鎂合金中空薄壁型材的脈沖MIG焊

李 欣，權(quán)高峰，張英波，呂建剛

（西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備輕量化研究所，四川 成都 610031）

0 前言

鎂合金作為目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料,與鋁合金相比，具有密度小、比強(qiáng)度高、切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、汽車、電子工業(yè)、軌道交通等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，鎂合金塑性較差，擠壓、軋制性能不好，多采用壓鑄方式加工成型。隨著對(duì)鎂合金研究的進(jìn)一步深入和鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展，深入開展鎂合金焊接技術(shù)研究、提高鎂合金的焊接性、獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭顯得尤為重要和迫切[4]。本研究采用交流脈沖MIG焊對(duì)翼厚3.2 mm的AZ31鎂合金中空薄壁型材進(jìn)行焊接，獲得了最佳的焊接參數(shù)和良好的焊接接頭，并且分析了焊接接頭的硬度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

母材為AZ31鎂合金中空薄壁型材，型材尺寸如圖1所示，焊接翼厚度3.2 mm。焊絲采用經(jīng)過工廠拉拔的AZ61鎂合金焊絲，直徑φ1.6 mm，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。焊接電源選用EWM PHOENIX 421 PULS forceArc多功能脈沖逆變焊接電源，MIG焊，采用99.99%氬氣進(jìn)行保護(hù)焊接。

圖1 AZ31中空薄壁型材橫截面

1.1 焊前處理

焊前充分打磨待焊區(qū)（焊接試件距離坡口中心線35 mm以內(nèi)），去除試件表面的油污、水分、氧化膜等，避免焊材表面的氧化膜、水分、油污影響焊接質(zhì)量，然后用丙酮擦拭。

表1 母材和焊絲化學(xué)成分 %

1.2 焊接工藝參數(shù)選擇

焊接熱輸入主要受焊接電流、電壓和焊接速度的影響。如果焊接熱輸入過大，則會(huì)導(dǎo)致焊接接頭過熱、焊塌或熱裂紋，降低接頭沖擊韌性；如果熱輸入過小，則會(huì)有未焊透、焊縫氣孔等現(xiàn)象。焊接鎂合金應(yīng)在滿足焊縫成形、能夠焊透的情況下盡可能采用大的焊接熱輸入。

脈沖MIG焊工藝特點(diǎn)：（1）較寬的焊接參數(shù)調(diào)節(jié)范圍；（2）可精確控制電弧能量；（3）適于焊接薄板和全位置焊[5]。此外，脈沖電弧還具有加強(qiáng)熔池?cái)嚢璧淖饔?，改善熔池冶金性能，有利于消除氣孔?/p>

1.3 微觀組織

選取適當(dāng)?shù)暮附咏宇^部位進(jìn)行金相組織觀察，經(jīng)過砂紙研磨、拋光之后，用2%苦味酸溶液浸蝕，大約1min后用純酒精清洗。在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣的金相組織，拍攝試樣的微觀分區(qū)，獲得試樣各個(gè)分區(qū)的金相組織圖片。

1.4 力學(xué)性能和硬度試驗(yàn)

在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)表面成形良好的焊接接頭及母材（AZ31擠壓型材）進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得到焊接接頭及母材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。用HV-10B維氏硬度計(jì)和HVS-30型數(shù)顯維氏硬度計(jì)對(duì)接頭進(jìn)行硬度測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接參數(shù)

焊接過程中采用統(tǒng)一的收弧電流70 A，收弧電壓19.1 V，保護(hù)氣體流量24 L/min，干伸長15 mm。經(jīng)過一系列的焊接參數(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，獲得了較佳的焊接參數(shù)如表2所示，得到的焊縫成形良好，如圖2所示，其中平均電流100A時(shí)出現(xiàn)了未焊透現(xiàn)象；平均電流140A時(shí)，焊縫成形最好；平均電流160A時(shí)，焊接過程中出現(xiàn)了少量的飛濺。

表2 脈沖MIG焊接工藝參數(shù)

2.2 接頭微觀組織分析

沿垂直于焊縫方向取樣，然后進(jìn)行磨樣、拋光、腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫組織，如圖3所示。

焊縫組織主要由淺灰色的ɑ-Mg組成，而HAZ區(qū)域主要是粗大的ɑ-Mg和少量的黑色物質(zhì)組成，由能譜分析（見圖4）得到黑色物質(zhì)可能是Mg-Zn-Al化合物。由圖3可知，焊縫較熱影響區(qū)的晶粒要細(xì)小，這與焊接熱循環(huán)過程和母材材質(zhì)有關(guān)[6]。MIG焊中，焊縫區(qū)受熱溫度升高，熱量以熱傳導(dǎo)的方式向四周傳導(dǎo)，加上脈沖電弧的攪拌作用以及周圍氣體流動(dòng)帶走一部分熱量，使得焊縫區(qū)散熱快，金屬快速凝固，形成晶粒細(xì)小的組織。鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)大、熔點(diǎn)低、散熱快，造成熱影響區(qū)晶粒受熱發(fā)生動(dòng)態(tài)再回復(fù)卻沒來得及進(jìn)行再結(jié)晶而變得粗大[6]。

2.3 顯微硬度分析

硬度測(cè)量結(jié)果如圖5所示。測(cè)得結(jié)果為：母材平均硬度51.5 HV，熱影響區(qū)平均硬度47 HV，焊縫平均硬度58 HV。

焊縫區(qū)組織較為均勻，晶粒細(xì)小。焊接過程中由于鎂的沸點(diǎn)低，有蒸發(fā)現(xiàn)象，焊縫區(qū)Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于母材，Al、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所升高，導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度升高[7]。熱影響區(qū)的晶粒粗大，硬度降低。

2.4 力學(xué)性能

對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，觀察斷口形貌。平均電流為140 A的焊接接頭與母材力學(xué)性能對(duì)比如表3、圖6所示，得到焊接接頭抗拉強(qiáng)度218.05 MPa，為母材的90.85%；平均延伸率11.3%，為母材的90%。焊接接頭的平均屈服強(qiáng)度是103.1MPa，為母材的67.4%。在拉伸過程中，母材斷裂處與受力方向夾角成45°，斷裂主要發(fā)生在熱影響區(qū)。母材和接頭的斷口形貌如圖7所示。

由斷口形貌可以看出，母材和焊縫斷口上均分布有大量拉長的淺韌窩，母材斷口為扁平狀，脆性較大，有沿晶斷裂特征，這是因?yàn)樵跀D壓過程中導(dǎo)致母材塑性變差。焊接接頭區(qū)斷裂面較扁平，有較深而短的二次裂紋，表現(xiàn)出一定的韌性。由于HAZ區(qū)晶粒粗大，裂紋易于形成，塑性較差，所以HAZ區(qū)先于母材和焊縫產(chǎn)生裂紋，發(fā)生斷裂。母材和焊縫斷口上都沒有發(fā)現(xiàn)氣孔和明顯的夾雜物，表明焊接接頭的冶金質(zhì)量較好。

圖2 不同參數(shù)的焊縫形貌

圖3 不同位置處的金相組織

圖4 焊縫組織能譜分析

圖5 接頭顯微硬度分布

表3 母材與焊接接頭拉伸力學(xué)性能

圖6 MIG焊接接頭與母材拉伸對(duì)比曲線

3 結(jié)論

（1）采用脈沖MIG焊，在適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)下，可以得到表面呈魚鱗紋狀、連續(xù)的、成形良好的焊縫，且焊接過程中飛濺少，電弧穩(wěn)定。

圖7 母材和接頭的斷口形貌

（2）焊接接頭抗拉強(qiáng)度218.05 MPa，為母材的90.85%；平均延伸率11.3%，為母材的90%。焊接接頭平均屈服強(qiáng)度103.1 MPa，為母材的67.4%。

（3）焊接接頭中焊縫的晶粒細(xì)小，硬度高于母材；熱影響區(qū)是過熱組織，晶粒粗大，硬度比母材低，塑性差。

（4）斷口處有深且短的二次裂紋，是焊接接頭處塑性差、易于斷裂的原因之一。

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