淺論鎂合金特性分析研究 材料學(xué)專業(yè)

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(shí)它的密度僅為鋁的2/3和碳鋼的1/4。所以，與一般的鋁合金以及鎂合金等相比，鎂合金所具有的強(qiáng)度更高，而且，從剛度的角度來講，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。所以，與塑料相比，鎂合金所具有的剛度要高出很多。基于此，通過選擇與利用鎂合金進(jìn)行構(gòu)建的加工制作，能夠在很大程度上降低重量。比如，能夠降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及外殼、內(nèi)部支架的重量，研究發(fā)現(xiàn)飛機(jī)重量減少時(shí)，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(dòng)性能強(qiáng)，導(dǎo)熱性能好，鎂合金鑄件厚度較小時(shí)結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。廢料回收利用率比較高。進(jìn)行加工制作以及使用的時(shí)候，鎂合金能夠反復(fù)的進(jìn)行回收利用。舉例來講，一些具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(hào)鎂合金的輔助材料。在時(shí)代不斷發(fā)展與進(jìn)步的同時(shí)，要想滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要，那么，材料必須具備更加理想的綜合性能。鎂合金所具有的性能十分突出，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)今社會(huì)，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(huì)更加的明顯：鎂的晶體結(jié)構(gòu)是六方結(jié)構(gòu)，在這種情況下，滑移現(xiàn)象能夠得到有效規(guī)避，所具有的塑性變形能力并不理想，不適合進(jìn)行塑性加工;在溫度較高時(shí)，鎂合金的機(jī)械性能會(huì)大大降低，硬度以及拉伸性能等都會(huì)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(gè)方面：化學(xué)成分的不同和成型工藝的差異。(1)化學(xué)成分一般來講，鎂合金為在金屬鎂當(dāng)中進(jìn)行其他合金元素的添加，進(jìn)而加工制作形成鎂合金，而且，依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行類別界定與劃分，包括二元合金，多元合金以及三元合金?；旧纤械逆V合金都具備多種其他元素。要想突出與簡化其中的關(guān)鍵元素，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)成型工藝依據(jù)成型工藝，能夠?qū)︽V合金進(jìn)行類別界定與劃分，包括鑄造鎂合金以及變形鎂合金。兩種不同的合金在組織、性能以及成分等層面存在明顯的不同。對于鑄造鎂合金而言，主要包括壓力鑄造鎂合金以及普通鑄造鎂合金。進(jìn)行加工制作的時(shí)候，能夠選擇和利用沖壓以及擠壓等各種不同的塑性變形加工工藝，所獲得的產(chǎn)品就是通常所講的變形鎂合金。鎂合金具有難以形成塑性變形的結(jié)構(gòu),所以，其所具有的塑性變形能力并不理想。基于此，與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金所具有的塑形能力以及強(qiáng)度更加理想。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)用鎂合金在汽車工業(yè)當(dāng)中實(shí)際運(yùn)用。眾所周知，鎂的密度不大，這種金屬所具有的機(jī)械性能比較差，相比之下，鎂合金的剛度以及強(qiáng)度都十分理想，在性能方面所具有的優(yōu)勢十分顯著。不僅密度小，而且抗震性能等各項(xiàng)性能優(yōu)良。正是因?yàn)槿绱?，其在汽車工業(yè)領(lǐng)域獲得了極為普遍的實(shí)際運(yùn)用。在加工制作汽車零部件的過程當(dāng)中，選擇和使用鎂合金所具有的優(yōu)勢可以概括為:能夠嚴(yán)格控制汽車的重量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的基本目的。通過進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，汽車消耗的能量的60％消耗在了汽車的重量方面。通過嚴(yán)格控制其重量，能夠在很大程度上降低能耗。第二，因?yàn)殒V合金所具備的鑄造性能十分理想,能夠進(jìn)行復(fù)雜鑄件的制作,促進(jìn)集成度的提升,更加嚴(yán)格的管理與控制成本，進(jìn)而使汽車的靈活性得到顯著改善。第三，與碳鋼材料相比，鎂合金所具有的減震性以及阻音性能十分優(yōu)良。所以，選擇和使用鎂合金，能夠使汽車的減震性能以及降噪性能得到明顯的提高。(2)鎂合金在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用就航天航空材料而言，減重以及軸承和功能集成的結(jié)構(gòu)為該領(lǐng)域研究與分析的點(diǎn)。因?yàn)殒V合金具備密度小以及高比強(qiáng)度等優(yōu)良性能，所以，這種材料在該領(lǐng)域當(dāng)中有著極為普遍的實(shí)際運(yùn)用。在這種情況下，不僅能夠帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益，而且，還能夠在性能方面取得巨大的進(jìn)步。更重要的是，減輕重量可以提高其活動(dòng)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)用隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與進(jìn)步，民眾收入持續(xù)增加，對家電質(zhì)量提出了更高的要求?；诖?，家電逐漸朝著質(zhì)輕、強(qiáng)度高、薄以及抗沖擊性良好等方面發(fā)展。在這種情況下，原有的鋁合金材料以及工程塑料不能夠使民眾的實(shí)際訴求得到有效的滿足。在過去的十年當(dāng)中，很多電子器件制造業(yè)強(qiáng)國對鎂合金產(chǎn)品進(jìn)行了全面的研發(fā)設(shè)計(jì)，在加工制作很多電子產(chǎn)品的過程當(dāng)中，對鎂合金進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)用，并且也獲得了很多的突破。(4)電極材料在對金屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行腐蝕防護(hù)的過程當(dāng)中，選擇與運(yùn)用犧牲陽極的方法，有著諸多優(yōu)勢，比如，電流分散能力突出，便于進(jìn)行管理維護(hù)等等，其在防腐工程領(lǐng)域逐漸得到了極為普遍的實(shí)際運(yùn)用。從現(xiàn)在的實(shí)際情況來看，鎂基陽極以及鋁基等逐漸成為了主流犧牲陽極材料。對于鋁基陽極來講，性能十分突出，其密度不大，驅(qū)動(dòng)電位理想，電流效率也不低:鋅基陽極密度比較高，驅(qū)動(dòng)電位相對更低，十分便于進(jìn)行極化處理:同時(shí)，鎂基陽極所具有的的化學(xué)活性極為突出，密度不大，在電阻較高的條件當(dāng)中有著極強(qiáng)的適用性，而且，金屬表面不容易產(chǎn)生致密保護(hù)膜，所以，其逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。1.2鎂合金的焊接特性和現(xiàn)狀1.2.1鎂合金的焊接性工業(yè)領(lǐng)域在對鎂及鎂合金進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用的過程當(dāng)中，與焊接結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，同時(shí)，在焊接當(dāng)中所面臨的問題和鋁合金基本相同。如今，現(xiàn)代化工業(yè)對于成本與焊接效率提出了更高的要求。基于此，在全面運(yùn)用鎂合金的過程當(dāng)中依賴于焊接質(zhì)量理想，能耗低的新型鎂合金焊接技術(shù)。由于鋁合金以及鎂合金所具有的優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以，其在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用不斷增多。鎂合金的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如，易燃、性質(zhì)活潑以及熔點(diǎn)不高等等。在進(jìn)行焊接的時(shí)候，所具有的問題可以概括為：(1)氧化、氮化和蒸發(fā)眾所周知，鎂所具有的性質(zhì)十分活潑，因此，其極易被氧化，進(jìn)而形成氧化鎂，氧化鎂的熔點(diǎn)很高，這一點(diǎn)和鎂有著明顯的不同。在進(jìn)行焊接的過程當(dāng)中，氧化鎂對焊縫成形造成極為不利的影響，同時(shí)，在熔入焊縫的情況下，極易引起夾雜的情況下。而且，在進(jìn)行焊接的時(shí)候，氣體保護(hù)不理想，氮化鎂Mg3N2在這個(gè)過程當(dāng)中隨之產(chǎn)生，對焊縫接頭的性能造成不利影響，而且，在高溫條件下，鎂會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)，進(jìn)而引起環(huán)境污染。所以，焊接鎂合金的過程當(dāng)中，改進(jìn)與優(yōu)化氣體的保護(hù)十分關(guān)鍵。(2)熱裂紋傾向在鎂合金當(dāng)中進(jìn)行鋅、銅等金屬的添加，能夠產(chǎn)生部分熔點(diǎn)不高的共品體，比如，Mg-Ni共晶共晶點(diǎn)以及Mg-Al共晶共晶點(diǎn)等。因?yàn)閆n的固熔有限，同時(shí)，其共晶點(diǎn)僅僅為340℃，在這種情況下，其脆性溫度區(qū)范圍比較大，難以避免的產(chǎn)生熱裂紋。此外，在進(jìn)行焊接的過程當(dāng)中，極易因激光束能量作用而受到影響，形成熱應(yīng)力，引起鎂合金板材發(fā)生形變，焊接接頭熱裂紋難以得到有效規(guī)避。(3)氣孔與燒穿在利用鎂合金進(jìn)行焊接的過程當(dāng)中，極易產(chǎn)生氣孔，這是由于母材中存在大量的小氣泡;亦或是形成氫氣，在溫度降低的情況下，氫氣所具有的溶解度明顯降低，使焊縫里面存在的氫氣難以溢出。正是因?yàn)槿绱?，在氫氣來源多的情況下，氣孔的數(shù)量往往也更多。而且，因?yàn)榧す夂附幽芰亢芨?，引起焊縫得到的能量很多，同時(shí)，鎂的所具有表面張力并不大，假設(shè)在保護(hù)氣體流量方面不理想，極易導(dǎo)致焊接過程當(dāng)中出現(xiàn)焊縫金屬下塌以及燒穿的情況。1.2.3鎂合金焊接方法在實(shí)際運(yùn)用鎂合金的過程當(dāng)中，鎂合金焊接相關(guān)的技術(shù)問題同樣是研究領(lǐng)域研究與分析的重點(diǎn)，在這種情況下，焊接技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)革新與升級?；诖耍V合金所具有的焊接性能也隨之實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。從現(xiàn)在的實(shí)際情況來看，相關(guān)的焊接技術(shù)十分豐富多樣，具體內(nèi)容可以概括為:(1)鎢極氬弧焊(TIG焊)對于鎢極氬弧焊而言，為借助于惰性氣體的保護(hù)，通過電弧填充焊絲以及熔化母材的基本焊接手段。在所有的鎂合金焊接技術(shù)當(dāng)中，這種手段的運(yùn)用十分常見。依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行類別界定與劃分，包括交流氬弧焊以及直流氬弧焊。通過對這種方法進(jìn)行合理利用，鎂合金能夠得到十分理想的焊縫，實(shí)際進(jìn)行焊接的過程當(dāng)中，熱量更加集中，出現(xiàn)的形變不大，同時(shí)，還能夠便捷的控制焊接電弧。(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)激光焊接激光類型的焊接技術(shù)有著鮮明的特點(diǎn)，與一般的氣焊類型焊接技術(shù)等進(jìn)行對比分析能夠得出，前者在進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用的過程當(dāng)中，能夠?qū)す馐?dāng)中的輻射能量進(jìn)行合理利用，可以很容易的把特定量的激光聚焦到不大的范圍當(dāng)中,。在這種情況下，能夠在聚焦的情況形成很多能量,高能量脈沖在這個(gè)過程當(dāng)中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。所以，從現(xiàn)在的實(shí)際情況來看，其在小范圍材料焊接加工領(lǐng)域有著極為普遍的實(shí)際運(yùn)用。而且，因?yàn)榧す馊菀走M(jìn)行控制，所以，焊接精準(zhǔn)度也隨之得到提高。對于激光類型的焊接技術(shù)而言，盡管已經(jīng)運(yùn)用了很長時(shí)間，但是，其始終面臨著難以形成足夠熱量的難題。實(shí)際研發(fā)焊接技術(shù)的過程當(dāng)中，業(yè)內(nèi)人士借助于先進(jìn)技術(shù)將活性類型介質(zhì)激活,同時(shí)，還使介質(zhì)填充在諧振空腔里面,而且，在空腔當(dāng)中出現(xiàn)振蕩,振蕩產(chǎn)生激光束,激光束能夠與加工材料實(shí)現(xiàn)全面接觸,在這種情況下，被加工材料的溫度隨之提高，被照射材料的溫度達(dá)到自身的熔點(diǎn),材料的焊接加工進(jìn)而順利完成。從第三代激光技術(shù)來看，光纖激光器無疑是其典型的代表，所具備的優(yōu)勢十分突出，比如，光束的質(zhì)量十分理想，功率比較高等等。如今，從激光焊接研究領(lǐng)域的實(shí)際情況來看，對于光纖激光焊接的研究與分析不斷增多。(4)激光-電弧復(fù)合焊從根本上來講，激光-TIG復(fù)合焊就是把電弧以及激光物理性質(zhì)存在明顯差異性，能量傳輸機(jī)制有所區(qū)別的熱源結(jié)合，而且，作用在特定加工位置，所具有的基本原理為二者的耦合作用。在這種情況下，能夠使焊接熔深等得到顯著增大，在這個(gè)過程當(dāng)中所形成的金屬等離子體穩(wěn)定電弧的作用，能夠在很大程度上降低對于激光能量的散射作用以及吸收作用，對于激光的吸收率也隨之實(shí)現(xiàn)提升。(5)攪拌摩擦焊在最開始的時(shí)候，攪拌摩擦焊在上個(gè)世紀(jì)九十年代通過英國地區(qū)的焊接研究所研發(fā)出來，其從屬于新型固相連接技術(shù)的范疇。從根本上來講，F(xiàn)SW就是借助于圓柱形以及錐形等攪拌工具扎到工件當(dāng)中，在這個(gè)基礎(chǔ)上，進(jìn)行攪拌以及摩擦等，最終使焊接工作順利實(shí)現(xiàn)的基本連接技術(shù)。所具有的優(yōu)點(diǎn)十分突出，比如，操作并不復(fù)雜，十分便捷，能夠有效規(guī)避金屬飛濺的問題，工件的缺陷不多，在完成焊接工作的情況下，焊接接頭所具有的力學(xué)性能十分理想。1.3研究意義與主要內(nèi)容1.3.1研究意義如今，鎂合金逐漸在航天、汽車等一系列不同的行業(yè)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了普遍的運(yùn)用。然而，在進(jìn)行推廣的過程當(dāng)中，依然存在著連接問題，因?yàn)殒V本具備自身的基本性質(zhì)，引起氧化、裂紋等等各種不同的缺陷問題。與此同時(shí)，在時(shí)代不斷發(fā)展與進(jìn)步的同時(shí)，各項(xiàng)焊接技術(shù)也持續(xù)實(shí)現(xiàn)革新與升級，這使得其中的很多問題都實(shí)現(xiàn)了妥善的應(yīng)對與處理。而且，隨著工業(yè)發(fā)展要求的不斷提高，其實(shí)際運(yùn)用不斷增多。在這個(gè)過程當(dāng)中，研發(fā)出了各種不同的鎂合金，包括AZ系列以及ZK系列等等。這篇文章所采用的鎂合金為變形鎂合金，這種合金當(dāng)中添加了Mg、Li以及Al等不同的金屬，進(jìn)行焊接的時(shí)候，極易產(chǎn)生Mg17Al2共晶體，這些共晶體的熔點(diǎn)不高，引起固溶體的結(jié)晶過程和結(jié)晶過程在時(shí)間上不一致，進(jìn)一步使排列不規(guī)則的情況產(chǎn)生，最終出現(xiàn)裂紋。而且，在進(jìn)行焊接的時(shí)候，焊縫受到力的影響，導(dǎo)致裂紋變得更加明顯，焊接接頭所具有的力學(xué)性能因此而受到極為不利的影響。因此，通過采取相應(yīng)的應(yīng)對舉措與辦法，促進(jìn)焊接接頭質(zhì)量得到改善十分關(guān)鍵。而由于光纖激光焊接為焊接速度快，熱輸入不多的焊接技術(shù)，所以，這種方法在該項(xiàng)試驗(yàn)當(dāng)中得到實(shí)際運(yùn)用?；诖?，這篇文章選擇和利用光纖激光器開展焊接工作，全面的分析各種焊接工藝當(dāng)中激光焊接接頭組織以及腐蝕性能。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，對于焊縫成形和焊接工藝當(dāng)中所具有的對應(yīng)關(guān)系展開全面分析。(2)系統(tǒng)分析激光焊接鎂合金成形的焊接接頭，同時(shí)，借助于金相顯微鏡以及掃描電鏡等不同的儀器觀察與分析各種焊接工藝當(dāng)中焊縫組織、元素分布與、相組成情況。(3)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。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2.1.1LA103Z鎂合金試板元素含量(wt.%)LiAlZnFeCuSiMg1032.90.003<0010.23余量2.2實(shí)驗(yàn)方案2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.3.1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IPGYLS-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)器人和光纖焊接系統(tǒng)的部分參數(shù)：弧焊機(jī)器人系統(tǒng)安川HP6D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%MOTOWELDYWE-S360MG焊機(jī)額定輸入：18.0KVA，15.0KW工作/空載電壓：36V/64V光纖激光焊接系統(tǒng)型號(hào)：IPGYLS-4000標(biāo)稱功率：4000W運(yùn)行模式：連續(xù)/調(diào)制焦距：150/250mm光纖規(guī)格：φ200μmX20m輸出功率調(diào)整范圍：10-100%輻射波長：1060-1080光斑直徑：0.2/0.33mm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2.3.2光纖激光焊接器2.3.2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。(1)金相顯微鏡從根本上來講，金相顯微鏡對光電轉(zhuǎn)換技術(shù)以及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)等各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了綜合運(yùn)用，能夠在計(jì)算機(jī)當(dāng)中便捷的觀察金相圖像，不僅可以研究金相組織，而且，還能夠?qū)崿F(xiàn)圖片的打印以及輸出。其把計(jì)算機(jī)和光學(xué)顯微鏡借助于光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行綜合運(yùn)用，不只是能夠通過目鏡進(jìn)行觀察，同時(shí)，也可以通過顯示屏幕對動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行觀察與處理。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2.3.4金相顯微鏡(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，電子光束的入射角度和次級電子的數(shù)量之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。探測器對次級電子進(jìn)行收集，轉(zhuǎn)化成光電信號(hào)，在這個(gè)基礎(chǔ)上繼續(xù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對電子束強(qiáng)度的控制，掃描圖像隨之顯示出來。由于其為立體形象，因此能夠全面的體現(xiàn)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(shí)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(hào)是上海圣科儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JEOLJSM-6510型。2.3.5掃描電子顯微鏡(3)X射線衍射儀對于X射線與衍射X射線而言，波長相對較短，能夠通過特定厚度的材料，熒光物質(zhì)出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象。晶體內(nèi)原子面的間距和X射線的波長基本一致。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(shí)，它被物體中的原子散射，并且每個(gè)原子產(chǎn)生散射波。這些波相互干擾，結(jié)果是衍射。因?yàn)檠苌洳ǔ霈F(xiàn)疊加，其強(qiáng)度發(fā)生不同程度的改變。經(jīng)過研究衍射結(jié)果，可以獲得晶體結(jié)構(gòu)。圖2.3.6X射線衍射儀(4)維氏硬度儀維氏硬度計(jì)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(jì)就能檢測到它。維氏硬度計(jì)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(jì)軟件以通過計(jì)算機(jī)顯示屏顯示圖像。測量硬度值更方便快捷。圖2.3.7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(huì)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(huì)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)，焊接速度(V)以及保護(hù)氣體，這些參數(shù)的選擇將會(huì)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(huì)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:(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(shí)，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(shí)，焊縫熔合效果差，不會(huì)焊透;當(dāng)焊縫熔深過大時(shí)，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2000W-3000W，焊接速度的范圍為300cm/min-500cm/min。(2)離焦量(f)所謂的離焦量指的即是焊接試樣表面和激光束焦點(diǎn)之間的距離，在激光束焦點(diǎn)處在試樣上表面的情況下，離焦量是零。試樣當(dāng)中的能量將受到正負(fù)離焦量的影響，焊縫的組織性能以及成形隨之受到影響。在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，選擇與使用離焦量是加以焊接分析，研究焊縫質(zhì)量因?yàn)殡x焦量而受到的影響。(3)保護(hù)氣體激光焊接中，保護(hù)氣體會(huì)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(huì)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N2、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/Wf/mmVcm/min200003002000-14002000-2500250004002500-15002500-2300300005003000-13003000-24002.5試樣的制備2.5.1取樣將尺寸為420mm×450mm×3mm的鎂合金板材進(jìn)行線切割，將其切成60mm×50mm×3mm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(gè)小樣，用于金相觀察和腐蝕實(shí)驗(yàn)。2.5.2鑲樣本次實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)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，依據(jù)該比例獲取粉末以及液體，在這個(gè)基礎(chǔ)上，將其置于杯中，混合均勻后倒入置有樣品的冷鑲嵌模當(dāng)中，然后鑲嵌料硬化的情況下將樣品取出。（實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)注意制樣環(huán)境通風(fēng)，有利于散發(fā)冷鑲劑的氣味和加速冷卻。）圖2.5.1金相鑲嵌料2.5.3粗磨使用400，600,800,1200,1500，2000的水砂紙依次打磨。2.5.4精拋使用0.5μm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。2.5.5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。2.5.6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。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析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(gè)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3.1.1試樣的焊縫硬度均值試樣123456789焊縫硬度（均值）1101019110810698969490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3.1.2部分焊接試樣硬度圖根據(jù)測得的1-9號(hào)試樣顯微硬度處的結(jié)果顯示，在載荷大小為1N及保荷時(shí)間為10s時(shí)，焊縫和母材的顯微硬度均低于120HV，意味著該合金母材與焊縫的硬度都不高。然而，進(jìn)行進(jìn)一步研究得出，焊縫所具有的顯微硬度更高，主要是因?yàn)榭焖倮鋮s凝固當(dāng)中產(chǎn)生細(xì)晶組織，同時(shí)，AlLi相以及α-Mg相隨之增加。而且，二者的顯微硬度值存在一定的差異性，這使各個(gè)區(qū)域當(dāng)中顯微硬度存在區(qū)別。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/Wf/mmVcm/min12000030022000-140032000-250042500040052500-150062500-230073000050083000-130093000-2400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1A1B1C11102A1B2C21013A1B3C3914A2B1C21085A2B2C31066A2B3C1987A3B1C3968A3B2C1949A3B3C290K1101105101K2104100100K3939398極差11123影響程度213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(gè)水平，即A1、A2、A3。從表中可得出A1的影響反應(yīng)處于1號(hào)試驗(yàn)、2號(hào)試驗(yàn)以及3號(hào)試驗(yàn)當(dāng)中；A2的影響反應(yīng)處于4號(hào)試驗(yàn)、5試驗(yàn)以及6號(hào)試驗(yàn)當(dāng)中。與A因素的1水平相對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)總和KA1=110+101+91=302，各指標(biāo)的平均值為kA1=KA1/3=101。同理可求得KA2=312，kA2=104。根據(jù)正交設(shè)計(jì)的特性，對A1、A2、A3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(shí)，那么KA1、KA2、KA3應(yīng)該相等，但由上面的計(jì)算可見，KA1、KA2、KA3實(shí)際上不相等。說明，A因素的水平變動(dòng)對試驗(yàn)結(jié)果有影響。因此，根據(jù)KA1、KA2、KA3的大小可以判斷A1、A2、A3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KA2＞KA1＞KA3,所以可判定A2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：KB1=314，kB1=105；KB2=301，kB2=100；KB3=279，kB3=93?？膳卸˙1為B因素的優(yōu)水平。C因素：KC1=302，kC1=101；KC2=299，kC2=100；KC3=293，kC3=98?？膳卸–1為C因素的優(yōu)水平。由此可得最佳工藝為A2B1C1；即功率2500W，離焦量0，焊接速度300cm/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：RA=kA2-kA3=11；RB=kB1-kB3=12；RC=kC1-kC3=3。根據(jù)各因素的極差大小可知：RB＞RA＞RC，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A2B1C1；即功率2500W，離焦量0，焊接速度300cm/min。3.3組織成分分析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。(a)bdc(a)bdcα-Mgβ-Liα-Mgβ-Li(b)(c(c)(d)(d)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可以參考圖3.3.1。對其進(jìn)行分析能夠得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，意味著鎂合金板材各個(gè)表面吸收的能量相同。在焊縫當(dāng)中同樣沒能發(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α-Mg和β-Li兩相組成，如圖(b)所示。α-Mg為白亮色分布在黑色的β-Li基體之上。α-Mg當(dāng)中存在圓形的析出物。再進(jìn)行激光焊接的情況下，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(huì)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α-Mg在高溫狀態(tài)下重新結(jié)晶，由于激光焊接的速度較快，持續(xù)時(shí)間短，焊接結(jié)束后，試樣會(huì)迅速空冷，因此α-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(shí)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(gè)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。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)?-9號(hào)試樣激光焊接接頭母材與熱影響區(qū)交界處。由圖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成分分析圖3.3.31號(hào)試樣能譜點(diǎn)掃描表3.3.4焊縫的組成成分ElementMass%SigmaAtom%CK11.900.2821.08OK7.020.199.34MgK78.520.3368.74Znk2.560.170.83Total100.00100.00表3.3.5熔合線的組成成分ElementMass%SigmaAtom%CK11.110.2820.04OK4.000.155.42MgK82.140.3373.21Znk1.880.150.62Alk0.880.070.70Total100.00100.00表3.3.6熱影響區(qū)組成成分ElementMass%SigmaAtom%CK10.450.2518.95OK4.460.146.07MgK82.300.3173.72AlK0.600.060.49SiK0.080.030.06ZnK2.110.140.70Total100.00100.00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。這是由于鋅與鎂的沸點(diǎn)依次是907℃以及1107℃，沸點(diǎn)并不高，進(jìn)行激光焊接的過程當(dāng)中，兩種金屬手段沸騰，引起焊接當(dāng)中高溫熔池當(dāng)中兩種金屬明顯蒸發(fā)，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3.3.7LA103Z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