脉冲激光螺旋焊接参数对AZ31B镁合金微观结构与力学性能的优化机制研究

本研究针对单点激光焊接力学性能局限性问题，采用阿基米德螺旋轨迹扩大熔池面积，系统探究脉冲重叠率、预热温度及焊接方向对AZ31B镁合金脉冲激光螺旋焊接的影响。结果表明预热促进晶粒细化，S-E焊接方向与90%重叠率组合下形成细等轴晶带，最高剪切力达1.217 kN，较其他参数提升12.2%-64.8%，为航空轮毂等轻量化构件制造提供新工艺参考。

　　

镁合金因其高强度、低密度和优异阻尼性能，成为航空航天和医疗领域理想的轻量化材料。其中AZ31B镁合金凭借突出的抗振吸热特性，被广泛应用于飞机轮毂制造。然而传统单点激光焊接存在熔池面积小、应力集中等问题，制约了焊接接头的承载能力。如何通过创新焊接工艺改善镁合金焊接质量，成为当前研究的关键挑战。

吉林省科技发展计划项目支持的研究团队针对这一难题，开创性地采用阿基米德螺旋轨迹进行脉冲激光焊接，通过扩大熔池面积优化应力分布。研究成果发表于《Materials Today Communications》，揭示了焊接参数与微观结构演变的关联规律。

研究主要运用Nd:YAG脉冲激光焊接系统（最大功率10 kW，频率8 Hz），结合定制光学系统实现螺旋路径焊接。通过调控脉冲重叠率（30%-90%）、预热温度（室温至300°C）及焊接方向（中心向外S-E或边缘向中心E-S），系统分析了对0.5 mm厚AZ31B镁合金薄板焊接成形的影响。采用扫描电镜观察断口形貌，结合剪切力测试评估力学性能。

Materials and Welding Equipment
研究选用90 mm×90 mm×0.5 mm的AZ31B轧制镁合金，搭建包含焊接冷却单元、激光控制系统和保护气供给系统的实验平台。特殊设计的聚焦光学系统实现螺旋轨迹精确控制。

Welding Formation Characteristics and Analysis
三维拟合表明，预热温度与重叠率共同影响焊缝宽度。在90%重叠率和S-E方向组合下，熔池上部形成细等轴晶带，其宽度随预热温度升高而扩展。连续焊道平均顶部宽度为1.3734 mm，根部为1.1037 mm，呈现渐进收窄特征。

Conclusion

1. Mg₁₇
   Al₁₂
   颗粒的集中分布促进细等轴晶形成，重熔过程使柱状晶破碎，晶界迁移能力增强；
2. S-E方向焊接产生更均匀的热积累，90%重叠率下获得1.217 kN最大剪切力，较其他参数组合提升12.2%-64.8%；
3. 拉伸断口呈现层状韧脆混合特征，证实螺旋焊接可优化应力分布。

该研究通过创新焊接路径设计，突破传统工艺局限，为镁合金构件在航空领域的可靠应用提供重要技术支撑。预热与螺旋轨迹的协同效应机制，为后续高强轻量化材料连接工艺开发奠定理论基础。Zhang Xiaobing等学者提出的参数优化方案，显著提升焊接接头性能，对推动我国高端装备制造技术进步具有实践指导价值。