JMA：钆粉添加与振荡激光协同作用下激光焊接镁合金接头延展性增强机理

发布者：日期：2025年09月23日 12:56 点击数：

摘要介绍

焊接接头的力学性能是镁合金在构件制造中广泛应用的关键因素。该研究研究了振荡激光和钆粉添加对激光-MIG复合焊接镁合金接头延展性的协同效应，并基于晶粒细化和裂纹扩展行为阐明了延展性增强机理。

【1】与无振荡激光焊接相比，接头延展率提高了145.3%。振荡激光的搅拌效应和高熔点析出相(Mg,Al)2Gd的聚集导致了晶粒细化。

【2】由于均匀化的焊缝微观结构诱导了随机化的晶粒取向，焊缝的塑性各向异性降低。因此，(c+a)位错滑移的激活得到增强，这是塑性改善的关键因素。

【3】在裂纹扩展过程中，孪晶使晶粒取向发生旋转，相邻晶粒的几何相容性得到改善。因此，裂纹沿晶界的扩展被有效阻碍。

该研究结果有助于推动振荡激光填粉焊接技术的发展，并为提高镁合金焊接接头的延展性提供了有价值的参考。

*钆(Gadolinium)是一种金属元素，元素符号为Gd，原子序数64，原子量157.25，呈银白色，有延展性。元素名来源于研究镧系元素有卓越贡献的芬兰科学家加多林。1880年瑞士的马里尼亚克分离出钆，1886年法国化学家布瓦博德朗制出纯净的钆，并命名。钆在地壳中的含量为0.000636%，主要存在于独居石和氟碳铈矿中。钆在医疗、工业、核能等领域广泛应用。2025年4月4日起，根据《中华人民共和国出口管制法》《中华人民共和国对外贸易法》《中华人民共和国海关法》《中华人民共和国两用物项出口管制条例》有关规定，为维护国家安全和利益、履行防扩散等国际义务，经国务院批准，决定对钆相关物项实施出口管制。

研究背景

镁合金因其低密度、高比强度和良好的阻尼性能而广泛应用于航空航天和汽车工业。然而，由于镁合金的高导热性和低沸点，其焊接性较差，存在气孔缺陷、晶粒粗大和元素蒸发等问题。因此，焊接接头的强度、塑性和疲劳性能显著恶化。所以，提高镁合金焊接接头的性能是备受关注的问题之一。

激光-电弧复合焊接技术具有焊接效率高和热输入低的特点，有利于抑制缺陷。然而，由于高导热性导致的晶粒粗化，激光-电弧复合焊接的镁合金接头仍表现出较差的塑性。对于不含稀土元素的镁合金，通常发现随着使用温度的降低，强度增加而延展性下降。尽管商用AZ31合金的极限抗拉强度从室温的250MPa增加到77K时的350MPa以上，但其相应的延展率却从超过25%急剧下降到低于10%。这种强度与塑性的权衡主要归因于低温下孪晶和位错的不足。通过添加稀土元素，特别是Gd(钆)和Y(钇)，可以显著提高镁合金的强度和塑性。

Gd作为稀土元素之一，是镁合金的有效强化元素，广泛应用于Mg-RE合金中。Gd元素在镁合金中具有最大的时效硬化潜力。Gd在Mg中的固溶度在高温下为23.5wt.%，高于其他元素，如Y、Ce、Nd和Mn。镁在室温下有限的延展性主要归因于其密排六方结构，该结构具有受限的活性变形系和锥面(c+a)位错的低迁移率。Imandoust等人研究了稀土元素浓度对镁合金织构形成和演变的影响。(c+a)位错滑移的激活调节了c轴上的应变，从而增强了塑性。提高(c+a)位错的活性是增强延展性的有效途径。学者们证明稀土元素可以激活镁合金中的(c+a)位错滑移，从而最终提高强度和延展性。例如，通过向镁合金中添加Sm和Ce可以促进(c+a)位错滑移的激活。Zhang等人开发了一种新型Mg-5Cr-12n-0.2Zr挤压合金，其高延展性与LPSO结构层片诱导的应变硬化和(c+a)位错滑移密切相关。Fan等人也发现Er的添加增强了位错增殖和(c+a)位错激活。然而，在激光焊接镁合金接头中，填粉的冶金效果并不理想。焊接过程受到飞溅以及高加热和快速冷却的影响。振荡激光焊接能够改善焊缝成形并优化微观结构的不均匀性。Chen等人指出，通过增加振荡频率和振幅可以抑制焊缝中的元素偏析，从而提高焊缝微观结构的均匀性。值得注意的是，振荡激光可以优化焊接过程中异质材料的分布。Hao等人发现振荡激光搅拌熔池，从而抑制了碳纳米管的团聚，分散的碳纳米管促进了晶粒细化。因此，通过调整焊接过程中的激光振荡振幅和频率，熔池内部的热量和质量分布得以均匀化，焊缝均匀性得到改善。此外，Hao等人研究了碳纳米管的分布特征及其对微观结构和拉伸性能的影响。与不含碳纳米管的焊缝相比，含碳纳米管的焊缝晶粒尺寸细化了50%以上，织构的{0001}最大强度减弱了60%以上。另外，Mg-RE合金在汽车和航空航天工业中不可避免地承受循环载荷。因此，疲劳性能对于Mg-RE合金在工程工业中的安全可靠应用至关重要。焊接接头强度和塑性的改善可以通过疲劳裂纹扩展来揭示。增强的塑性允许在裂纹尖端形成更大的塑性变形区，从而吸收更多能量并有效抑制裂纹扩展。

尽管一些研究已经证明了稀土元素通过轧制工艺增强材料塑性和强度的能力，但很少有报道研究钆粉填送对振荡激光-MIG复合焊接制备的镁合金接头力学性能的影响。在焊接过程中，激光束与钆粉的相互作用、非平衡凝固增强了微观结构演变的复杂性。振荡激光可以搅拌熔池，使钆粉末分布更均匀，并促进第二相粒子的析出。然而，振荡激光和钆粉添加对激光-MIG复合填粉焊接制备的镁合金接头性能的协同效应仍需进一步研究。此外，焊缝微观结构与接头性能之间的关系仍不清楚。该研究工作采用振荡激光-MIG复合填钆粉焊接制备AZ31B镁合金接头。全面考察了微观结构特征和接头强度。并基于晶粒细化和裂纹扩展偏转行为阐明了延展性增强机理。具体讨论了晶粒几何相容性、应力分布和位错滑移。

研究亮点

【1】创新的协同工艺

►首次将振荡激光与同步Gd(钆)粉末添加这两种技术相结合，应用于镁合金的激光-MIG复合焊接，是一种工艺创新。

【2】显著的性能提升

►取得了突破性的力学性能改善。与常规激光-MIG焊接相比，接头延展率提升了145.3%，达到13%，并且拉伸断裂位置从焊缝转移至母材，表明焊缝性能已优于或等同于母材。

【3】多尺度的机理阐明

►研究并未停留在性能表征，而是深入揭示了从微观结构(晶粒尺寸、取向、析出相)到位错滑移行为，再到宏观裂纹扩展路径的全链条作用机制，逻辑清晰完整。

【4】明确的机理解释

►晶粒细化双机制:明确指出了晶粒细化源于振荡激光的机械破碎与搅拌作用和Gd元素引入的析出相的协同效应。

►延展性增强核心:将塑性提升归因于晶粒取向随机化导致的塑性各向异性降低，从而促进了非基面滑移，特别是(c+a)位错滑移的激活。

►抗裂纹扩展新视角:详细阐释了孪晶如何通过旋转晶粒取向、改善几何相容性，从而诱发裂纹偏转、分叉和闭合，有效阻碍裂纹扩展。

学术贡献