2 mm厚AZ31B鎂合金TIG焊接工藝研究

任海軍

摘 要：文章采用鎢極氬弧焊（TIG）對(duì)接頭焊接方式焊接厚度為2.0 mm的AZ31B鎂合金，并對(duì)AZ31B鎂合金相關(guān)焊接工藝進(jìn)行研究，并就焊接成型和焊接接頭力學(xué)性能所受到的焊接工藝參數(shù)，例如焊接電流和焊接速度等原因的影響規(guī)律進(jìn)行了探討，利用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，在焊接AZ31B鎂合金TIG時(shí)，焊縫表面形狀與焊縫成形質(zhì)量都受到焊接工藝參數(shù)的顯著影響。焊接電流對(duì)AZ31B鎂合金薄板力學(xué)性能影響很大，電流太大或太小，都會(huì)使接頭力學(xué)性能下降。若設(shè)定焊接電流80 A，6 mm/s焊接速度，正面氬氣流量設(shè)為12 L/min，背面氬氣流量約為1.5 L/min時(shí)，焊接板厚為2.0 mm的AZ31B鎂合金能獲得焊縫成形良好、接頭力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭。在該工藝參數(shù)下，接頭的抗拉強(qiáng)度、伸長率分別達(dá)到了母材的88.6%和75.3%。

關(guān)鍵詞：薄板鎂合金；TIG焊；焊接工藝

中圖分類號(hào)：TG444.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）32-0004-02

密度小、比強(qiáng)度高、減震性好以及機(jī)械加工性能好等都是鎂合金的優(yōu)點(diǎn)，并且鎂合金在諸如機(jī)械、化工、交通、航天航空、核工業(yè)、石油設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是優(yōu)良的環(huán)保、節(jié)能材料，符含當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展要求，備受人們的關(guān)注，所以其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。我國鎂的產(chǎn)量和儲(chǔ)藏量位列前茅，所以是理所當(dāng)然的鎂出口大國，全球有40%的原鎂為我國產(chǎn)，且出口量達(dá)80%以上。但是，諸如生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)含量低、質(zhì)量不穩(wěn)定等都是我國鎂工業(yè)發(fā)展存在的問題，所以在迫切尋求如何將我國的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，以此促進(jìn)我國鎂合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。沒有加工之前，再好的材料也沒有用處，而加工過程中，焊接在結(jié)構(gòu)件成型中所占比例重大。但是鎂本身就有焊接性差的問題，此外人們對(duì)于鎂合金認(rèn)識(shí)太過膚淺，很少研究鎂合金焊接性及焊接工藝。當(dāng)前我國鎂合金應(yīng)用的瓶頸就是鎂合金焊接問題，并且世界各國都在高度重視這一問題。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

本文旨在對(duì)AZ3lB鎂合金薄板鎢極交流氬弧焊的焊接工藝進(jìn)行研究，并且首先從從焊接電流、焊接速度參數(shù)等方面入手，深入對(duì)AZ31B鎂合金薄板鎢極交流氬弧焊以及焊縫成型特點(diǎn)和焊接質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分析研究，從理論基礎(chǔ)上對(duì)鎂合金薄板鎢極交流氬弧焊焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。

在本次試驗(yàn)中，采用交流鎢極氬弧焊來進(jìn)行AZ31B鎂合金的焊接，使用的焊機(jī)為美國米勒Miller焊機(jī)Dynasty700鎢極氬弧焊機(jī)，米勒焊機(jī)生產(chǎn)已有70多年的歷史，技術(shù)成熟，焊機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定，專業(yè)性強(qiáng)，在同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位。因?yàn)殒V合金在焊接過程中很容易被周圍空氣中的氧氣氧化，所以為了減少鎂合金焊接時(shí)被氧化，保證焊接質(zhì)量，焊接時(shí)應(yīng)采用氬氣雙面保護(hù)工藝。另外，為了防止焊接變形，需要將焊件兩端用夾具固定好，同時(shí)用銅為墊板。

以熱擠壓加工后的AZ31B鎂合金板材作為試驗(yàn)的母材，試板尺寸為100 mm×50 mm×2 mm；添加的焊絲是與母材材質(zhì)相同的Φ2.0 mm AZ31鎂合金焊絲。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

焊縫的熔透狀態(tài)是衡量多數(shù)焊接接頭焊接成形質(zhì)量最重要和最根本的指標(biāo)，同時(shí)也使用適度的熔透對(duì)鎢極交流氬弧焊焊接質(zhì)量提供最基本的保證，但應(yīng)避免未焊透和燒穿。本實(shí)驗(yàn)探討AZ31B鎂合金氬弧焊焊縫熔深、熔寬、深/寬比及力學(xué)性能與工藝參數(shù)間關(guān)系。

2.1 AZ31B鎂合金焊縫成形的影響因素

焊縫熔深H，焊縫寬度B、余高a及深寬比H/B是進(jìn)行衡量所使用的最常用的焊縫形狀和尺寸。多種因素影響焊接形狀尺寸（H、B、a）這3個(gè)參數(shù)，其中，焊接工藝規(guī)范參數(shù)對(duì)其影響最大，與之相關(guān)的有焊接電流、焊接速度。本實(shí)驗(yàn)使用的是手工填絲，當(dāng)時(shí)，可以人為的針對(duì)焊接電流和焊接速度變化對(duì)焊縫余高進(jìn)行控制，所以焊縫余高基本相同。采用單面焊可以在對(duì)AZ31B薄板進(jìn)行鎢極交流氬弧焊時(shí)獲得雙面成形良好的焊縫。

根據(jù)電弧的輸入能量表達(dá)式：

E=UI/V （1）

可知，焊接電流I增加或焊接速度V減少，E值增大，熔深和熔寬均會(huì)增加。電弧除了熱源之外，還可以對(duì)熔池施力。電弧焊接過程中電弧形態(tài)和電弧壓力分布都會(huì)因?yàn)殒u極端部形狀在燒損變形而發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)焊縫熔深、熔寬及深寬比產(chǎn)生影響。

日常生產(chǎn)中，焊縫的熔寬窄、熔深大和焊接高效率都是我們所期待的。焊縫的成形受到材料的性質(zhì)、表面狀態(tài)、焊接電流、焊接速度、保護(hù)氣體流量、有無填充焊絲的影響。由于焊縫成型主要由焊接電流和焊接速度影響，由于時(shí)間和能力的關(guān)系，這里不便同時(shí)討論，下面主要探討焊縫成形受到焊接電流影響，從而獲得2 mm厚的AZ31B鎂合金薄板在其他焊接焊接參數(shù)一定的情況下的最佳焊接電流。

2.2 焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

本實(shí)驗(yàn)是在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下，研究有填充焊絲時(shí)焊接電流（70～85 A）對(duì)焊縫成形的影響。采用無填充焊絲進(jìn)行焊接時(shí)，隨著焊接電流的增加，焊縫熔深和熔寬逐漸增加。當(dāng)焊接電流為70 A時(shí)，焊縫熔深和熔寬最小，分別為1.5 mm和4.0 mm，焊縫未熔透；焊接電流增大到75 A時(shí)，熔深和熔寬都有所增加，分別為1.7 mm和5.0 mm，焊縫背面局部熔透；焊接電流為80 A時(shí)，焊縫熔深熔寬繼續(xù)增加，分別為2.0 mm和6.5 mm，焊接過程中觀察到焊接熔池運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，焊絲流動(dòng)性好，無飛濺現(xiàn)象，形成良好焊縫背面，表面上魚鱗紋焊縫良好。當(dāng)焊接電流達(dá)到85 A時(shí)，焊縫熔寬最大達(dá)到8.0 mm，焊縫熔透，所以熔深不變，為2.0 mm。所以，若使用有填充焊絲進(jìn)行焊接，需保證焊接質(zhì)量焊接電流≥70 A。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，焊接電流增大，其他條件不變，焊縫的熔深和熔寬先增加，當(dāng)焊接電流達(dá)到80 A時(shí)，焊縫的熔深已達(dá)到最大，熔寬繼續(xù)增大，而深/寬比減小，原因是焊接電流增大后，也增大了作用在工件上的電弧力以及電弧對(duì)工件的熱輸入，導(dǎo)致熱源位置向下。對(duì)熱量深度傳導(dǎo)較為有利，熔深增大；此外，電流增大到80 A后，弧柱直徑增大促進(jìn)熔寬增加，熔深因?yàn)楹讣淹耆弁付辉僭黾印Ｉ?寬比減小是因?yàn)?，隨著焊接電流的增大，熔深和熔寬都增大，但熔深增大的幅度小于熔寬增大的幅度，所以深/寬比減小。

借助TIG焊工藝試驗(yàn)對(duì)AZ31B鎂合金薄板進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)了表面波紋均勻、正面熔寬和背面熔透均勻一致的高質(zhì)量焊縫。以下為通過試驗(yàn)研究得到的關(guān)于焊接電流對(duì)焊縫成型的影響的結(jié)論：

①在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下，焊接電流為80 A時(shí)，焊縫熔透，焊縫背面成形良好，焊縫表面魚鱗紋較好。

②在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下，隨著焊接電流的增加，熔深和熔寬都增加，但深/寬比減小。

2.3 焊接電流對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

在TIG焊中，焊接電流是重要的工藝參數(shù)之一，對(duì)焊接接頭力學(xué)性能具有明顯的影響。本試驗(yàn)是在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下進(jìn)行，對(duì)有填充焊絲時(shí)焊接電流（70～85 A）對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

在有填充焊絲條件下拉伸測(cè)試成形較好的TIG焊焊接接頭，拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具夾住試樣，記錄試樣斷裂時(shí)候所需拉力，參照試件的截面積以及相關(guān)抗拉強(qiáng)度對(duì)斷裂位置進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)焊縫的性能進(jìn)行分析，衡量母材與其間強(qiáng)度差距。拉伸試驗(yàn)前須用銼子、砂子將焊接接頭的上下表面磨平，保證與母材部分平齊，避免因?yàn)榻宇^應(yīng)力集中造成錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。選擇同個(gè)焊接電流下的兩個(gè)不同部位焊縫進(jìn)行拉伸試樣試驗(yàn)，以取其平均，選擇的部分焊接接頭作拉伸試樣的拉伸。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與伸長率的變化隨焊接電流的增加而趨勢(shì)相似，都是先增后降。當(dāng)焊接電流為80 A時(shí)，出現(xiàn)最大的抗拉強(qiáng)度和伸長率為224.69 MPa和8.7%，分別達(dá)到母材的88.6%和75.3%，焊接接頭力學(xué)性能較好。但當(dāng)焊接電流增大到85 A時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長率均下降，分別為195.06 MPa和4.8%，由此可見，焊接電流為80 A時(shí)為最佳電流。

3 結(jié) 語

本論文通過對(duì)板厚2.0 mm的AZ31B鎂合金鎢極氬弧焊工藝的研究，分析了焊接因素（焊接電流、焊接速度等）對(duì)焊縫成型和焊接力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過以上的研究，可以得出以下結(jié)論：

①當(dāng)焊接電流約為80 A，焊接速度約為6 mm/s、正面氬氣流量約為12 L/min、背面氬氣流量約為1.5 L/min時(shí)，焊接板厚為2.0 mm的AZ31B鎂合金能獲得焊縫成形良好，接頭力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭。該工藝參數(shù)下接頭的抗拉強(qiáng)度、伸長率分別達(dá)到母材的88.6%和75.3%左右，該工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

②AZ31B鎂合金鎢極氬弧焊時(shí)的焊縫表面形狀和焊縫質(zhì)量收到焊接工藝參數(shù)的很大的影響。焊縫的熔寬和熔深隨焊接電流的增大而增大；焊縫的熔寬和熔深隨焊接速度的增大而減小。表面無咬邊、弧坑、未焊透等焊縫形狀缺陷、外觀成形良好、內(nèi)部無氣孔無裂紋的焊接接頭可以通過合適的焊接參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

③在進(jìn)行與母材同質(zhì)的焊絲焊接時(shí)，焊接速度不變的基礎(chǔ)上，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率都隨著焊接電流的增加而先升后降；焊接接頭的性能在焊接電流不變狀態(tài)下隨著焊接速度的增加先增后降。

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