AZ31／7005異種材料填絲GTAW焊接接頭的組織與性能

杜紅燕，李亞江

（山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

鎂合金是迄今為止工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為本世紀(jì)最具有開發(fā)和應(yīng)用潛力的綠色工程材料。鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度高，彈性模量大，以及較高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，無磁性，屏蔽性好和無毒等特點(diǎn)［1］。鋁合金密度低，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，使用量僅次于鋼［2］。

隨著鎂及鎂合金越來越廣泛地應(yīng)用在空間技術(shù)、航空、汽車和儀表等工業(yè)部門，不可避免地遇到鎂合金與鋁合金的焊接問題。實(shí)現(xiàn)鎂合金和鋁合金的可靠性焊接，充分發(fā)揮兩種金屬各自不同的優(yōu)良性能，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值，并能夠推動鎂及鎂合金的廣泛應(yīng)用。

近年來，對鎂／鋁異種金屬的焊接性相關(guān)研究較多，Somasekharan等［3］研究了變形鎂合金 AZ31BH24和半固態(tài)鑄造鎂合金AZ91D與鋁合金6061的攪拌摩擦焊及組織結(jié)構(gòu)，焊縫區(qū)的組織不同于異種材料的焊縫。德國GKSS研究中心系統(tǒng)地分析了采用攪拌摩擦焊焊接異種金屬鎂合金和鋁合金的情況［4］，只有當(dāng)鎂合金作為前進(jìn)側(cè)時，鎂和鋁異種接頭才能達(dá)到低強(qiáng)度接頭的80%，韌性達(dá)到鎂接頭的近似30%，但攪拌摩擦焊對焊接參數(shù)的要求較為苛刻。封小松等［5］在采用合理的搭接接頭和工藝參數(shù)下，對鎂鋁異種金屬進(jìn)行填充式摩擦點(diǎn)焊，獲得剪切力高達(dá)1865N的焊點(diǎn)，同時發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂易發(fā)生在焊核與鎂母材之間。對3mm厚的鑄造鎂合金（AM50和AZ31）和鋁合金6063進(jìn)行熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Metal Inert－Gas Welding，MIG）和電子束焊表明［6］，鎂和鋁異種焊接接頭很脆，強(qiáng)度較低，加入Sr也沒有減少β相。而本課題組李亞江教授等已經(jīng)進(jìn)行了鎂合金和鋁合金的真空擴(kuò)散焊［7］，但是強(qiáng)度只有19.8MPa。Liu等［8］利用Zn為釬料，用電弧作為熱源，采用接觸反應(yīng)釬焊的方法實(shí)現(xiàn)了鎂合金AZ31B和鋁合金6061的連接，強(qiáng)度可達(dá)20MPa，但釬焊對工件尺寸和形狀有特殊要求。尚晶等［9］以 HS201銅焊絲作為填充金屬，對AZ31鎂合金和6161鋁合金進(jìn)行冷金屬過渡搭接焊，接頭的抗剪強(qiáng)度最大達(dá)到27.9MPa，斷裂全部發(fā)生在鎂銅側(cè)熔合區(qū)。柳緒靜等［10］分別采用鎢極氬弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW ）和激光－GTAW復(fù)合熱源填加鎂或鋁焊絲焊接鎂、鋁異種金屬，并對兩種熱源的焊接接頭進(jìn)行對比分析表明，由于金屬間化合物層的連續(xù)分布，普通GTAW熱源鎂鋁接頭界面處開裂導(dǎo)致連接失效，激光和氬弧焊復(fù)合熱源的焊接速率快、攪拌作用明顯，使得焊后接頭中鎂鋁金屬間化合物變?yōu)椴贿B續(xù)的彌散分布狀態(tài)，接頭性能明顯改善。

采用GTAW方法進(jìn)行焊接，在不添加焊絲的情況下，接頭處易形成金屬間化合物層［11，12］，影響其接頭性能。從目前的報道可知，不管是傳統(tǒng)的惰性氣體鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gas Arc Welding，TIG），還是先進(jìn)的激光焊，不管是改變工藝，還是填加其他材料作為中介，都是從添加阻止生成脆性相的元素、改變金屬間化合物的存在狀態(tài)兩個方面來改善接頭性能。本工作對AZ31／7005異種材料填加鋁硅合金焊絲進(jìn)行GTAW焊接，避免接頭處高脆硬金屬間化合物的產(chǎn)生，從而提高接頭性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用母材為AZ31鎂合金和7005鋁合金，板厚為2.5mm，GTAW焊絲為ER4043和ER4047。母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。

實(shí)驗(yàn)前用砂紙去除AZ31，7005鋁合金及焊絲表面的氧化層。焊接工藝參數(shù)見表2。焊后用線切割垂直于焊縫切取試樣，試樣AZ31側(cè)熔合區(qū)采用5%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，焊縫及7005側(cè)熔合區(qū)采用氫氟酸、鹽酸和硝酸（體積比2∶3∶5）的混合溶液進(jìn)行腐蝕。

采用金相顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）以及電子探針顯微分析儀（EPMA）對AZ31／7005焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，采用顯微硬度計測量AZ31／7005接頭附近各區(qū)域的顯微硬度。

表1 AZ31鎂合金、7005鋁合金及焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of AZ31，7005alloys and welding wire（mass fraction／%）

表2 GTAW焊接工藝參數(shù)Table 2 Processing parameters for GTAW

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

實(shí)驗(yàn)獲得焊縫連續(xù)、平整、無明顯焊接缺陷，正面呈現(xiàn)黑色，但背面成形較差的接頭。采用ER4043焊絲和表2中的焊接工藝參數(shù)焊接，焊縫背面出現(xiàn)未熔合；在實(shí)驗(yàn)過程中，采用ER4047焊絲和表2中No.1的焊接參數(shù)焊接，焊縫表面同樣出現(xiàn)未熔合；然而采用ER4047焊絲和表2中No.2的焊接參數(shù)，焊縫背面出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，且靠近AZ31側(cè)母材處有氣孔。同樣焊絲不同焊接參數(shù)，組織結(jié)構(gòu)變化不大。結(jié)合焊接工藝參數(shù)分析，背面產(chǎn)生未熔合是由于焊接電流過小，熔池冷卻速率過快，使焊縫金屬未充分結(jié)合在一起。而焊縫背面出現(xiàn)下塌是由于焊接電流大，焊接速率低，焊縫金屬熔化過快。正面呈現(xiàn)黑色，是氬氣流量過小，保護(hù)氣體保護(hù)不良所致。焊縫彌散分布大量氣孔，一是由于母材和焊絲表面的水分及油污等外部環(huán)境，二是氬氣流量太小。采用大電流配合較高焊速，盡量采用小線能量，減少氫的溶入；充分保證根部熔化，以利于根部氧化膜上的氣泡上浮，對于減少氣孔有一定效果［13］。因此，采用合適的焊接參數(shù)，能夠獲得表面成形良好的焊縫。

2.2 焊接接頭的顯微組織

2.2.1 AZ31側(cè)熔合區(qū)的微觀組織特征

圖1是采用ER4043焊絲獲得的AZ31側(cè)區(qū)域的顯微組織形貌，圖1（a）是AZ31側(cè)焊縫區(qū)與AZ31母材附近熱影響區(qū)的顯微組織形貌，可以看出靠近熔合區(qū)附近的AZ31母材晶粒細(xì)小，遠(yuǎn)離熔合區(qū)附近的AZ31顯微組織基本沒有變化。焊縫和母材之間存在焊縫金屬半熔化凝固形成的結(jié)晶區(qū)，靠近AZ31母材沒有明顯的結(jié)晶組織形態(tài)，與熔化結(jié)晶組織緊密地結(jié)合在一起；該區(qū)域靠近焊縫中心為樹枝狀晶，向焊縫延伸。熔合區(qū)與AZ31母材之間存在一條明顯的組織分界線。

圖1（b）所示為AZ31側(cè)熔合區(qū)的顯微組織形貌。根據(jù)結(jié)晶形態(tài)，將該區(qū)域分為未結(jié)晶區(qū)、樹枝狀晶區(qū)和柱狀晶區(qū)，在樹枝狀晶區(qū)有許多黑色塊狀物。未結(jié)晶區(qū)組織呈扇狀，組織間比較緊密，而樹枝狀晶區(qū)組織與未結(jié)晶區(qū)組織末端嚙合在一起，樹枝狀晶之間有較大間隙，分布著其他組織，如圖1（c）所示。AZ31母材主要是由α－Mg和γ－Mg17Al12共晶組織組成［14］，熔合區(qū)組織明顯不同于母材，呈白亮狀，垂直于母材向焊縫區(qū)生長。

圖1 AZ31側(cè)熔合區(qū)的顯微組織（ER4043） （a）AZ31側(cè)焊縫區(qū)與AZ31母材附近熱影響區(qū)的顯微組織形貌；（b）AZ31側(cè)熔合區(qū)的顯微組織形貌；（c）熔合區(qū)掃描電鏡圖像Fig.1 Microstructure of fusion zone near AZ31（ER4043） （a）microstructure of weld zone and heat affected zone near AZ31；（b）fusion zone near AZ31；（c）SEM image of the fusion zone

圖2是采用ER4047焊絲獲得的AZ31側(cè)熔合區(qū)的微觀組織形貌，圖2（a）是AZ31側(cè)熔合區(qū)與AZ31母材附近熱影響區(qū)的顯微組織形貌，圖2（b）為Mg側(cè)熔合區(qū)顯微組織形貌，與圖1相比，熔合區(qū)也分為三個晶區(qū)，但樹枝狀晶區(qū)的晶間析出物明顯增多，柱狀晶區(qū)組織緊密，基本無晶間析出物，如圖2（c）所示。

與采用ER4043焊絲獲得的接頭組織對比分析表明，采用ER4043焊絲獲得的樹枝狀晶區(qū)黑色塊狀物明顯減少。從合金元素固溶度及焊絲成分分析可得，Si在Mg中的固溶度為0.03%，ER4043的Si含量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）左右，而ER4047中Si含量為12%左右，樹枝狀晶區(qū)黑色塊狀物為Si和Mg2Si相組織。從焊接過程分析，樹枝狀晶區(qū)比其他區(qū)域晶間析出物多，組織比較復(fù)雜，這與焊接時焊接熔池的攪拌有關(guān)，主要由于偏析造成。

圖2 AZ31側(cè)熔合區(qū)的顯微組織（ER4047） （a）AZ31側(cè)熔合區(qū)與AZ31母材附近熱影響區(qū)的顯微組織形貌；（b）Mg側(cè)熔合區(qū)的顯微組織形貌；（c）熔合區(qū)掃描電鏡圖像Fig.2 Microstructure of fusion zone near AZ31side（ER4047） （a）microstructure of fusion zone and heat affected zone near Mg；（b）fusion zone near Mg；（c）SEM image of the fusion zone

2.2.2 焊縫的組織特征

圖3（a）為采用ER4043焊絲獲得的焊縫顯微組織形貌，AZ31側(cè)的焊縫為粗柱狀晶，7005側(cè)的焊縫為細(xì)柱狀晶，粗細(xì)晶區(qū)有明顯分界線。結(jié)合宏觀形貌分析，采用ER4043焊絲焊接電流小、速度快、冷卻慢是造成在焊縫中心形成分界的原因。圖3（b）為采用ER4047焊絲獲得的焊縫顯微組織形貌，為柱狀晶區(qū)。焊縫主要由柱狀晶組成，存在少量的氣孔和夾渣，對比AZ31側(cè)和7005側(cè)熔合區(qū)，焊縫的晶間析出物較少，比ER4043焊絲獲得焊縫的晶間析出物多。

圖3 焊縫的顯微組織 （a）ER4043；（b）ER4047Fig.3 Microstructure of welding （a）ER4043；（b）ER4047

2.2.3 7005側(cè)熔合區(qū)的組織特征

相較于鎂側(cè)熔合區(qū)，鋁側(cè)熔合區(qū)由于采用的焊絲成分與7005鋁母材相近，結(jié)晶過程中偏析現(xiàn)象不明顯，組織性能較為接近。圖4為7005鋁母材側(cè)熔合區(qū)顯微組織，可以看出，鋁合金母材和焊縫間有一個明顯的夾渣區(qū)，且ER4047焊絲焊接熔合區(qū)的夾渣比ER4043焊絲的熔合區(qū)夾渣多，這與焊絲中Si，Mn，Zn含量高有關(guān)。鋁側(cè)焊縫的晶粒比鋁母材細(xì)化，主要是由于焊絲中含有少量微合金化元素。由圖4（a）可見，在鋁側(cè)熔合區(qū)出現(xiàn)深色圓球，觀察宏觀形貌可知深色圓球?yàn)闅饪住Ｓ捎诒Ｗo(hù)氣體氬氣中含少量的水分、焊材表面氧化膜吸附水分、母材和焊絲本身固溶的氫，都容易導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生氫氣孔；同時由于7005鋁母材本身固溶的氫，造成鋁母材中氣孔的存在，熔化的鋁母材主要作用于熔合區(qū)和近鋁側(cè)焊縫區(qū)，液態(tài)鋁能溶解大量的氫，在凝固點(diǎn)時氫從0.69mL／100g降至0.036mL／100g，相差近20倍，在急速冷卻過程中，鋁側(cè)熔合區(qū)金屬先凝固，固態(tài)金屬阻擋了氣泡的逸出，導(dǎo)致氫氣孔的產(chǎn)生。綜上可知，圖4（a）中深色圓球?yàn)闅錃饪住?/p>

圖4 7005側(cè)熔合區(qū)顯微組織 （a）ER4043；（b）ER4047Fig.4 Microstructure of fusion zone near 7005side （a）ER4043；（b）ER4047

2.3 ER4047焊接接頭AZ31側(cè)熔合區(qū)線成分分析

焊接接頭Mg側(cè)熔合區(qū)附近的元素分布對于焊接接頭的性能具有重要影響。因采用ER4043和ER4047焊絲焊接獲得的Mg側(cè)熔合區(qū)顯微形貌差別不大，僅利用電子探針顯微分析儀（EPMA）對采用ER4047焊絲獲得Mg側(cè)熔合區(qū)顯微組織進(jìn)行線成分分析，如圖5所示。

圖5 AZ31側(cè)熔合區(qū)成分分布Fig.5 Composition distribution of the fusion zone near AZ31side

由圖5可見，Mg元素從母材到熔合區(qū)呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，而Al元素呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，在距離測試點(diǎn)10μm左右至60μm時，Mg，Al元素的濃度基本沒有變化，說明該區(qū)域形成了相對穩(wěn)定的金屬化合物相，成分大體為Mg－26%（原子分?jǐn)?shù)）Al，結(jié)合Mg－Al二元合金相圖分析，該區(qū)域應(yīng)為α－Mg固溶體＋β－Al12Mg17的共晶組織和β－Al12Mg17。在距離測試點(diǎn)65μm左右時，Si元素成分有上升趨勢，且在該區(qū)域Mg元素突然增加，說明黑色塊狀物為Si與Mg2Si相組織。通過線成分分析可知，熔合區(qū)組織主要為α－Mg固溶體＋β－Al12Mg17的共晶組織、β－Al12Mg17、Mg2Si相組織、Al4Si相組織和部分初晶Si。然而有研究者對3mm厚的鑄造Mg合金和Al合金的MIG焊，分別采 用 Al－1050，Al－4043，Al－10% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Sr 和AZ92作為焊絲電極，焊接接頭用很小的力就可以掰斷。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察以及能譜分析可知，熔合線附近出現(xiàn)了共晶組織，而熔合區(qū)中心的組織主要是β－Mg17（Al，Zn）12［6］

2.4 焊接接頭的顯微硬度

鎂鋁異種金屬之間的焊接，關(guān)鍵是控制金屬間化合物，降低接頭脆硬傾向，改善力學(xué)性能。采用DHV－1000型顯微硬度計對金相試樣進(jìn)行硬度測試，加載載荷為0.51N，加載時間10s，點(diǎn)距為50μm。從AZ31母材經(jīng)焊縫到7005母材，顯微硬度測定值見圖6。采用ER4043焊絲焊縫區(qū)近鎂側(cè)顯微硬度值為40～80HV，低于7005鋁母材的硬度。采用ER4047焊絲焊縫區(qū)近鎂側(cè)顯微硬度值為60～90HV，硬度值出現(xiàn)了一定的不均勻現(xiàn)象，但均處于較低的水平。

圖6 焊縫顯微硬度分布 （a）ER4043；（b）ER4047Fig.6 Microhardness distribution in the weld zone （a）ER4043；（b）ER4047

金屬間化合物主要產(chǎn)生在鎂側(cè)熔合區(qū)和鎂側(cè)焊縫區(qū)，由圖6（a）可見，采用焊絲ER4043，鎂側(cè)熔合區(qū)硬度比AZ31母材硬度低，沒有β－Al12Mg17脆性相產(chǎn)生，結(jié)合Mg－Al二元合金相圖和線掃描分析可知，Si元素與Mg元素、Al元素形成共晶組織，減少了鎂鋁金屬間化合物的產(chǎn)生，降低了鎂側(cè)熔合區(qū)的硬度。由圖6（b）可見，采用焊絲ER4047，熔合區(qū)硬度比母材高，與圖6（a）比較可知，Si除了以共晶組織形態(tài)存在外，還以初晶Si形態(tài)存在，明顯提高了熔合區(qū)的硬度。在整個焊縫區(qū)沒有高硬度脆性相出現(xiàn)，說明Si元素的添加，改變了金屬間化合物的存在狀態(tài)。ER4043焊絲獲得的焊縫，用手輕輕就可掰斷，斷裂出現(xiàn)在鎂側(cè)熔合區(qū)，這主要是由于鎂側(cè)熔合區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，降低了接頭的力學(xué)性能。Shang等［15］填充ER4043對AZ31B鎂合金和6061鋁合金進(jìn)行冷金屬過渡搭接焊，斷裂也出現(xiàn)在了鎂側(cè)熔合區(qū)，屬于脆性斷裂。

以上可以看出，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度相差不大，焊縫的硬度略微高于AZ31母材的硬度，基本是在80HV左右波動，黑色析出物的硬度較低，硬度值在60HV波動。在焊縫區(qū)，一方面硅元素的添加影響組織，使晶粒顯著細(xì)化，顯微硬度提高；另一方面以固溶態(tài)存在的Mg，A1，使其顯微硬度降低。在上述兩種因素的綜合作用下，使得焊縫區(qū)的顯微硬度和AZ31母材區(qū)差別不大。

3 結(jié)論

（1）采用ER4043和ER4047焊絲，可以實(shí)現(xiàn)AZ31鎂合金與7005鋁合金的填絲GTAW焊接，獲得表面成形良好的焊縫，采用ER4047焊絲獲得的焊縫組織析出相較多，硬度較高，接頭的性能更優(yōu)良。

（2）接頭靠近AZ31側(cè)焊縫區(qū)和7005側(cè)焊縫區(qū)出現(xiàn)明顯的差異，Mg側(cè)熔合區(qū)是接頭力學(xué)性能的薄弱區(qū)，組織為Mg17Al12＋Mg共晶體組織。由凝固時的過冷度不同造成結(jié)晶狀態(tài)的差異，分為三個晶區(qū)：未結(jié)晶區(qū)、樹枝狀晶區(qū)和柱狀晶區(qū)。

（3）焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度相差不大，焊縫的硬度略微高于母材的硬度，基本是在80HV左右波動，黑色析出物的硬度較低，硬度值在60HV波動。添加ER4043和ER4047焊絲獲得的焊接接頭組織硬度值較小，未出現(xiàn)高硬度脆性相。

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