熱碾壓對(duì)AZ31鎂合金焊接接頭組織和性能影響

初雅杰, 李曉泉, 吳申慶

(1. 東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)金屬材料高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189；2. 南京工程學(xué)院 材料工程學(xué)院，南京 211167)

熱碾壓對(duì)AZ31鎂合金焊接接頭組織和性能影響

初雅杰1,2, 李曉泉2, 吳申慶1

(1. 東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)金屬材料高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189；2. 南京工程學(xué)院 材料工程學(xué)院，南京 211167)

采用交流鎢極氬弧焊和熱碾壓裝置對(duì)AZ31變形鎂合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)和熱碾壓試驗(yàn)；利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、顯微硬度計(jì)、電子拉伸試驗(yàn)等手段對(duì)焊接接頭的顯微組織、元素分布、斷口形貌、接頭硬度和強(qiáng)度等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：熱碾壓熔焊接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)225 MPa，為母材金屬的90%以上，而焊態(tài)下熔焊接頭的抗拉強(qiáng)度僅為母材金屬的60%左右；熱碾壓焊接試樣的伸長(zhǎng)率(9%~11%)均高于焊態(tài)試樣的(6%~8%)；熱碾壓接頭斷口呈現(xiàn)一定的準(zhǔn)解理斷裂特征，且可以觀察到熱碾壓塑性變形流變線，而焊態(tài)斷口呈現(xiàn)以解理斷裂為主的斷裂機(jī)制，同時(shí)伴隨有極少量的韌窩斷裂特征。

AZ31鎂合金；熱碾壓；變形；力學(xué)性能

鎂合金被認(rèn)為是汽車(chē)及軌道交通制造中最具應(yīng)用前景的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，但鎂合金結(jié)構(gòu)的焊接加工目前還存在較大的難度。由于金屬鎂本質(zhì)上具有滑移系相對(duì)較少的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，且熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)大，因而熔焊形成的鑄態(tài)焊縫組織粗大，加之焊縫組織中強(qiáng)化相析出在遠(yuǎn)離非平衡條件下很難有充足的動(dòng)力學(xué)保證，這使得熔焊接頭的強(qiáng)度及塑性均比母材金屬的低[1-5]。特別是對(duì)于變形鎂合金，熔焊接頭與母材力學(xué)性能匹配問(wèn)題尤顯突出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者通過(guò)攪拌摩擦焊、等離子弧焊以及真空電子束焊等方法進(jìn)行研究[6-13]，這些方法受焊縫凝固時(shí)間短、過(guò)程遠(yuǎn)離平衡等影響，很難使焊縫組織細(xì)化。已有研究表明[14-16]，對(duì)密排六方結(jié)構(gòu)的金屬鎂在高溫條件下施加一定的塑性變形，使其發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，在細(xì)化晶粒的同時(shí)還可開(kāi)通新的滑移系，甚至誘發(fā)超塑性機(jī)制。同時(shí)，研究還表明，鑄態(tài)鎂合金組織遵循 Hall-Petch公式 σs=σ0+Kd-1/2，而 K值的大小取決于滑移系的多少。這說(shuō)明鎂合金的屈服強(qiáng)度對(duì)其晶粒度具有很強(qiáng)的依賴(lài)性，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所產(chǎn)生的晶粒細(xì)化有利于鎂合金熔焊接頭室溫強(qiáng)度的提高，進(jìn)而達(dá)到顯著提高強(qiáng)度及塑性的力學(xué)改性效果。據(jù)此，本文作者針對(duì)Mg-Al-Zn系的AZ31變形鎂合金，用鎢極氬弧焊獲得熔焊接頭，然后對(duì)熔焊接頭區(qū)域進(jìn)行局部熱碾壓力學(xué)改性試驗(yàn)，以期探索實(shí)現(xiàn)鎂合金熔焊接頭強(qiáng)度及塑性可控化的有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用AZ31鎂合金材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用化學(xué)成分完全相同的AZ31鎂合金經(jīng)軋制、拉拔成d3 mm絲材作為焊接時(shí)的填充材料。用尺寸為 200 mm×60 mm×4.6 mm的2塊板材組成1副對(duì)接焊試板。焊接試板開(kāi)60°的V型坡口，根部間隙控制在3~4 mm。將焊接區(qū)域用砂紙打磨，坡口面經(jīng)刮削清除氧化膜。用交流鎢極氬弧焊進(jìn)行手工焊接，正面施焊 2層，背面施焊1層，形成具有一定余高的雙面焊縫，共施焊10副相同試板。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of AZ31 magnesium alloy(mass fraction, %)

焊態(tài)試板經(jīng)X射線探傷合格后按圖1所示用線切割方法截取拉伸試樣。截取出的試樣一部分將焊縫打磨平整后直接在CMT-5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試熔焊接頭焊態(tài)下的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率；另一部分試樣用作熱壓試驗(yàn)，采用專(zhuān)門(mén)制作的陶瓷電加熱裝置，將試樣兩端插入加熱箱中，中間露出焊縫區(qū)域待熱壓變形。試驗(yàn)時(shí)，通電加熱至350 ℃并保溫10 min，然后在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上以0.5 mm/min

的加載速度反復(fù)壓制焊縫表面，直至焊縫表面與母材表面平行。取出碾壓試樣且冷卻至常溫，在CMT-5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫拉伸，拉伸速度為1 mm/min，以測(cè)試經(jīng)碾壓后熔焊接頭的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。用HXD-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量硬度，自焊縫中心向母材方向分別測(cè)量焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的顯微硬度值，相同深度測(cè)試3個(gè)點(diǎn)取平均值，測(cè)量間距為0.5 mm，加載載荷為100 g，保持載荷時(shí)間為15 s。用JSM-6360LV掃描電鏡觀察焊態(tài)和碾壓態(tài)拉伸試樣的斷口形貌，配合能譜分析斷口微區(qū)成分。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen (mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的形貌

圖2所示為焊態(tài)試樣和熱碾壓試樣形貌的對(duì)比。由圖2可以看出，常規(guī)TIG焊焊接接頭的表面比較粗糙，高低不平，且表面有氣孔等焊接缺陷；而熱碾壓焊接接頭表面光滑平整，無(wú)明顯焊接缺陷。主要是因?yàn)殒V合金焊接接頭在350 ℃下進(jìn)行熱碾壓，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。焊接接頭發(fā)生了部分塑性變形，對(duì)氣孔、裂紋和咬邊等焊接缺陷有一定的消除作用。

圖2 焊態(tài)和熱碾壓試樣的形貌Fig.2 Morphologies of welded (a) and hot rolled (b) joints

2.2 顯微組織

圖 3(a)、(b)和(c)分別是母材、焊態(tài)試樣焊縫和熱碾壓焊縫的金相組織?？梢钥闯?，母材晶粒大小不一，基體組織為 α-Mg固溶體和 β-Mg17Al12金屬間化合物；焊縫區(qū)為母材和焊絲熔化后形成的鑄造重結(jié)晶組織，由于Al含量較高，有較多的共晶體出現(xiàn)，基體組織為α-Mg固溶體, 晶界為α-Mg+β-Mg17Al12不連續(xù)共晶體，因鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大，冷卻速度快，焊縫區(qū)金屬的快速凝固使其晶粒細(xì)化，焊接過(guò)程中熔池的不斷攪拌作用，也促進(jìn)了焊縫區(qū)細(xì)小晶粒的形成。

圖3 母材、焊態(tài)試樣及熱碾壓焊縫的顯微組織Fig.3 Microstructures of base metal (a) and conventional joint (b) and hot rolled joint (c)

由圖3(b)可以看出，焊態(tài)試樣焊縫區(qū)的晶粒尺寸比母材的小，在晶界處析出很多片層狀和顆粒狀共晶物，還有Zn、Mg和Al之間形成的金屬間化合物，削弱了晶界的強(qiáng)度，在高溫時(shí)容易使焊接接頭形成焊接缺陷。另一方面，由于焊縫區(qū)Al元素的含量較高，形成中間相的數(shù)量較多，且TIG焊的焊接速度和冷卻速度快，致使析出相呈彌散質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布，有助于焊縫性能的提高。圖 3(c)所示為熱碾壓焊縫區(qū)晶粒的顯微組織?？梢钥闯?，焊縫經(jīng)熱碾壓后，晶粒明顯得到細(xì)化，焊縫在熱碾壓的作用下片層狀共晶物得到一定的破碎，焊縫區(qū)組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且晶粒之間發(fā)生相互碰撞和擠壓，晶粒不斷碎化，生成尺寸細(xì)小的等軸晶粒。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

AZ31鎂合金TIG熔焊接頭的拉伸試驗(yàn)表明，無(wú)論是焊態(tài)試樣還是熱碾壓試樣，拉伸試樣均斷裂于焊縫邊緣熔合區(qū)附近，說(shuō)明熔焊接頭是拉伸試驗(yàn)的薄弱環(huán)節(jié)。

表2所列為母材、焊態(tài)試樣與熱碾壓試樣的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)熱碾壓后，熔焊接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)225 MPa，AZ31鎂合金母材(無(wú)焊縫)的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果為240 MPa，說(shuō)明經(jīng)熱碾壓后，熔焊接頭的抗拉強(qiáng)度已達(dá)到母材金屬的90%以上。而焊態(tài)熔焊接頭的抗拉強(qiáng)度通常為150~200 MPa，僅為母材金屬抗拉強(qiáng)度的60%~75%。因此，可以認(rèn)為，經(jīng)焊接和熱碾壓后，熔焊接頭的強(qiáng)度已接近于母材金屬的強(qiáng)度，熱碾壓對(duì)熔焊接頭強(qiáng)度具有明顯的改善作用。

表2 母材、焊態(tài)和熱碾壓試樣的抗拉強(qiáng)度Table2 Tension strengths of base metal, conventional joint and hot rolled joint

從拉伸試驗(yàn)的伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)來(lái)看，焊態(tài)拉伸試樣的伸長(zhǎng)率為6%~8%，而經(jīng)熱碾壓后拉伸試樣的伸長(zhǎng)率通常為9%~11%，與母材金屬的18%~22%相比盡管還有一些差距，但熱碾壓對(duì)熔焊接頭塑性的改善作用是存在的?？紤]到試驗(yàn)過(guò)程中焊縫余高控制得較低，因而熔焊接頭動(dòng)態(tài)壓縮塑性變形量也相應(yīng)較小，塑性改性效果還未充分表現(xiàn)出來(lái)。而可通過(guò)施焊時(shí)增加正、反兩面的焊縫余高來(lái)增大壓縮塑性變形量。

表3 母材、焊態(tài)和熱碾壓試樣的伸長(zhǎng)率Table3 Elongations of base metal, conventional joint and hot rolled joint

通過(guò)以上分析可知，熱碾壓鎂合金焊接試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)焊態(tài)試樣的。熱碾壓的高溫動(dòng)態(tài)塑性變形能促進(jìn)非平衡凝固焊接接頭組織內(nèi)部強(qiáng)化相的彌散析出及焊接接頭過(guò)飽和合金元素均勻化擴(kuò)散，使鎂合金熔焊接頭的強(qiáng)度和塑性?xún)?yōu)于常規(guī)焊接接頭的，接近母材的性能。

圖4所示為AZ31鎂合金焊態(tài)和熱碾壓試樣的顯微硬度分布?？梢钥闯觯m然采用與母材同質(zhì)的焊接材料，但是接頭硬度分布仍不一致。焊縫區(qū)(WZ)的硬度最高，已超過(guò)母材硬度；熱影響區(qū)(HAZ)的硬度最低，熱碾壓焊接接頭的硬度均高于常規(guī)焊接接頭的硬度，這是由于鎂合金焊接接頭經(jīng)過(guò)熱碾壓塑變以后，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化。

圖4 AZ31鎂合金焊態(tài)和熱碾壓試樣的硬度分布曲線Fig.4 Microhardness distribution curves of conventional joint and hot rolled joint of AZ31 magnesium alloy

2.4 斷口形貌

圖5(a)、(b)和(c)分別是母材、焊態(tài)和熱碾壓試樣拉伸斷口在掃描電鏡下的典型形貌。斷口形貌分析顯示，母材斷口(見(jiàn)圖5(a))具有一定的塑性變形和韌窩特征。由焊態(tài)斷口(見(jiàn)圖 5(b))可以看出，裂紋擴(kuò)展無(wú)塑性變形，具有典型的沿晶開(kāi)裂特征，裂紋沿晶界脆性相β-Mg17Al12擴(kuò)展；同時(shí)，Al的存在增加了焊接熔池凝固過(guò)程中晶界處析出相的偏聚，即增加了β-Mg17Al12的體積分?jǐn)?shù)，且脆性相在晶界趨于網(wǎng)狀連續(xù)分布，導(dǎo)致焊態(tài)接頭力學(xué)性能惡化。熱碾壓斷口(見(jiàn)圖5(c))的解理臺(tái)階明顯減少，同時(shí)可以觀察到具有明顯方向性的熱碾壓塑性變形流變線，表現(xiàn)出一定的準(zhǔn)解理斷裂特征。熱碾壓后晶粒在平行于流變線方向被顯著拉長(zhǎng)，并出現(xiàn)晶粒破碎現(xiàn)象。與焊態(tài)拉伸斷口相比，鑄態(tài)焊縫的柱狀晶在一定程度上得以打破。

圖5 母材、焊態(tài)和熱碾壓試樣的拉伸斷口形貌Fig.5 Morphologies of tensile fracture surface of base metal(a), conventional joint (b) and hot rolled joint (c)

3 結(jié)論

1) 焊態(tài)試樣焊縫區(qū)晶粒在晶界處析出很多片層狀和顆粒狀的共晶體，削弱了晶界的強(qiáng)度；熱碾壓焊縫區(qū)晶粒得到明顯細(xì)化，片層狀共晶體在熱碾壓作用下得到一定的破碎，焊縫區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，生成細(xì)小的等軸晶粒。

2) 熱碾壓焊接試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別可達(dá)225 MPa和9%~11%，比常規(guī)焊接接頭的分別提高了15%和35%。

3) 焊態(tài)試樣斷口具有典型的沿晶開(kāi)裂特征，呈現(xiàn)以解理斷裂為主的斷裂，但解理臺(tái)階較小，并產(chǎn)生少量韌窩；而熱碾壓的斷口解理臺(tái)階明顯減少，可以觀察到具有明顯方向性的熱碾壓塑性變形流變線，呈現(xiàn)一定的準(zhǔn)解理斷裂特征。

REFERENCES

[1] 余 琨, 黎文獻(xiàn), 王日初, 馬正青. 變形鎂合金的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2003, 13(2): 277-288.YU Kun, LI Wen-xian, WANG Ri-chu, MA Zheng-qi. Research development and application of wrought magnesium alloys[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003, 13(2):277-288.

[2] MORDIKE B L, EBERT T. Magnesium properties applications potential[J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 302:37-45.

[3] 馮吉才, 王亞榮, 張忠典. 鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(2): 165-178.FENG Ji-cai, WANG Ya-rong, ZHANG Zhong-dian. Status and expectation of research on welding of magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(2): 165-178.

[4] 孫德新, 孫大千, 李金寶, 李明高, 殷世強(qiáng). 鎂合金焊接技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2006, 20(8): 122-127.SUN De-xin, SUN Da-qian, LI Jin-bao, LI Ming-gao, YIN Shi-qiang. Research progress and application of welding technology of magnesium alloys[J]. Materials Review, 2006,20(8): 122-127.

[5] 于建民, 張治民, 張寶紅. 塑性變形對(duì)AZ31鎂合金晶粒細(xì)化的影響[J]. 熱加工工藝, 2009, 38(15): 11-14.YU Jian-min, ZHANG Zhi-min, ZHANG Bao-hong. Effects of plastic deformation on AZ31 magnesium alloy grain refinement[J]. Hot Working Technology, 2009, 38(15): 11-14.

[6] 譚 兵, 陳東高, 高 明, 馮杰材, 王有祁. AZ31B變形鎂合金激光-MIG復(fù)合焊焊接組織和性能分析[J]. 航空材料學(xué)報(bào),2008, 28(6): 36-41.TAN Bing, CHEN Dong-gao, GAO Ming, FENG Jie-cai,WANG You-qi. Microstructure and properties of welding joints for lase-MIG welding of AZ31B transformative magnesium[J].Journal of Aeronautical Materials, 2008, 28(6): 36-41.

[7] 羅 君, 劉政軍, 蘇允海, 田 雨. 縱向直流磁場(chǎng)對(duì) AZ31鎂合金 TIG焊焊接接頭組織及性能的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2007,28(7): 53-59.LUO Jun, LIU Zheng-jun, SU Yun-hai, TIAN Yu. Influence of longitudinal direct current magnetic field on microstructure and property of AZ31 magnesium alloy TIG welded joint[J].Transactions of the China Welding Institution, 2007, 28(7):53-59.

[8] MUNITZ A, COTLER C. Mechanical properties and microstructure of gas tungsten arc welded magnesium AZ91D plates [J]. Material Science and Engineering A, 2001, 302:68-73.

[9] MUNITZ A, COTLER C. Electron beam welding of magnesium AZ91D plates [J]. Welding Journal, 2000, 79(7): 202-208.

[10] GUENTHER S, ARMANDO J. Electron beam process delivers consistent welds [J]. Welding Journal, 2001, 80(6): 53-57.

[11] WEISHEIT A, GALUN R. Laser welding of various magnesium alloys[J]. Magnesium Alloy and their Applications, 1998(4):28-30.

[12] HONGYING W, ZHIJUN L. Effect of filler wire on the joint properties of AZ31 magnesium alloys using CO2laser welding[J].China Welding, 2007, 16(2): 16-21.

[13] LEE W B, YEON Y M, JUNG S B. Joint properties of friction stir welded AZ31B-H24 magnesium alloy[J]. Materials Science and Technology, 2003, 19(6): 785-790.

[14] 劉楚明, 劉子娟, 朱秀榮, 周海濤. 鎂及鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2006, 16(1): 1-12.LIU Chu-ming, LIU Zi-juan, ZHU Xiu-rong, ZHOU Hai-tao.Research and development progress of dynamic recrystallization in pure magnesium and its alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(1): 1-12.

[15] 余 琨, 黎文獻(xiàn), 王日初. 鎂合金塑性變形機(jī)制[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(7): 1081-1086.YU Kun, LI Wen-xian, WANG Ri-chu. Plastic deformation mechanism of magnesium alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(7): 1081-1086.

[16] LI Shu-bo, WANG Yan-qiu, ZHENG Ming-yi, WU Kun.Dynamic recrystallization of AZ91 magnesium alloy during compression deformation at elevated temperature[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2004, 14(2):306-310.

Effect of hot rolling on microstructure and mechanical properties of welded joints of AZ31 magnesium alloy

CHU Ya-jie1,2, LI Xiao-quan2, WU Shen-qing1
(1. School of Material Science and Engineering, Jiangsu Key Laboratory for Advanced Metallic Materials,South East University, Nanjing 211189, China;2. School of Material Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

The conventional welded joint and hot rolled tests were carried out for AZ31 magnesium alloy on TIG welding and hot rolling equipment, and the microstructure, the element distribution, the appearance of fracture, hardness and strength of the welded joint were studied by OM, SEM, micro-hardness tester, tensile testing machine. The results show that the tensile strength of the hot rolled welded joint is 225 MPa, which is over 90% of that of the base metal, and the tensile strength of the conventional welded joint is just about 60% of that of the base metal. The elongation of the hot rolled welded specimen (9%-11%) is higher than that of the conventional welded specimen (6%-8%). The hot rolled joint fracture shows some characteristics of the quasi-cleavage fracture, and the plastic deformation flow lines can be observed. The conventional welded joint shows the cleavage fracture mechanism, accompanied by a very small amount of dimple fracture.

AZ31 magnesium alloy; hot rolled; deformation; mechanical properties

TG 146.2

A

1004-0609(2011)11-2739-05

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2009354)；南京工程學(xué)院校級(jí)科研基金資助項(xiàng)目(QKJA2010002)

2010-08-16；

2011-02-11

李曉泉，教授，博士；電話： 025-86118278；E-mail: lixiaoquan@njit.edu.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)