kg 威特力 wms-315 逆變直流 脈沖氬弧焊機(jī) 電流/電壓：10a/10v-315a/23v 脈沖頻率：15-500hz 占空比：5%-100% motoweld ywe-s360 mg 焊機(jī) 額定輸入：18.0 kva，15.0 kw 工作/空載電壓：36 v/64 v 光纖激光焊接系統(tǒng) 型號：ipg yls-4000 標(biāo)稱功率：4000 w 運(yùn)行模式：連續(xù)/調(diào)制 焦距：150/250 mm 光纖規(guī)格： 200 m x 20 m 輸出功率調(diào)整范圍：10-100% 輻射波長：1060-1080 光斑直徑：0.

21、2/0.33 mm 表 表 2.3.1 弧焊機(jī)器人和光纖焊接系統(tǒng)的部分參數(shù) 下圖為激光焊接器圖示： 圖 圖 2.3.2 光纖激光焊接器 2.4 分析設(shè)備 本次實(shí)驗(yàn)所需要的分析設(shè)備主要有金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡，維氏硬度儀以及 x 射線衍射儀。 2.4.1 金相顯微鏡 金相顯微鏡是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、計算機(jī)圖像處理技術(shù)完美地結(jié)合在一起而開發(fā)研制成的高科技產(chǎn)品，可以在計算機(jī)電腦上很方便地觀察金相圖像，從而對金相組織進(jìn)行分析以及對圖片進(jìn)行輸出、打印。金相顯微鏡系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡與計算機(jī)通過光電轉(zhuǎn)換有機(jī)的結(jié)合在一起，不僅可以在目鏡上作顯微觀察，還能在計算機(jī)(數(shù)碼相機(jī))顯示屏幕上觀察

22、實(shí)時動態(tài)圖像，電腦型金相顯微鏡并能將所需要的圖片進(jìn)行編輯、保存和打印。金相顯微鏡的放大倍數(shù)最高能夠達(dá)到 1000 倍，比較適合實(shí)驗(yàn)前期對試樣表面金相組織以及表面劃痕的分析和觀察。本次實(shí)驗(yàn)采用奧林巴斯 gx51 標(biāo)準(zhǔn)型倒置金相顯微鏡。 圖 圖 2.4.1 金相顯微鏡 2.4.2 掃描電子顯微鏡 sem 的工作原理是用一束極細(xì)的電子光束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的數(shù)量與電子光束的入射角度有關(guān)系，也就是說與試樣的表面結(jié)構(gòu)組織有關(guān)系，儀器內(nèi)部的探測器會收集反射回來的次級電子，然后由閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘枺俳?jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹?qiáng)度，顯示出與電子束同步的

23、掃描圖像。顯示出的圖像為立體形象，可以更詳細(xì)具體的反映出樣品表面的形貌和組織結(jié)構(gòu)。也有部分試樣導(dǎo)電性能不好，反射出的次級電子數(shù)量過少，此時可以對試樣進(jìn)行噴金處理，從而使樣品的導(dǎo)電性能達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的要求。本次實(shí)驗(yàn)采用的掃描電子顯微鏡的型號為本次實(shí)驗(yàn)掃描電子顯微鏡采用的是上海圣科儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 jeol jsm-6510 型。 2.4.2 掃描電子顯微鏡 2.4.3x 射線衍射儀 特征 x 射線及其衍射 x 射線是短波長（0.06-20nm）的電磁波，可以穿透一定厚度的材料，使熒光物質(zhì)發(fā)光。高能電子束用于轟擊金屬靶以產(chǎn)生具有與靶中的元素相對應(yīng)的特定波長的 x 射線，稱為特征 x 射線。x

24、射線的波長類似于晶體內(nèi)原子面之間的間距。 該晶體可用作 x 射線的空間衍射光柵。 當(dāng) x 射線束照射 到物體上時，它被物體中的原子散射，并且每個原子產(chǎn)生散射波。 這些波相互干擾，結(jié)果是衍射。 由于衍射波的疊加，射線的強(qiáng)度在某些方向上增強(qiáng)并在其他方向上減弱。 通過分析衍射結(jié)果，可以獲得晶體結(jié)構(gòu)。 圖 圖 2.4.3 x 射線衍射儀 2.4.4 維氏硬度儀 維氏硬度計具有較大的試驗(yàn)力，只要工件的表面粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)，維氏硬度計就能檢測到它。維氏硬度計用步進(jìn)電機(jī)按壓工件表面，然后用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕對角線的長度，然后使用對角線和試驗(yàn)力之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系測量維氏硬度。 此外，可以安裝維氏硬度計軟件以通過計算

25、機(jī)顯示屏顯示圖像。測量硬度值更方便快捷。 圖 圖 2.4.4 維氏硬度儀 2.4 焊接工藝 2.4.1 焊前準(zhǔn)備 （1）試樣表面清理。由于鎂合金易氧化，在存放過程中，試樣表面會與空氣中的氧氣以及水分子發(fā)生反應(yīng)形成一層氧化膜。而氧化膜會對激光焊接焊縫的成型以及后續(xù)的腐蝕實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，因此在實(shí)驗(yàn)開始前有必要對試樣表面的氧化層進(jìn)行處理，避免其對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。本次實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械清理的方法去除氧化層，即使用粗砂紙打磨鎂合金表面，去掉表面的氧化物，使其表現(xiàn)出金屬光澤； （2）調(diào)試設(shè)備，確定激光焊接設(shè)備能正常工作。 2.4.2 焊接參數(shù) 本次實(shí)驗(yàn)中，激光焊接所考慮的工藝參數(shù)主要有激光功率(p)，離焦量(f

26、)，焊接速度(v)以及保護(hù)氣體，這些參數(shù)的選擇將會對激光焊接接頭的組織形貌產(chǎn)生直接影響，而接頭處的組織形貌又會對鎂合金的腐蝕性能產(chǎn)生影響，因此需要選擇合適的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，主要的工藝參數(shù)如下： (1) 激光功率(p)與焊接速度(v) 根據(jù)焊接熱輸入公式: v p q / = (式 3-1) 式中: q 為焊接熱輸入(單位: j/mm)，p 為激光功率(單位: w)，v 為焊接速度(單位: mm/s)。由該式可知，焊接熱輸入與激光功率成比例，當(dāng)焊接速度恒定并且激光功率增加時，焊接熱輸入也增加。焊接熱輸入與焊接速度成反比，即激光功率恒定，焊接速度減小，焊接熱輸入增加。焊接熱輸入的大小影響激光焊接

27、的熔深。 熱輸入越大，焊縫的熔深越大。熱輸入越小，焊縫熔深越小。當(dāng)焊縫熔深過小時，焊縫熔合效果差，不會焊透; 當(dāng)焊縫熔深過大時，焊縫容易焊穿。因此應(yīng)該選擇合適的激光功率和焊接速度進(jìn)行焊接，本次實(shí)驗(yàn)選用的激光功率范圍為2021w-3000w，焊接速度的范圍為 300cm/min-500cm/min。 (2) 離焦量(f) 離焦量是指激光束焦點(diǎn)距焊接試樣表面的距離，激光束焦點(diǎn)正好位于試樣上表面上時離焦量為零。正負(fù)離焦量會影響作用于試樣上的能量，改變其傳熱模式進(jìn)而影響焊縫的成形和組織性能。本實(shí)驗(yàn)選用離焦量為 0mm、-1mm、-2mm 進(jìn)行焊接對比，分析離焦量對焊縫質(zhì)量的影響。 (3) 保護(hù)氣體 激

28、光焊接中，保護(hù)氣體會影響焊縫成型、焊縫質(zhì)量、焊縫熔深及熔寬，大多數(shù)情況下，吹入保護(hù)氣體會對焊縫產(chǎn)生積極的影響作用。常用的激光焊接保護(hù)氣體主要有 n 2 、ar、he，本次實(shí)驗(yàn)采用純度為 99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體。 (4) 激光焊接的工藝參數(shù) 下表為激光焊接的工藝參數(shù)： p/w f/mm vcm/min 2021 0 300 2021 -1 400 2021 -2 500 2500 0 400 2500 -1 500 2500 -2 300 3000 0 500 3000 -1 300 3000 -2 400 2.5 試樣的制備 （1）取樣 將 尺 寸 為 420mm450mm3mm 的

29、鎂 合 金 板 材 進(jìn) 行 線 切 割 ， 將 其 切 成60mm50mm3mm 的試樣，進(jìn)行激光焊接。將激光焊接后的試樣按照畫好的線切開，右邊沿著焊縫切下四個小樣，用于金相觀察和腐蝕實(shí)驗(yàn)。 (2)鑲樣 本次實(shí)驗(yàn)采用型號為 xbh-30 的金相鑲嵌料進(jìn)行鑲樣。樣品在使用前打磨表面并清洗干凈，混合比：粉末/液體=10：8(重量比)，按上述比例稱量出粉末和液體，然后將粉末倒入裝有液體的杯中，攪拌均勻后倒入放有樣品的冷鑲嵌模中，約10min 中后鑲嵌料硬化，即可從模中取出樣品。（實(shí)驗(yàn)過程因注意制樣環(huán)境通風(fēng)，干燥。有利于散發(fā)冷鑲劑的氣味和加速冷卻） 圖 圖 2.5.1 金相鑲嵌料 （3）粗磨 使用 4

30、00，600,800,1200,1500，2021 的水砂紙依次打磨。 （4）精拋 使用 0.5m 的拋光膏進(jìn)行拋光，并在拋光過程中向試樣滴加酒精，防止在拋光過程中試樣表面發(fā)生氧化。 （5）侵蝕 按照配比配制 4%硝酸酒精溶液，用脫脂棉沾上試劑擦拭拋光好的樣品表面，擦拭至樣品表面剛好開始發(fā)黑即可。 （6）金相觀察 使用金相顯微鏡觀察激光焊接后的鎂合金表面形貌。 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 1 3.1 顯微硬度分析 根據(jù)之前預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案，對每個試樣進(jìn)行顯微硬度測定。試樣焊縫硬度測定如下表所示： 表 表 3.1.1 試樣的焊縫硬度均值 試樣 1 2 3 4 5 6 7 8 9 焊 縫硬 度（ 均值）

31、 110 101 91 108 106 98 96 94 90 測定結(jié)果表明：不同焊接工藝參數(shù)對焊縫的硬度有顯著影響。 對部分試樣硬度測定制圖如下圖所示： 圖 圖 3.1.2 部分焊接試樣硬度圖 根據(jù)測得的 1-9 號試樣顯微硬度處的結(jié)果顯示，在載荷大小為 1n 及保荷時間為 10s 時，焊縫和母材的顯微硬度均低于 120hv，表明這種合金母材和經(jīng)激光焊接后焊縫的硬度均較低。但通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，焊縫的顯微硬度要高于熱影響區(qū)及母材區(qū)域，由母材的約 60hv 升高到焊縫的約 100hv，導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因是由于快速冷卻凝固過程中焊縫形成細(xì)晶組織，且 -mg 相和 alli相增多。此外，-m

32、g 和 -li 相的顯微硬度值不同導(dǎo)致接頭不同區(qū)域內(nèi)顯微硬度以一定的差值波動，整體曲線呈鋸齒形。 2 3.2 探究最佳焊接工藝 根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，以焊縫硬度作為試驗(yàn)指標(biāo)，以正交試驗(yàn)探究最佳焊接工藝。 表 3.2.1 預(yù)設(shè)焊接工藝參數(shù) 試樣 p/w f/mm vcm/min 1 2021 0 300 2 2021 -1 400 3 2021 -2 500 4 2500 0 400 5 2500 -1 500 6 2500 -2 300 7 3000 0 500 8 3000 -1 300 9 3000 -2 400 表 3.2.2 正交試驗(yàn)求解最佳工藝 功率 離焦量 焊接速度 焊縫硬度 1 a1

33、 b1 c1 110 2 a1 b2 c2 101 3 a1 b3 c3 91 4 a2 b1 c2 108 5 a2 b2 c3 106 6 a2 b3 c1 98 7 a3 b1 c3 96 8 a3 b2 c1 94 9 a3 b3 c2 90 k1 101 105 101 k2 104 100 100 k3 93 93 98 極差 11 12 3 影響程度 2 1 3 最佳方案 a2(2500) b1(0) c1(300) 首先對激光功率進(jìn)行分析，即 a 因素，a 因素一共有三個水平，即 a1、a2、a3。 從表中可看出 a 1 的影響反應(yīng)在 1、2、3 號試驗(yàn)中；a 2 的影響反應(yīng)在

34、 4、5、6 號試驗(yàn)中；a 3 的影響反應(yīng)在 7、8、9 號試驗(yàn)中。a 因素的 1 水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和 k a1 =110+101+91=302，各指標(biāo)的平均值為 k a1 =k a1 /3=101。同理可求得k a2 =312，k a2 =104，k a3 =280，k a3 =93。 根據(jù)正交設(shè)計的特性，對 a 1 、a 2 、 a 3 來說，三組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是完全一樣的(綜合可比性)，可進(jìn)行直接比較。如果因素 a 對試驗(yàn)指標(biāo)無影響時，那么k a1 、k a2 、k a3 應(yīng)該相等，但由上面的計算可見，k a1 、k a2 、k a3 實(shí)際上不相等。說明，a 因素的水平變動對試驗(yàn)結(jié)

35、果有影響。因此，根據(jù) k a1 、k a2 、k a3 的大小可以判斷 a 1 、a 2 、 a 3 對試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。由于試驗(yàn)指標(biāo)為焊縫強(qiáng)度，而k a2 k a1 k a3 , 所以可判定 a 2 為 a 因素的優(yōu)水平。 同理可得出 b 因素和 c 因素的結(jié)果。 b 因素：k b1 =314，k b1 =105；k b2 =301，k b2 =100；k b3 =279，k b3 =93。可判定 b 1 為 b 因素的優(yōu)水平。 c 因素：k c1 =302，k c1 =101；k c2 =299，k c2 =100；k c3 =293，k c3 =98。可判定 c 1 為 c 因素的優(yōu)水

36、平。 由此可得最佳工藝為 a 2 b 1 c 1 ；即功率 2500 w，離焦量 0，焊接速度 300 cm/min。 極差：一組數(shù)據(jù)中最大與最小值的差。正交試驗(yàn)中，極差越大，該因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響越大可求得各因素的極差：r a =k a2 -k a3 =11；r b =k b1 -k b3 =12；r c =k c1 -k c3 =3。根據(jù)各因素的極差大小可知：r b r a r c ，即對試驗(yàn)結(jié)果影響最大的為離焦量，最小的為焊接速度，功率的影響量位于二者之間。 正交試驗(yàn)結(jié)論：最佳工藝為 a 2 b 1 c 1 ；即功率 2500 w，離焦量 0，焊接速度 300 cm/min。 3 3.3

37、組織成分分析 1 3.3.1 金相組織分析 本次實(shí)驗(yàn)對 la103z 鎂鋰合金試樣進(jìn)行了最佳工藝的光纖激光焊接，進(jìn)而研究其組織和腐蝕性能，首先分析的是鎂鋰合金激光焊接后接頭處的金相組織及接頭各部分金相組織的變化。 圖 3.3.1la103z 鎂鋰合金激光焊接接頭光學(xué)顯微鏡照片。(a)激光焊接接頭；(b)鎂鋰合金母材區(qū)域，對應(yīng)圖(a)中 b 區(qū)；(c)鎂鋰合金焊縫區(qū)，對應(yīng)圖(a)中 c 區(qū)域；(d)鎂鋰合金熱影響區(qū)域，對應(yīng)圖(a)中 d 區(qū)域。 la103z 鎂鋰合金激光焊接接頭顯微組織如圖 3.3.1 所示。從圖(a)可以看出激光焊接后的焊縫上下的寬度一致，熱影響區(qū)的寬度較窄，證明在激光焊接過

38、程中鎂合金板材的上下表面所吸收的能量基本一致。在焊縫中也沒能發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷，證明激光焊接的焊接工藝良好。la103z 鎂鋰合金母材主要由 -mg 和 -li兩相組成，如圖(b)所示。-mg 為白亮色分布在黑色的 -li 基體之上。在 -mg上可以看到圓形的細(xì)小的呈彌散分布的析出物。經(jīng)過激光焊接之后，焊縫處的組織如圖(c)所示組織晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密。圖(d)為鎂鋰合金激光焊接接頭母材和熱影響區(qū)的交界處，從圖中可以看出析出相在母材上分布較少，而在熱影響區(qū)上大量分布。造成這一現(xiàn)象的主要原因是在激光焊接的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，越接近焊縫的地方溫度就越高，原先在基材上大量分布的 -mg 在高溫狀

39、態(tài)下重新結(jié)晶，由于激光焊接的速度較快，持續(xù)時間短，焊接結(jié)束后，試樣會迅速空冷，因此-mg來不及再結(jié)晶形成原來的相，而是形成了大量的析出相分布在基材上，因此可以看到熱影響區(qū)上分布大量的析出相，而母材上析出相分布較少。而焊縫處由于激光焊接時溫度過高，使焊縫處合金熔化，焊接結(jié)束后，重新凝固，在這個過程中，析出相由于熔點(diǎn)較低，發(fā)生元素蒸發(fā)，因此焊縫處金相組織排列整齊，組織致密，析出相分布較少。 / b c d (a) (b) (c) (d) -mg -li 圖 圖 3.3.2la103z 鎂鋰合金激光焊接接頭熱影響區(qū)光學(xué)顯微鏡照片。 上圖按順序?yàn)?1-9 號試樣激光焊接接頭母材與熱影響區(qū)交界處。由圖

40、3.3.2 可知鎂合金激光焊接接頭母材處的析出相分布較少，而在熱影響區(qū)上析出相分布較多。 3.3.2 成分分析 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00kev00701002021004005006007008009001000countscomgznznznznzn 圖 圖 3.3.3 1 號試樣能譜點(diǎn)掃描 表 表 3.3.4 焊縫的組成成分 element mass% sigma atom% c k 11.90 0.28 21.08 o k 7.02 0.19 9.34 mg k 78.52 0.33 68.74 zn

41、k 2.56 0.17 0.83 total 100.00 100.00 表 表 3.3.5 熔合線的組成成分 element mass% sigma atom% c k 11.11 0.28 20.04 o k 4.00 0.15 5.42 mg k 82.14 0.33 73.21 zn k 1.88 0.15 0.62 al k 0.88 0.07 0.70 total 100.00 100.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00kev01101002021004005006007008009001000cou

42、ntscomgalznznznznzn008100 m0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00kev008015003000450060007500900010500120211350015000165001800019500countscomgal znznznzn zn011100 m 表 表 3.3.6 熱影響區(qū)組成成分 element mass% sigma atom% c k 10.45 0.25 18.95 o k 4.46 0.14 6.07 mg k 82.30 0.31 73.72 al k 0.60 0.

43、06 0.49 si k 0.08 0.03 0.06 zn k 2.11 0.14 0.70 total 100.00 100.00 對焊縫,熱影響區(qū)和熔合線進(jìn)行點(diǎn)掃描，焊縫，熱影響區(qū)和熔合線的能譜如圖 3.2.3 所示，對比 la103z 基材可知焊縫相較于基材的 c 元素和 o 元素含量劇增，且熱影響區(qū)和熔合線的 c 元素和 o 元素的含量也高于母材，但含量略低于焊縫。c 元素含量的劇增是導(dǎo)致焊縫硬度略高于熱影響區(qū)及遠(yuǎn)高于母材的重要因素之一。焊縫的 mg 和 zn 相對含量明顯下降。這主要是因?yàn)殒V和鋅的沸點(diǎn)分別為 1107和 907，與其他合金元素相比較低，在激光焊接這種高能量的焊接過程中鎂、鋅先達(dá)到沸點(diǎn)，持續(xù)熔化時間最長，導(dǎo)致焊接過程中高溫熔池內(nèi)鎂、鋅的蒸發(fā)比較嚴(yán)重，從而使鎂和鋅的相對含量降低。從而可以看出熱影響區(qū)的 mg和 zn 元素含量相較于焊縫較多。 圖 圖 3.3.7 la103z 鎂合金母材與焊縫的 x 射線衍射譜圖。（a ）母材；（b ）焊縫 圖 3.3.7 為對焊縫和母材進(jìn)行 xrd 衍射分析的譜線。從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)激光焊接后，試樣焊縫組織和母材組織均由 -mg、-li 和少量的 alli