鎂合金表面激光電弧復合熔覆5556 鋁合金工藝研究

任智強，孫瑜*，葉瑞云

（1. 陸軍裝甲兵學院，北京 100072；2. 中國農墾經濟發展中心，北京 100072）

0 引言

鎂合金具有密度小、強度高、導熱性好等優異性能，在航空航天、石油化工、汽車運輸等領域發揮重要作用[1-3]。為進一步提高鎂合金耐蝕性能和應用范圍，鎂合金表面強化和涂層技術成為研究熱點[4-10]。鎂合金表面熔覆方法包括激光、電弧噴涂、激光-電弧復合熔覆等，其中激光熔覆效率高，熔覆層與基材結合力高，具有較好耐磨耐蝕性，但熱影響區大。電弧噴涂對基材熱影響較小，送絲速率快，但涂層孔隙缺陷較高。采用激光輔助的電弧復合熔覆可以兼顧兩種工藝的優勢[6-8]。

由于鋁涂層同樣有質輕、強度高、耐蝕性好的性能，是鎂合金表面防護的重要方式。利用鋁熔點低的特點，電弧噴涂可以通過熔化鋁絲材進而快速制備鋁涂層[11-14]，但是常規電弧噴涂鋁涂層普遍存在缺陷多、結合力低、易剝落等問題。激光輔助電弧復合熔覆具有熔深大、效率高、應力低等優點，通過引入額外的激光熱源輔助提升鋁合金熔覆層質量成為了重要方法[12-18]。朱宗濤等人采用高頻脈沖激光，與鋁合金絲材焊接結合，形成鋁合金復合熔覆工藝，研究結果表明高頻脈沖耦合后弧長增大，熔覆層表面光滑，內部組織更加均勻[15]。孫承帥開展了鋁合金激光誘導電弧增材制造成型研究，結果表明，通過工藝優化，該增材制造技術可成型長尺寸曲面件，且試件具有較小的尺寸誤差率[16]。許良紅等人研究了激光輔助熔化焊接對組織和熔覆層力學性能的影響，結果表明，使用激光輔助加熱提升了熔化焊接效率，熔覆層組織更加細小、熔深更大、接頭抗拉強度提升[17]。AZ80A 鎂合金是重要的輕量化合金材料，強度高，彈性模量大，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，被廣泛用于高性能輕量化工業零部件制造[19-21]。5556 鋁合金焊絲可作為熔覆合金，可用于電弧增材制造領域[22]。

為進一步提升激光電弧復合熔覆品質，還需要對熔覆工藝進一步優化升級，其中引入激光擺動可以提升電弧熔化均勻性，然而目前尚無相關深入研究報道。為此，本研究使用AZ80A 鎂合金作為激光電弧復合熔覆的基材，5556 鋁合金焊絲作為熔覆合金，重點研究了激光擺幅對熔覆層質量提升機理。

1 試驗與方法

使用AZ80A 鎂合金作為激光MIG 電弧復合熔覆的基材，使用前對該基材進行了退火和表面拋光處理。使用5556 鋁合金焊絲作為熔覆合金，焊絲直徑1.2 mm。AZ80A 鎂合金基材和5556 鋁合金焊絲的名義成分如表1 所示。采用煜宸激光公司的Trudisk 光纖激光器進行激光輔助熔覆，激光器功率范圍2～10 kW，激光波長為1070 nm，定位精度±0.05 mm，額定輸入電壓380 V。本研究分別進行了單層單道次、單層多道次和多層多道次激光電弧復合熔覆試驗。在熔覆工藝試驗中，除了調節常規的激光功率、熔覆速度等參數外，本研究重點引入了激光擺動設計，即通過調節激光在熔覆區中的擺動增加熔覆區受熱面積，進而輔助合金的高質量熔覆。MIG 電弧熔覆使用氬氣作為主要保護氣，使用送絲速度2.4～4.8 m/min。

表1 材料名義成分(wt.%)Table 1 Materials' nominal composition (wt.%)

在單層單道次熔覆試驗中，采用正交實驗方法進行工藝優化研究，針對激光功率、熔覆速度、送絲速度和激光擺幅設計了4 因素3 水平試驗，如表2 所示。在單層單道次熔覆試驗獲得的優化工藝參數基礎下，本研究在單層多道次熔覆試驗（5～6 道次）中研究了道次間距和激光擺幅對多道次熔覆層組織的影響，具體試驗參數如表3 所示。在確定了較優的道次間距后，本研究繼續進行了多層多道次熔覆試驗（3 層10 道次），并繼續研究了不同激光擺幅的影響。

表2 單層單道次熔覆正交實驗Table 2 Orthogonal experiments of single-layer single-path cladding

表3 單層多道次熔覆正交實驗Table 2 Orthogonal experiments of single-layer multi-path cladding

對熔覆層進行了試樣解剖，解剖位置位于熔道中部。對解剖的金相樣品進行鑲樣和磨拋后，在VEGA3 TESCAN 掃描電鏡進行了組織觀察，對熔覆層尺寸，包括熔寬、熔高、熔深（三者的尺寸定義如圖1 所示）進行了測量與統計，并采用極差方法進行了分析，極差為最大值與最小值之差。使用維氏硬度計對熔覆層的表層進行了硬度測試，測試載荷100 N，保持時間10 s，測試位置如圖1 所示，主要位于熔覆層表層。采用能譜法對熔覆層不同位置的Mg 和Al 元素成分進行了分析，并使用如下公式（公式1）對熔覆層中這兩種元素分布的均勻性進行了定量評價：

圖1 熔寬、熔高和熔深測量方式，以及顯微硬度取點位置的示意圖Fig. 1 Schematic drawing of the measurement of the clad width, height, depth, and the testing positions of the micro hardness

公式(1)中a值越小則說明熔池中Mg、Al 元素分布越均勻。

2 結果與分析

2.1 單層單道次熔覆研究

在單層單道次條件下，由表2 不同熔覆參數形成的Al 合金熔覆層橫截面組織如圖2 所示。不同熔覆層展現出尺寸（熔寬、熔高、熔深）明顯不同的特征。其中當激光擺幅為零時(SS1、SS5、SS9)，熔覆層明顯具有較大的熔深，這是因為激光在Y 方向無擺動時能量在熔池中心處非常集中，導致Mg 基材在Y 方向熔化嚴重。激光擺幅較大時，熔池更容易向X 方向而非Y 方向延伸，進而展現出更為扁平的熔覆層形貌。分析激光功率影響時發現，低功率(SS1、SS2、SS3)熔覆層更容易形成裂紋；分析送絲速率和熔覆速度影響時發現，送絲速率和熔覆速度不易過高或過低，否則容易增加熔覆層缺陷。

圖2 單層單道次條件下熔覆層橫截面組織Fig. 2 Cross-sectional microstructure of the cladding layers in single-layer single-path condition

為了定量確定熔覆工藝參數對熔覆層穩定性的影響，可使用極差的方法研究。圖3 展示了對圖2 中各熔覆層的尺寸進行測量后再計算得到的尺寸極差結果。極差數據表明，熔覆層寬度穩定性受熔覆速度變化的影響最大，熔覆層深度受激光加熱（包括激光功率和激光擺幅）影響最大，熔覆層高度受熔覆速度和送絲速度影響最大。

圖3 單層單道次條件下熔覆層尺寸極差結果Fig. 3 Range analyzing results of the cladding layers sizes in single-layer single-path condition

元素分布均勻性是影響熔覆層質量的一個重要評價因素，圖4 展示了各工藝參數(SS1～SS9)下熔覆層中Mg、Al 元素分布均勻性。從Mg/Al含量比值來看（柱形圖），MaxMg/Al在激光功率增大時也呈現增大趨勢，說明增加激光加熱能量促進了基材中Mg 元素向Al 熔覆層的擴散；另外，SS5 和SS9 的MaxMg/Al值比其他工藝更大，這兩種工藝使用的激光擺幅為0，熔深較大，造成了在熔覆層中Mg 擴散具有更大梯度。從元素分布均勻性a 值來看，采用較大激光擺幅工藝均具有較高的均勻性，尤其是在高激光功率(SS7～SS9)下，采用大激光擺幅(SS8)時，元素分布均勻性最高。

圖4 單層單道次條件下熔覆層元素均勻性計算結果Fig. 4 Homogeneity calculation results of the elemental distribution in the cladding layers in single-layer singlepath condition

SS1-SS9 單層單道次熔覆層表層維氏硬度范圍為140～210 HV0.1，結果表明，激光功率、送絲速度、熔覆速度和激光擺幅對維氏硬度產生的極 差 分 別 為35 HV0.1、15 HV0.1、13 HV0.1和23 HV0.1，可見，激光功率對熔覆層維氏硬度影響最大。其中激光功率1.5 kW 的SS1～SS3 的維氏硬度明顯高于其他工藝，平均為184 HV0.1；激光功率2.5 kW 和3.5 kW 工藝下熔覆層硬度平均值分別為155 HV0.1和149 HV0.1，可見低功率下熔覆層表面硬度更高，而高功率下硬度更低。這可能是因為激光功率升高時，熔覆層中Mg 擴散量增加，Mg 含量增加會使Mg、Al 元素均勻性增加，同時熔層硬度降低，可避免熔層開裂。相對而言，激光功率為2.5 kW、送絲速度4.8 m/min 工藝可以較好地實現元素均勻性（圖4）和熔層品質（圖2），而且較高的送絲速度也有利于提高熔層制備效率，因此本文將這兩個工藝參數固定并沿用至以下單層多道次和多層多道次的研究中，熔覆速度則選擇了相對適中的值(3.6 m/min)，見表3 和表4。

表4 多層多道次熔覆正交實驗Table 4 Orthogonal experiments of multi-layer multi-path cladding

2.2 單層多道次熔覆研究

圖5 展示了在單層多道次（5～6 道次）條件下道次間距對熔覆層中Mg、Al 元素分布的影響。結果表明，隨著道次間距減?。⊿M1 至SM5），雖然熔覆層之間的搭接效果更好，但熔覆層尺寸均勻性更差（兩端低、中間高），且容易產生開裂；Mg/Al 元素均勻性并未隨著道次間距的減小而得到改善。因此，選擇過小的道次間距不利于制造高質量熔覆層。

圖5 單層多道次條件下熔覆層Mg、Al 元素分布：道次間距影響Fig. 5 Distribution of Mg and Al in the cladding layers in single-layer multi-path condition: path spacing influence

圖6 展示了激光擺幅對單層多道次條件下熔覆層搭接效果和Mg、Al 元素分布均勻性的影響。結果表明，增加激光擺幅時，熔覆層之間的搭接效果明顯增加，各熔覆層的熔寬變大，熔深則變小，元素分布均勻性也得到改善（尤其是Al 熔覆層中Mg 元素分布）。熔寬變大和熔深變小一方面可以減小熔覆層對基材的影響，另一方面可以提高各道次之間的搭接效果，有利于形成連續的熔覆涂層。

圖6 單層多道次條件下熔覆層Mg、Al 元素分布：激光擺幅影響Fig. 6 Distribution of Mg and Al in the cladding layers in single-layer multi-path condition: Laser swing distance influence

2.3 多層多道次熔覆研究

基于最佳的道次間距，本文繼續進行了多層多道次（3 層10 道次）熔覆試驗。圖7 展示了3 個熔覆層的位置關系，在熔覆層橫截面上可以看到有20 個道次，這其實是各層在熔覆過程中有一定的位置錯動造成的。這種位置錯動是為了使新熔覆層更好地填充上一熔覆層的間隙而考慮的。圖8 對比了不同激光擺幅下(MM1、MM2、MM3)熔覆層表面形貌（圖8(a)）、橫截面組織（圖8(b)），和Mg（圖8(c)）和Al 元素（圖8(d)）分布情況。隨著激光擺幅增加（MM1 至MM3），熔覆層表面孔洞、橫截面裂紋和孔洞數量降低，其中采用最大激光擺幅的MM3 工藝下制備的熔覆層中缺陷最少。另外，激光擺幅增加顯著提升了Mg、Al 元素的均勻性。

圖7 多層多道次條件下熔覆層典型橫截面組織Fig. 7 Typical cross sectional microstructure of the cladding layer in multi-layer multi-path condition

圖8 多層多道次條件下不同激光擺幅時熔覆層：(a)表面形貌；(b) 橫截面組織；(c)Mg 元素分布；(d)Al 元素分布Fig. 8 The cladding layers in multi-layer multi-path condition with different laser swing amplitudes:(a)Surface morphology; (b) cross sectional microstructure; (c) Mg distribution; (d) Al distribution

圖9 為采用激光擺動對Al 合金熔覆品質提升的機理圖。當激光無擺動時，由于激光能量集中在熔池中心，容易形成很大的熔深，同時熔寬有限的情況下無法正常形成各道次熔覆層的有效搭接。在增加激光擺幅的情況下，激光加熱能量會更均勻地在Mg 合金基材表面分散，這可以有效增加熔池寬度（熔寬），同時避免形成過大熔深。熔寬的增加提升了各道次熔覆層的搭接率，使得熔覆層更加連續，有利于減少氣孔等缺陷，也有利于降低熔覆層中的內應力，進而減少開裂傾向，提高熔覆層質量。

圖9 激光擺動輔助下Al 合金熔覆機理圖Fig. 9 Mechanism of Al alloy cladding assisted with laser swing

3 結論

本研究使用AZ80A 鎂合金作為基材，使用5556 鋁合金作為熔覆合金，進行了單層單道次、單層多道次（5～6道次）和多層多道次（3層10道次）的激光電弧復合熔覆試驗。單層單道次試驗結果表明，熔覆層寬度穩定性受熔覆速度變化的影響最大，熔覆層深度受激光加熱（包括激光功率和激光擺幅）影響最大，熔覆層高度受熔覆速度和送絲速度影響最大。單層多道次試驗表明，增加激光擺幅時，熔深變小，熔寬變大，熔覆層之間的搭接效果明顯增加。多層多道次試驗結果表明，激光擺幅增加顯著提升了Mg、Al 元素的均勻性?？傊?，當激光無擺動時，熔覆層寬度有限，無法正常形成各道次熔覆層的有效搭接，且缺陷較多。在增加激光擺幅的情況下，激光加熱能量會更均勻地在Mg 合金基材表面分散，有效增加了熔寬，提升了各道次熔覆層的搭接率，使得熔覆層更加連續，內部缺陷減少，熔覆層質量提升。