復合助焊劑對AZ31鎂合金TIG焊接頭組織與性能的影響

彭 建，朱 熹，童小山，潘復生

(1.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；2.重慶市科學技術研究院，重慶 401123)

鎂合金具有儲量豐富、密度小、比強度高、比剛度大、阻尼性很好、導熱性好、電磁屏蔽能力強、加工成型性好和可回收利用等一系列優(yōu)點，是21世紀的綠色工程材料[1]。鎂合金不僅在航空航天工業(yè)等尖端領域中廣泛應用，而且也在汽車、電子通訊等日常制造業(yè)中廣泛應用。焊接是鎂合金連接的首選方法[2]。焊接技術和焊接材料的新發(fā)展為鎂合金更廣泛的應用提供了良好的條件，對促進鎂合金的產業(yè)化進程有著很重要的作用。

活性化焊接(Activating flux - TIG，簡稱A-TIG)方法是將特殊研制的活化材料(活性劑)焊前涂敷到被焊工件表面再進行焊接的方法。在相同的焊接規(guī)范下，與常規(guī)TIG焊相比，該方法可大幅度提高焊縫熔深，提高幅度最大可達 300%?；钚曰附臃椒ㄆ鸪跤汕疤K聯巴頓焊接研究所在20世紀60年代研制，但是直到20世紀 90年代末期才在歐美國家的研究機構(如EWI和TWI等)開展廣泛的研究[3-4]。關于活性劑增加焊縫熔深的機理研究，成為近年來研究的熱點，現在存在兩種理論，即電弧收縮理論和表面張力梯度理論[5-6]。國內的劉黎明等[7]、張兆棟等[8-9]、徐杰等[10]對鎂合金A-TIG焊做了一些研究；黃勇等[11-14]、SIRE等[13]和何麗君等[14]對鋁合金 A-TIG 焊做了大量的研究，但大部分研究都是針對單一的助焊劑。目前，通過試驗分析認為，氯化物助焊劑增加熔深的機理主要是影響焊接電弧，而氧化物類助焊劑主要是影響焊接熔池表面張力來增加焊接熔深[15]。目前的研究基本上都是通過兩種理論中的一種來解釋助焊劑對鎂鋁合金熔深增加機理[3,16-19]，增加焊接熔深機理仍然存在較大爭議，有必要繼續(xù)開展進一步的研究。

本文作者研究新型復合助焊劑對AZ31鎂合金交流A-TIG焊焊縫組織和性能的影響，探索優(yōu)化鎂合金焊接質量的方法和工藝，這將有助于減少鎂合金焊接缺陷，提高焊接質量，拓展其應用范圍。

1 實驗

實驗選用3 mm厚的AZ31鎂合金擠壓型材，試板尺寸為150 mm×100 mm；焊絲選用擠壓成形的AZ31鎂合金焊絲，直徑為1.6 mm，其化學成分與母材一樣(見表1)。保護氣體采用99.99%的氬氣。選用氯化物和氟化物的混合物作為助焊劑，表2所列為其化學成分的質量分數。

實驗采用鎢極氬弧焊方法(TIG)對涂敷助焊劑的AZ31鎂合金板材進行焊接，研究新型助焊劑的作用機理。焊接采用對接接頭形式，并進行焊前處理，用砂紙清除坡口區(qū)域30 mm內的氧化皮，用丙酮清潔坡口周邊的油污。助焊劑的制備、涂敷：先將丙酮和助焊劑充分混合攪拌，然后均勻地涂敷在試板表面，將涂敷好助焊劑的試板放入烘干爐烘干1 h，除去助焊劑中的結晶水和作為溶劑的丙酮。用烘干的試板進行焊接實驗，電源采用松下YC-300WX4 N型焊接電源，焊接電流在100 ～120 A之間變化，表3所列為其他參數。

表1 鎂合金AZ31成分Table1 Component of AZ31 magnesium alloy (mass fraction,%)

表2 復合助焊劑的化學成分組成Table2 Chemical composition of compound flux (mass fraction, %)

采用鑷子捏著脫脂棉球沾取苦味酸溶液在焊縫上進行擦拭的方法來腐蝕接頭，腐蝕時間為20 s，等酒精風干再密閉保存防氧化。使用MDS金相顯微鏡和TESCANVEGA掃描電子顯微鏡對焊接接頭各區(qū)域的組織進行觀察和成分檢測。焊接接頭拉伸性能的測試在CMT-5105電子萬能材料試驗機上進行，拉伸速度為3 mm/min。采用HV-1000型維氏硬度計進行焊縫硬度測試，載荷為9.8 N，加載時間為10 s。

表3 焊接規(guī)范參數Table3 Standard parameters of Welding

2 結果與討論

2.1 助焊劑對焊縫熔深、熔寬及成型性的影響

焊接電流為100 A時，加助焊劑的焊縫熔深約為1.8 mm，熔寬約為3.5 mm(見圖1(a))；未加助焊劑的焊縫熔深約為1.4 mm，熔寬約為4 mm(見圖1(b))。在焊接電流為115 A時，焊件都能實現焊透(見圖1(c)和(d))，但是加助焊劑的熔寬明顯較未加助焊劑的窄，約為4 mm，未加助焊劑的熔寬達到5.5 mm(見圖1(d))。

焊接電流為115 A時，焊縫的宏觀形貌如圖2(a)所示，局部放大如圖2(b)所示。由圖2(b)可以看出，加助焊劑的焊縫熔寬明顯減小，并且焊縫出現明顯的金屬光澤。由此可見，本實驗采用的助焊劑對AZ31鎂合金的焊接成型性有優(yōu)化作用，在相同的焊接條件下，助焊劑起到增加AZ31鎂合金的焊接熔深，減小熔寬的作用。在凝固過程中，熔池表面受到熔融助焊劑的保護，避免其與空氣接觸而氧化，提高了焊縫表面的質量。

圖1 助焊劑對焊縫熔深的影響Fig.1 Effects of compound flux on welding penetration: (a)With compound flux, welding current 100 A; (b) Without compound flux, welding current 100 A; (c) With compound flux, welding current 115 A; (d) Without compound flux,welding current 115 A

圖2 助焊劑對焊縫熔寬及表面成型的影響Fig.2 Effects of compound flux on weld width and weld surface forming: (a) Morphology of weld; (b) Enlarged image of weld morphology

2.2 助焊劑對焊縫微觀組織的影響

焊接接頭由內向外可分為以下幾個區(qū)域：熔合區(qū)FZ(Fusion zone)、熱影響區(qū)HAZ(Heat affected zone)和基材BM(Base metal)，如圖3(a)所示，焊接電流為115 A時，焊接熔合區(qū)的組織與熱影響區(qū)和基材的組織明顯不同。由于鎂的熔點較低(651℃)，而且導熱很快，在焊接過程中，大功率焊接熱源使近焊縫區(qū)金屬溶液熔化，然后快速凝固成典型的鑄態(tài)α-Mg組織，而熱影響區(qū)的晶粒較粗大，為過熱組織。熔合區(qū)的晶粒尺寸明顯比基材和熱影響區(qū)晶粒尺寸小，可以看出明顯的分界面。進一步觀察焊縫區(qū)的組織形貌(見圖3(d))發(fā)現，熔合區(qū)由細小的等軸晶及部分樹枝晶組成，出現這一現象是因為：1) 在焊接過程中，熔合區(qū)的金屬吸收大量的熱而熔化，鎂合金導熱系數大，凝固時熔合區(qū)金屬快速散熱迅速凝固結晶，得到細小的α-Mg組織；2) 焊接脈沖電流使電弧對熔池產生攪拌力，在機械攪拌力的作用下，較大的晶粒被打碎，形成細小等軸晶組織；3) 鎂合金的熔點低，導熱快，吸收的焊接熱迅速傳遞到熱影響區(qū)，促使晶粒長大(見圖3(c))。

圖3 A-TIG接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.3 Microstructures of A-TIG welded joints in different areas: (a) FZ+HAZ+BM; (b) BM; (c) HAZ; (d) FZ

加復合助焊劑的焊縫熔合區(qū)晶粒明顯比未加復合助焊劑的熔合區(qū)晶粒小。添加復合助焊劑能改變焊接熱輸入量的分布，從而優(yōu)化焊接熱循環(huán)，增加了熔合區(qū)與基材的溫度梯度，使焊縫區(qū)散熱更快，結晶速度加快，晶粒得到細化，同時第二相組織β-Mg17Al12沿晶界大量析出，如圖4所示。

圖4 電流為115 A時焊縫中心的顯微組織Fig.4 Microstructures of weld centers at current of 115 A: (a) With compound flux; (b) Without compound flux

圖5 添加助焊劑的AZ31鎂合金TIG焊接接頭FZ區(qū)的元素分布Fig.5 Distributions of elements in FZ area of welded seams of TIG welded AZ31 magnesium alloy joints with compound flux

目前，助焊劑增加焊縫熔深的機理被認同的主要有兩種。為研究助焊劑的作用形式，本實驗對焊縫區(qū)上部、中部、下部進行成分檢測，結果均能檢測到助焊劑所含成分，圖5所示為焊縫中部的檢測結果。在上、中、下3個部分的檢測中，Na的含量都遠遠高于K的含量，而助焊劑初始成分K高于Na。出現這一現象的原因是：高溫條件下，NaF使助焊劑沸點大大降低，KCl、NaCl蒸氣以原子態(tài)進入電弧中。本實驗新型助焊劑的作用機理是復合作用形式：一方面，助焊劑蒸發(fā)并以原子形態(tài)包圍在電弧外圍區(qū)域，并不斷捕獲該區(qū)域的電子形成負離子逃離電弧區(qū)，這一過程使電弧導電性降低，最終造成電弧自動收縮，使電弧熱更集中作用于焊縫，即“電弧收縮”效應；另一方面，熔融助焊劑進入熔池，作用于焊縫凝固的全過程，LiCl、NaF通過影響熔池表面的張力梯度，來實現改變熔池Marangoni對流方向，加深熔池金屬對熔池底部的沖刷作用，熔池深度增加，即“表面張力”理論。在這種復合機理的作用下，焊縫熔深增加，熔寬變窄。

2.3 助焊劑對焊接接頭力學性能的影響

焊接電流為115 A時，焊接接頭沿垂直焊縫方向的硬度分布如圖6所示。從圖6中的曲線變化可以看出，焊接接頭的硬度以焊縫中心線為軸呈近似對稱分布；在該焊接實驗條件下距焊接接頭中心約4 mm以內的區(qū)域硬度值較低，涂敷助焊劑的焊接接頭焊縫中心硬度值大約為60.5HV，而未添加助焊劑焊接接頭焊縫中心硬度值大約為55.5HV。兩種焊接條件下焊接接頭的硬度值都是從焊縫中心向兩側的區(qū)域的逐漸增大，最后達到母材的硬度值，母材的平均硬度值約為62HV。而添加助焊劑的焊縫平均硬度值明顯高于未添加助焊劑焊縫平均硬度值。新型助焊劑的加入使熔池的形核質點增多，焊縫晶粒得到細化，同時第二相沿晶界析出。細小的晶粒和呈網狀分布的第二相提高了焊縫區(qū)的硬度值。

對AZ31鎂合金母材和焊接接頭進行拉伸試驗，抗拉強度和斷裂位置如表4所列。AZ31鎂合金母材的平均抗拉強度約為255.3 MPa，添加復合助焊劑的焊接接頭斷裂位置在熔合線靠近母材處，抗拉強度為242.3 MPa，達到母材強度的94.9%。而未加復合助焊劑的焊接接頭斷裂位置在靠近焊縫中心處，抗拉強度為208 MPa，達到母材強度值的81.5%。未加助焊劑的焊接接頭熔合區(qū)為鑄態(tài)組織，力學性能低于母材和熱影響區(qū)，所以斷裂的位置在焊縫中心處。而加入新型助焊劑后，焊接熱循環(huán)得到優(yōu)化，溶入熔池中的助焊劑通過影響熔池表面張力改變熔池流向，熔池的機械攪拌力將較大的晶粒擊碎；助焊劑還能增加熔池形核質點，細化鑄態(tài)區(qū)晶粒，呈網狀分布的第二相能有效地增加鑄態(tài)區(qū)的抗拉強度。新型助焊劑的加入使熔合區(qū)組織細化，力學性能得到提升并優(yōu)于熱影響區(qū)，在外加載荷作用下，焊接接頭在熔合線附近的熱影響區(qū)發(fā)生失效斷裂。

圖6 焊接接頭的硬度分布Fig.6 Hardness distribution of welded joint

表4 AZ31鎂合金母材及焊接接頭的力學性能和斷裂位置Table4 Mechanical properties of base metal and welded joint of AZ31 magnesium alloy

3 結論

1) 新型助焊劑的加入能使AZ31鎂合金焊接接頭在較小的電流下實現連接，通過減少熱輸入量，改變焊接熱的分布，優(yōu)化焊接熱循環(huán)，從而細化晶粒。

2) 新型助焊劑在AZ31鎂合金焊接過程中以“電弧收縮”和“表面張力”的復合作用機理作用于焊縫。KCl、NaCl起到電弧收縮的作用，而LiCl、NaF通過改變熔池的表面張力來增加焊縫熔深，減小熔寬。

3) 新型助焊劑在AZ31鎂合金焊接過程中具有增大熔池機械攪拌力，增加鑄態(tài)區(qū)α-Mg組織的形核能力，細化晶粒，優(yōu)化焊縫成型性的作用，同時使第二相組織β-Mg17Al12沿晶界析出。細小的α-Mg組織和呈網狀分布的第二相β-Mg17Al12優(yōu)化了熔合區(qū)的組織，使熔合區(qū)力學性能得到提升并優(yōu)于熱影響區(qū)，整個焊接接頭的綜合力學性能也隨著增加。

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