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最新ZnAl合金的应用与激光焊接研究

Zn-Al合金的应用与激光焊接研究

安徽机电职业技术学院机械工程系   王立跃   徐道荣

     ［摘要］本文综述了Zn-Al合金研究、应用现状及凝固特性，锌-铝合金激光焊接特点及主要问题。

     ［关键词］Zn-Al合金；凝固特性；激光焊接

      锌-铝系列合金具有良好的力学性能、优良的铸造工艺性能、良好的摩擦磨损特性、较低的原材料成本和熔化能耗低、对环境无污染等特点[1]，它刚一问世，就马上引起了世界各国材料工作者的关注，并很快开拓了应用市场。

随着对锌基合金需求的增加，人们对锌-铝合金的研究也越来越深入。

 1   锌-铝合金的发展概况

       二战初期，由于铜、锡资源紧缺,德国率先开始了重力铸造锌合金代替铜合金的研究。

研究发现，含铝较高的重力铸造锌合金的机械性能好，又有较好的自润滑性，代替青铜做轴承具有良好的效果。

与青铜相比，锌基合金对油的亲和力较大、摩擦系数较低、力学性能优良，而且具有减振性能[2]。

       20世纪70年代中期以来，加拿大Noranda矿业有限公司的魁北克研究中心与美国的Eastern合金公司合作，开始了新型重力铸造高铝锌基合金的研究开发。

这最终导致了ZA27和ZA8合金的诞生[3,4]。

       锌-铝合金的应用开发是在20世纪80年代，由于其具有高的抗拉强度和硬度、良好的阻尼性、摩擦系数小、摩擦温升低、耐磨性好、原材料与制造成本低廉等优点以及其他一些独特的性能（如碰撞时不产生火花、无磁性等），因此具有很强的市场竞争力,并成为金属材料工程研究的热点之一[5]。

       目前全球范围内缺铜，而锌是一种储量大、分布广的金属，锌-铝系列合金可以在大部分的工业领域中取代铜基合金。

锌-铝合金在美、加、德、英、日、俄等工业发达国家均得到广泛应用，我国铜资源短缺，锌、铝资源相当丰富，因此大力研究和推广锌铝合金应用具有重要的经济意义[6,7]。

2  锌-铝合金的研究及应用现状

2.1   化学成分

       锌是具有低熔点、低汽化温度及高密度的金属。

纯锌具有高塑性和低强度的特点，难以满足工程上的要求,因此在应用中常加入强化元素。

锌-铝合金中主要的合金元素为Al、Cu和Mg,有害杂质则是Fe、Pb、Cd，Si和Sb的作用比较独特，当其含量很少时属于杂质，人为加入时为合金元素[7]。

其中,铝是锌铝合金中首要的强化元素，铝可以提高锌基合金的流动性，细化晶粒改善铸件的力学性能。

锌-铝合金中,随着铝含量的增加，强度提高，韧性下降。

铝在锌中固溶度很小，而锌在铝中有很大的固溶度，且随温度变化显著，如共析温度下富铝相的固溶锌含量高，这使得这种合金有很强的固溶强化效果。

近年来，锌-铝基合金已成为研究和开发的热点[8]。

2.2   性能特点

       锌-铝系列合金之所以能在短时间内迅速发展，与其良好的使用性能、加工性能和低廉的成本密切相关。

ZA27合金机械性能见表1。

2.2.1   锌-铝系列合金具有较高的强度和硬度。

其中ZA27合金的强度几乎超过所有的铸造有色合金、铸铁，同时仍保持了良好的塑性和韧性。

随着铝含量的增加，“ZA”系列合金收缩率增大，密度降低，伸长率、硬度、冲击值及抗蠕变性增大，耐磨性提高[9]。

2.2.2   锌-铝系列合金具有良好的摩擦性能，其摩擦系数低于或相当于锡青铜，但磨损率、磨损表面的温升等均明显低于锡青铜。

锌-铝合金具有良好的耐磨性，是铜合金的优良代用材料,这种合金可用于制造滑块、压下螺母、轴瓦、轴套、蜗轮等，使用寿命为铜合金的1~3倍，而铸件成本仅为铜合金的40%~60%，具有显著的经济效益[10]。

2.2.3   锌-铝系列合金的气密性优于锡青铜，适于在各种要求密封的场合工作；此外锌-铝合金无磁性，受冲击不产生火花，适于在有防爆的场合工作。

锌-铝合金是非磁性材料，本身具有高的阻尼性能，不受磁场影响，有利于电子器件及仪器、仪表的减振降噪[11]。

2.2.4   锌-铝合金原材料成本低，熔化耗能低。

由于锌的熔点较低，在熔化过程中合金元素烧损少、氧化轻、吸气少，因而熔炼时可以不加熔剂、脱氧剂和精炼剂[11]。

2.3   锌-铝合金的凝固特性

       研究发现，ZA27合金的结晶温度范围很宽，约为112℃（492~380℃）。

这就决定了ZA27合金将以糊状方式进行凝固，而且初生的富铝相具有很强的枝晶生长倾向，故在凝固的中后期,整个凝固区内的剩余合金液将被高度发展的树枝晶分割为互不相通的小熔池。

这些小熔池凝固时得不到液态金属的补缩，容易形成分散性缩孔[12]。

锌-铝比重的差异和较宽的结晶温度区间导致严重的成分偏析，并由此产生异常的自上而下的凝固顺序，最终形成底缩。

通过控制成分偏析、增大温度梯度、改变铸造工艺和降低浇注温度可以减轻或消除底缩现象[13]。

       锌-铝合金中，合金化学组分中的铝、镁和锌、铜的密度差异较大，在凝固过程中容易产生重力偏析，保持液态时间越长，则重力偏析越严重。

由于在结晶凝固时，富铝相密度小而上浮，该相先结晶，所以铝锌基合金的实际凝固方向是由上向下进行的，并导致高度方向的成分差异，故容易出现明显的反常方向的补缩现象，即在缓慢冷却的条件下，比重小的铝偏聚于上部，在合金凝固时，凝固方向由富铝的高熔点区域向富锌的低熔点区域进行。

凝固由顶部向底部反方向进行，底部富锌区域最后凝固，因而在最后凝固的铸件底面产生缩孔或缩松[14]。

3   锌-铝合金的激光焊接

3.1   锌-铝合金激光焊接特点

       锌-铝合金使用过程中难免会出现磨损、碰伤等，传统修复这些缺陷的方法是机械修复，不仅修复周期长而且浪费资源、增加成本，而采用焊接的方法对其进行修补，可大大降低生产成本，节约资源[15]。

       激光焊是利用高能量激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有高能量密度、高焊速、小变形、深穿透、高效率、高精度、强适应性等优点，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛应用。

激光焊接在限制热影响区的尺寸、降低焊接表面的粗糙度、消除其机械影响等方面具有重要意义。

固体掺钕激光器，如掺钕钇铝石榴石激光器在工业上的应用已得到证明，这种激光器具有性能可靠、加工安全、控制简单的特点[16]。

       自从20世纪60年代初，CO2、YAG等激光器诞生后，其在焊接领域的应用潜力引起人们的极大关注，因此激光技术很快就在焊接领域得到应用[17]。

焊接中常采用的两种激光器类型如表2所示。

由于锌-铝合金对激光的高反射和自身的高导热性，锌-铝合金激光焊接对激光器的输出功率和光束质量要求很高[18]。

大功率CO2激光器光束质量的改善和短波长YAG激光器输出功率的提高将大大改善铝合金的激光焊接性[19]。

锌-铝合金激光焊接技术在20世纪中后期才逐步应用于工业。

与钢等黑色金属相比，锌-铝合金激光焊接时的光束反射和等离子体屏蔽效应极为强烈，工件对光束能量的吸收很困难，同时易产生裂纹、气孔、接头软化等缺陷，焊接的工艺难度非常大，只有采用大功率激光器和采取特殊工艺措施才能对锌-铝合金进行有效焊接[20]。

3.2   锌-铝合金激光焊接的主要问题

3.2.1   激光焊接气孔缺陷及防止

       在激光加热时，锌-铝合金表面的结晶水和化合水分解出的水分，和空气及保护气中的水分在激光作用的高温区直接分解产生氢。

由于激光焊接熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出，若气泡不能浮逸出来,便形成焊接气孔。

气孔的存在，会导致焊缝的力学性能和气密性下降。

选择合适的表面处理措施，加强保护和采用高功率、高速度、大离焦量（负值）焊接时可以使气孔的产生降低到最少[15]。

       根据气孔产生的原因和机理，应从两个途径防止和减少焊缝气孔[15]。

（1）减少氢的来源。

彻底清除接头端面的油污和氧化膜并加强对熔池的保护，采用干燥的氩气加强对激光熔池的保护，并控制好氩气的流量。

（2）减少熔池的存在时间。

熔池的存在时间主要由焊接工艺参数来决定，包括扫描速度、激光功率等。

其中，扫描速度是影响熔池存在时间的主要参数。

3.2.2   激光焊接裂纹缺陷及防止

use       高速焊接时，虽然焊缝组织得到细化，但快速冷却也有利于柱状晶的快速生长，从而得到方向性极强的细小的柱状晶组织。

在柱状晶之间的界面上形成了有利于裂纹产生的条件，也容易导致裂纹倾向增加。

降低扫描速度对防止焊接热裂纹的产生是有利的，但当速度降低时，也会带来其他问题：

首先是热影响区增加，焊接结构的应力变形增大，激光快速焊接的优势发挥不出来；其次是扫描速度降低时，增加了吸氢时间，焊缝气孔率增加，而气孔又加剧了裂纹的产生[15]。

       综合气孔和裂纹产生的原因和机理，锌-铝合金激光焊接最好采用大功率和高速焊接。

4   结束语

       采用激光焊技术对新型锌-铝合金进行焊接，具有显著的经济效益，日益展示出良好的发展前景[21]。

锌-铝合金激光焊由于激光功率密度大、能量集中、加热速度快，故其焊缝加热及凝固速度快、热影响区窄、焊接变形较TIG和MIG焊小。

近年来，人们对锌铝合金焊接接头组织也给予了极大的关注。

焊接过程中元素Zn、Al虽有烧损，但只要严格按工艺执行，元素化学成分变化不大。

因此随着锌-铝合金的广泛应用，研究锌-铝合金的激光焊接方法以及加快其在现代各个行业中的应用有着重要的意义[22]。

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