AZ31B鎂合金縫焊焊縫微觀組織分析*

馬天鳳，吳金杰

（河南機電高等專科學校材料工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

鎂合金與其他金屬相比，具有比剛度和比強度高，密度小等特點。由于以上特點，鎂合金在航空航天、汽車工業(yè)等許多行業(yè)和領域獲得了廣泛的應用。而鎂合金焊接技術和工藝是鎂合金材料進一步推廣應用必須解決的關鍵問題之一。本文以AZ31B為試驗材料，研究鎂合金縫焊焊接接頭的微觀組織及斷口形貌。

1 規(guī)范焊接參數下接頭的顯微組織

圖1為焊接電流為26.6kA，焊接電極壓力為5.6kN，焊接脈沖比 Ton/Toff=3:2，焊接速度為 0.9m/min時AZ31B板材縫焊焊接接頭橫截面微觀組織圖。從圖中可以看出，母材、焊縫及熱影響區(qū)三個區(qū)域界限較為明顯，焊縫區(qū)組織為細小的等軸晶，屬鑄造急冷組織［1］，其晶粒比母材和熱影響區(qū)的晶粒細小，晶界上均勻分布著顆粒狀的析出相。

圖1 規(guī)范焊接參數下焊縫區(qū)組織

AZ31B鎂合金縫焊焊接得到的焊縫組織為細小的等軸晶，出現以上組織特征主要與焊接熱循環(huán)過程和鎂合金的物理特性有關。分析其原因在于，一方面，由于熔池中不同部位溫度梯度和結晶速度不同，造成成分過冷后的分布不同，因此，焊縫各部位會出現不同的結晶形態(tài)。在焊縫邊界，即焊接熔池開始結晶處，由于熔合線上的溫度梯度大，結晶速度小，很難形成成分過冷。隨著晶粒逐漸遠離邊界向焊縫中心生長，溫度梯度逐漸變小，結晶速度逐漸加快，熔質的質量分數逐漸增高，成分過冷區(qū)也逐漸增大。晶體生長到焊縫中心時，溫度梯度最小，結晶速度最大、溶質的質量分數最高，成分過冷區(qū)大，最終生成等軸晶。鎂合金的導熱系數大，散熱快，采用大功率高速焊，因此促進了焊縫區(qū)金屬的快速凝固，使晶粒得到細化;另一方面，在高速焊接條件下，從理論上講，在熱源運動方向已無溫度梯度存在，只在焊縫軸線的垂直方向上有溫度梯度存在。當液相中溫度梯度很小時，在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)。這時不僅在結晶前沿形成等軸晶，同時也能在液相的內部生核，產生新的晶粒，晶粒的四周不受阻礙同時長大，形成等軸晶。

2 焊縫區(qū)物相分析

采用D－MAYIIA日本理學X射線衍射儀對焊縫區(qū)進行X射線衍射分析。首先使用鋼鋸在試樣上切割出待測區(qū)域的測試樣品，樣品尺寸大小為7mm×5mm，然后利用水砂紙將樣品表面磨平，在X射線衍射儀上分析試樣得出結果如圖2所示。由圖2中看出，焊縫區(qū)存在Mg和Mg17Al12兩種衍射峰，其中Mg17Al12的衍射峰較弱，主要是由于AZ31B合金中Al元素含量較少，相應生成的Mg17Al12化合物相對基體而言也較少所致。

圖2 焊縫區(qū)X射線衍射分析圖

由圖3的Mg－Al二元相圖可知，當合金慢速冷卻時，即平衡狀態(tài)下，合金首先發(fā)生勻晶反應:L→α，當合金冷卻至固相線時，勻晶反應結束，伴隨著緩慢冷卻過程，Al原子通過擴散使α－Mg固溶體的合金成分不斷趨于均勻化［2］。當溫度到達固溶度曲線以下時，Mg－Al化合物β－Mg17Al12開始從固溶體中沉淀析出，一直持續(xù)到室溫，鎂合金平衡結晶的室溫組織應為α－Mg固溶體與β－Mg17Al12沉淀相的混合物，無共晶組織。而在縫焊過程中，由于冷卻速度非?？?，結晶過程為非平衡過程，最終得到的是遠離平衡態(tài)的組織。在冷卻過程中，合金以較大的速度結晶，呈現非平衡凝固，固相線向左偏移，在L→α的轉變過程中，由液相生成的α－Mg中的Al來不及擴散均勻化，致使Al在尚未凝固的液相中富集，并超過溶解度極限，使凝固組織中產生共晶組織。當溫度繼續(xù)下降到固溶線以下時，過飽和的固溶體會析出β相，由于Mg17Al12熔點較低，在冷卻過程中以顆粒狀的形式偏析于晶界，見圖4b。而在熱影響區(qū)近縫區(qū)中的β相則是由于該處晶界在快速加熱過程中發(fā)生了部分熔化所致。圖4b中大塊的晶粒是先共晶的α－Mg固溶體，在晶界處為非平衡凝固產生的β－Mg17Al12離異共晶體，即共晶組織中的α－Mg依附在原有的先共晶α－Mg相上，β－Mg17Al12相則以不規(guī)則的形狀分布在晶界上。由于凝固過程中存在溶質再分配，且結晶有先后，使得晶界上晶格原子排列雜亂，并可能有原子空位、間隙原子等缺陷，合金成分、雜質含量都較高，成為化學成分、晶格構造上的薄弱環(huán)節(jié)。由于呈顆粒狀的β相具有硬脆性特性，分布在鎂基體可以起到沉淀強化的作用，而分布在晶界時具有釘扎作用，可以阻礙晶界滑移，因此β相呈顆粒狀分布時對合金強度是有利的。

用JEM－2000EX型透射電子顯微鏡來觀測AZ31B鎂合金縫焊接頭組織的微觀結構，得到焊縫區(qū)透射掃描照片如圖4所示。圖4b為分布于晶界處的第二相組織形貌相，Mg17Al12呈顆粒狀彌散分布于晶界處。圖4a是熔核區(qū)放大5萬倍時的透射電鏡形貌，由圖中清晰可見三叉晶界各成120°分布，該物質是α－Mg固溶體，屬密排六方結構。由透射照片和X射線衍射分析得知，焊縫區(qū)的微觀組織是由α－Mg相和夾雜在α－Mg晶界處的β－Mg17Al12顆粒相組成。

3 斷口分析

截取鎂合金交流縫焊拉伸試樣斷口，在JSM－5500LV型掃描電鏡上觀察斷口形貌(I=26.6kA，P=5.6kN，Ton/Toff=3:2，V=0.9m/min)如圖 5b 所示，斷裂出現在焊件的熔合區(qū)，母材的斷口如圖5a所示。由圖5觀察可知，鎂合金縫焊熔合區(qū)的斷裂為脆性解理斷裂，熔合區(qū)的脆斷傾向比母材大，在局部的撕裂棱上有少量韌窩出現。

由圖5分析可知，鎂合金焊接件熔合區(qū)斷口屬于解理斷裂，鎂合金AZ31B屬于密排六方結構，滑移面和滑移系較少，塑性變形困難，它的解理面為{0001}晶面［3］，受到拉剪力后，位錯沿滑移面運動，在解理面上形成初裂紋，由于各個晶粒的取向不同，當初裂紋通過晶界過渡到相互平行晶面的相鄰晶粒中的解理面上時，能量發(fā)生改變，在局部的撕裂棱上產生韌窩。順此趨向一直擴展，直到造成試件斷裂，形成具有解理臺階的河流花樣。

4 結論

1)觀察焊接接頭組織發(fā)現，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的分界很明顯，焊縫區(qū)組織為細小的等軸晶;

2)對規(guī)范參數下得到的接頭進行物相分析得出，焊縫區(qū)的相組成為α－Mg和β－Mg17Al12，在先共晶α－Mg相上析出β－Mg17Al12離異共晶體，β－Mg17Al12以顆粒狀在晶界彌散析出。

3)焊接接頭斷裂出現在熔合區(qū)，為脆性斷裂;熔合區(qū)的斷裂傾向大于母材，在局部的撕裂棱上有少量韌窩。

［1］Munitz A，Cotler C，Stern A，et al.Mechanical properties and microstructure of gas tungsten arc welded magnesium AZ91D plates［J］.Material Science Engineering A，2001，302(1):68 －73.

［2］A.I.Nussbaum.52nd Annual I.M.A World Magnesium Conference［J］.Light Metal Age.1995，53(7 －8):58 －63..

［3］第一機械工業(yè)部哈爾濱焊接研究所著.焊接裂縫金相分析圖譜［M］.哈爾濱:黑龍江科學技術出版社，1981.