AZ31B 鎂合金電阻點焊熔核微觀組織及力學性能研究

李 銅，羅 怡

(1. 西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2. 重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054)

鎂合金具有密度小、比強度高、重復利用性強等優(yōu)點，被廣泛地應用于航空航天、 交通工具、機械設(shè)備等眾多領(lǐng)域[1]。特別是在汽車制造業(yè)中，鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料能夠滿足日益嚴格的節(jié)能減排要求，可生產(chǎn)出質(zhì)量輕、耗油少、環(huán)保型的新型汽車[2-3]。電阻點焊是汽車生產(chǎn)制造過程中應用較多的焊接方法之一[4]。選用合適的焊接電流、電極壓力、焊接時間等點焊工藝參數(shù)對鎂合金薄板進行電阻點焊，焊點的綜合性能能夠達到要求，甚至超過某些鋁合金[5]。經(jīng)過合理調(diào)整工藝，可以防止個別試件中裂紋、飛濺缺陷的產(chǎn)生，得到高質(zhì)量的焊點，使鎂合金取代鋁合金在汽車工業(yè)中應用成為可能[6-8]。

本文主要研究AZ31B 鎂合金薄板材料電阻點焊的熔核成形、熔核組織和力學性能特征，進而評估分析鎂合金電阻點焊的焊點質(zhì)量及其焊接工藝效果，為工藝優(yōu)化及應用開發(fā)提供參考。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料及焊接設(shè)備

試驗采用的材料是 2 mm 厚的 AZ31B 鎂合金板材，其主要合金元素包括 Al、Zn 等，合金元素成分如表 1 所示。材料被加工 成 70 mm×20 mm 的尺寸規(guī)格，并采用搭接的方式進行焊接，搭接長度為 25 mm，如圖 1 所示。

采用的焊接設(shè)備為 100 kVA 的交流電阻點焊機，焊接電極為 CrZrCu 水冷電極，上 下電極端面均加工成錐形，其端面直徑 8 mm。采用 SANS CM75105 拉伸試驗機進行焊點承載強度拉伸測試。

表1 AZ31B 鎂合金的合金元素質(zhì)量分數(shù) %

圖1 材料加工規(guī)格及焊接方式

1.2 焊接工藝

對于電阻點焊工藝，主要工藝參數(shù)有焊接電流、焊接時間和電極壓力，而焊接電流為影響焊接的主要因素。實驗中，保持焊接時間為8周波，電極壓力為0.1 MPa，改變焊接電流大小， 使焊接電流分別為16 、18 、20 、22、24 kA遞增，以獲得不同的焊接效果。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 熔核成形

電阻點焊過程中產(chǎn)生的熔核成形在很大程度上決定焊點在受力結(jié)構(gòu)中的有效承載面積。圖 2 是焊接電流分別為16 kA和20 kA 時獲得的熔核截面宏觀形貌?？梢钥闯?，焊接電流的大小對熔核成形有顯著影響，大焊接電流下能夠獲得更大的熔核，從而增大焊點的承載面積。

焊接電流對熔核成形的影響如圖3所示。圖3(a)為焊接電流變化對熔核直徑的影響，圖 3(b) 為焊接電流變化對熔核高度的影響。顯然， 隨著焊接電流由16 kA增大到20 kA，熔核直徑和熔核高度也隨之增大，這也意味著焊接電流的增大可以使材料獲得更大的熔透，從而使形成的焊點承載能力得以顯著提高。

圖2 熔核宏觀形貌

(a)熔核直徑

(b)熔核高度

2.2 金相分析

熔核的微觀組織結(jié)構(gòu)是決定焊點承載能力的重要因素。圖 4 為熔核微觀組織，其中圖 4(a)為熔核邊沿從母材到熔核中心的組織演變?？梢钥闯觯捎诤附咏宇^中不同部位過冷度的不同，電阻點焊 AZ31B 鎂合金得到的焊接接頭組織由母材到熔核中心，其組織演變進程為平面晶—胞狀晶—胞狀樹枝晶—等軸樹枝晶。

圖 4(b)和圖 4(c)為熔核中心等軸樹枝晶的分布及其形貌。熔核的凝固組織形態(tài)主要取決于合金中溶質(zhì)的溶度、結(jié)晶速度和液相中溫度梯度的綜合作用。鎂合金質(zhì)軟，在電極壓力的作用下容易發(fā)生變形，使通過電極的散熱量增大。另外，熔核金屬與周圍金屬的緊密接觸同樣提高了散熱速度，鎂合金的導熱性又很好，因此焊點降溫速度極快，使得在熔核中心液相中的溫度梯度很小，形成成分過冷區(qū)，結(jié)晶形核速率比長大速度更強烈地依賴于過冷度，再加上焊點在壓力狀態(tài)下結(jié)晶，進一步提高了均質(zhì)形核率和異質(zhì)形核率，使液態(tài)金屬中形成大量的晶核，晶粒沿各個方向長大的速率相差不多， 最終形成熔核區(qū)大小均勻的單一等軸晶組織。熔核中大量分布等軸樹枝晶，有利于熔核獲得較好的綜合力學性能。

(a)熔核邊沿

(b)熔核中心

(c)熔核中心等軸樹枝晶

2.3 掃描電鏡分析

用掃描電鏡和能譜分析對熔核中的組織形貌和析出相進行分析。圖 5 為熔核中的晶界形貌及能譜分析，得到的成分組織如表2 所示。可以看出，AZ31B 鎂合金熔核的晶界上主要析出Mg固溶體以及分布Mg-Al 二元合金相Mg17Al12和三元合金相 Mg17(Al,Zn)12。其在熔核中的分布均勻彌散， 因此有一定的晶間強化作用。

除了晶界析出相以外，在熔核中也分布有一些形狀比較規(guī)則的析出相。掃描電鏡和能譜分析如圖 6 所示，得到的成分組織如表3所示。可以看出，這種形狀較為規(guī)則的析出相中 Mg 元素的質(zhì)量百分比僅為 10.49%，Al 元素和 Mn 元素的質(zhì)量百分比相對較高，尤其是 Mn 元素；因此， 形狀較為規(guī)則的析出相為富Mn 相，相對于晶界，其尺寸較大，但在熔核中的分布較少。

(a)析出相形貌

(b)能譜分析

表2 成分組成的能譜分析 %

(a)析出相形貌

(b)能譜分析

表3 成分組成的能譜分析 %

2.4 力學性能

由于焊接電流大小不同，在熔核形核以及冷卻過程中獲得的加熱和冷卻效果不同，從而形成不同的熱循環(huán)特征。這種傳熱 特征的不同，也會體現(xiàn)在熔核內(nèi)部力學性能 上。在熔核中沿高度方向在熔核中部二分之 一處測試熔核中的硬度分布，分別對焊接電 流為16 kA時得到的熔核和焊接電流為20 kA 時得到的熔核進行測試，如圖 7 所 示?？梢钥闯?，較大焊接電流下得到的熔核 在熔核邊緣有較為明顯的軟化現(xiàn)象，且熔核內(nèi)部硬度略低于較小焊接電流下獲得的熔 核。這與不同焊接電流下產(chǎn)生的焊接熱量大小，以及冷卻速度快慢應該有密切關(guān)系。大 焊接電流產(chǎn)生的焊接熱量多，冷卻速度慢； 而小焊接電流下產(chǎn)生的焊接熱量相對較少， 冷卻速度更快。因此，產(chǎn)生圖7所示的硬度分布規(guī)律。

當然，綜合上述因素看來，當焊接電流在實驗范圍 16 ～24 kA 內(nèi)，較大焊接電流可以生成更大的熔核，有利于顯著增大焊點的有效承載面積。圖 8 顯示了不同焊接電流對熔核承載強度的影響，顯然，焊接電流越大，獲得的焊點承載強度更高，這也充分證明了上述問題。

圖7 熔核顯微硬度對比

圖8 焊接電流對熔核承載強度的影響

3 結(jié)論

1)對于 AZ31B 鎂合金的電阻點焊，較大的焊接電流可以使熔核直徑、熔核高度以及有效承載面積得以顯著提升。

2)焊接接頭由母材到熔核中心，其組織演變進程為平面晶—胞狀晶—胞狀樹枝晶—等軸樹枝晶。熔核內(nèi)部以等軸樹枝晶分布為主，晶間分布強化相。

3)當焊接電流較大時，熔核邊緣出現(xiàn)較為明顯的軟化現(xiàn)象，熔核內(nèi)部硬度也略為降低；當焊接電流在實驗范圍16 ～24 kA 以內(nèi)，在熔核成形以及內(nèi)部組織兩方面因素作用下，較大的焊接電流可以獲得更高的焊點承載強度，從而使焊點質(zhì)量得以提升。

[1]張曉宏, 蔡智鵬, 吳甦, 等. 鎂合金 AZ31B 的 電阻點焊[J]. 焊接, 2003 (10): 20.

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[7]王亞榮, 張忠典, 馮吉才, 等. 交流點焊工藝參數(shù)對AZ31B 鎂合金接頭性能的影響[J]. 焊接,2003(7): 18-20.

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