鎂合金氦氬磁震電弧熔釬焊連接成形技術(shù)

陳永　郭潔瓊　叢康麗　劉勝新

【摘 要】采用電弧熔釬焊的方法，可使鎂合金接頭上部離電弧較近受熱熔化呈熔焊，接頭下部離電弧較遠(yuǎn)呈釬焊。外加交流磁場(chǎng)后，電弧對(duì)熔池的攪拌作用可促進(jìn)釬料的流動(dòng)，增強(qiáng)其潤(rùn)濕性，從而使釬料填滿板材縫隙。當(dāng)勵(lì)磁電壓為30V，氦氣與氬氣體積比為1∶1，焊接電流90A，焊接速度120mm/min時(shí)，可得到釬縫成形美觀、抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材35%的釬焊接頭，拉伸斷口為韌-脆混合斷裂。

【關(guān)鍵詞】鎂合金；氦氬；磁震；熔釬焊

鎂合金資源豐富、鑄造性能好、密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽性強(qiáng)、具有良好的切削加工性和減震性，并且可回收再利用，是二十一世紀(jì)的綠色工程材料。但其熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱率高、與氧或氮的親和力強(qiáng)，焊接過(guò)程中易產(chǎn)生夾渣和脆性相，現(xiàn)階段主要用激光焊、等離子焊、摩擦焊等方法，其設(shè)備昂貴、焊接條件苛刻且生產(chǎn)成本高。焊接技術(shù)是形成結(jié)構(gòu)件所采用的最重要方法，在實(shí)際生產(chǎn)中的比例占其他連接技術(shù)的85%以上，焊接技術(shù)已成為制約鎂合金結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用的主要障礙。研究表明：TIG焊存在著焊后殘余應(yīng)力高、熱影響區(qū)寬、焊縫金屬冶金組織變化大等問(wèn)題，而電弧釬焊技術(shù)得到的接頭強(qiáng)度又比較低[1-4]。本文所研究的電弧熔釬焊技術(shù)，一方面可以避免TIG焊所存在的問(wèn)題，另一方面可以有效提高釬焊接頭的強(qiáng)度，對(duì)實(shí)現(xiàn)鎂合金產(chǎn)業(yè)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1、實(shí)驗(yàn)方法

母材采用AZ31鎂合金，其化學(xué)成分如表1所示。釬料的化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Mg69.5%，Zn29.5%，Sn1%，其顯微組織如圖1所示。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊后試樣未經(jīng)任何熱處理，采用WSM-100KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)根據(jù)GB/T 228.1-2010進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度1.0mm/min。使用JSM7500F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察接頭顯微組織并進(jìn)行能譜分析。

2、結(jié)果與討論

所謂熔釬焊，包括兩種情況：一是異種材料連接時(shí)，一種母材熔化而另一種母材不熔化；二是同種母材連接時(shí)，部分母材熔化，另外一部分母材不熔化。本實(shí)驗(yàn)研究的是第二種情況，在鎂合金板上半部分，母材離電弧較近受熱熔化而呈熔焊狀態(tài)。然而，在板的下半部分，母材離電弧比較遠(yuǎn)，溫度較低并沒(méi)有熔化，而呈釬焊狀態(tài)。圖2是鎂合金電弧熔釬焊接頭熔合區(qū)組織，圖2中上半部分為焊縫，從圖中可以看出，采用氦-氬混合氣體作為保護(hù)氣體，電弧熔釬焊的熔合區(qū)比較小，僅為12～18μm。當(dāng)氦氣體積為50%時(shí)，可獲得外形美觀、無(wú)焊接缺陷、熔深足夠的鎂合金熔釬焊接頭，這是因?yàn)樘砑雍夂螅娀∈湛s能量集中，弧柱細(xì)且溫度梯度增加，明顯提高了電弧的穩(wěn)定性。外加交流磁場(chǎng)后，電弧對(duì)熔池的攪拌作用可促進(jìn)釬料的流動(dòng)，使其潤(rùn)濕性增強(qiáng)，從而有效的使釬料填滿鎂合金板材縫隙，焊縫成形美觀。圖3是線掃描分析，圖4是顯微硬度測(cè)試結(jié)果，圖5是鎂合金電弧熔釬焊接頭斷口形貌。

從圖4中可以看出，AZ31鎂合金板電弧熔釬焊接頭焊縫區(qū)的顯微硬度稍低于母材區(qū)，這是因?yàn)楹缚p組織由α-Mg與鎂鋅共晶體組成，相對(duì)于釬料自身，焊縫中的α-Mg含量相對(duì)減少并得到細(xì)化，而外加交流磁場(chǎng)后α-Mg與鎂鋅共晶體有所增加并得到細(xì)化。拉伸測(cè)試結(jié)果表明：鎂合金板電弧熔釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度比母材的低，為母材的25%左右。加入氦-氬混合氣體作保護(hù)氣體減少了接頭的缺欠，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的30%左右，外加交流磁場(chǎng)后，增多并細(xì)化了共晶組織，進(jìn)一步提高接頭的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到母材的35%。從圖5中可以看出：接頭的斷口是解理和韌窩組成的混合斷口，為韌-脆混合斷3、結(jié)論

（1）采用電弧熔釬焊的方法，可使鎂合金板上半部分離電弧較近受熱熔化呈熔焊狀態(tài)，板的下半部分離電弧較遠(yuǎn)呈釬焊狀態(tài)。

（2）加交流磁場(chǎng)后，電弧對(duì)熔池的攪拌作用可促進(jìn)釬料的流動(dòng)，增強(qiáng)了潤(rùn)濕性，從而使釬料填滿板材縫隙，釬縫成形美觀。

（3）優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：勵(lì)磁電壓30V，氦氣∶氬氣=1∶1（體積比），焊接電流90A，焊接速度120mm/min。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪喜和，劉勝新，陳永等.氦氣-氬氣混合比對(duì)鎂合金TIG焊焊接性的影響[J]，輕合金加工技術(shù)，2006，34（12）：：43-45.

[2]劉勝新，陳永，汪喜和.AZ31鎂合金氦-氬混合氣體TIG焊接接頭組織和力學(xué)性能的研究[J]，熱加工工藝，2007，36（7）：12-14.

[3]劉勝新，汪喜和，陳永等.AZ31鎂合金板鎢極氦-氬保護(hù)焊焊接工藝研究[J]，輕合金加工技術(shù)，2007，35（8）：45-47.

[4]張冠宇，隋方飛，苗晉琦等.外加磁場(chǎng)對(duì)鎂合金TIG焊電弧形態(tài)及焊縫質(zhì)量的影響[J]，熱加工工藝，2009，38（11）：13-115.

基金項(xiàng)目：

鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目：121PPTGG360-1、鄭州大學(xué)2012年度大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“氫核熱聚變冷卻裝置電弧熔釬焊新技術(shù)”