壓鑄AZ91D鎂合金TIG焊接氣孔研究

游國(guó)強(qiáng)，杜 娟，陳 磊，王向杰

（1重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044；2重慶大學(xué) 國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶400044）

鎂合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、回收性能好、無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、航空航天和電子行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。隨著鎂合金結(jié)構(gòu)件的廣泛應(yīng)用，鎂合金的焊接問(wèn)題已越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注，特別是壓鑄鎂合金的焊接氣孔問(wèn)題［3－8］。目前工程應(yīng)用最多的是壓鑄AZ91D鎂合金，由于壓鑄工藝固有的特點(diǎn)，使得鎂合金中含有大量的氣體，從而使氣孔成為壓鑄鎂合金焊接時(shí)最主要的問(wèn)題。因此，通常認(rèn)為壓鑄鎂合金是不宜熔化焊接的，這在很大程度上限制了鎂合金壓鑄件在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于壓鑄鎂合金焊接氣孔問(wèn)題的研究較少，而國(guó)外的研究相對(duì)較多［4－8］。Mikuchi等［4］的研究表明，AZ91鎂合金中的氣孔率與溶解在合金中的H含量有關(guān)。Zhao等［5，6］對(duì)壓鑄鎂合金激光焊氣孔問(wèn)題進(jìn)行了研究，認(rèn)為壓鑄鎂合金激光焊氣孔來(lái)源于母材原始?xì)饪自谌鄢刂械呐蛎浥c合并。而Marya等［7］的研究卻表明，氣孔率隨焊接速率的變化存在極大值。Wahba等［8］的研究結(jié)論是，焊縫氣孔主要來(lái)源于母材中的氣體，實(shí)驗(yàn)得出母材和焊縫中的氣體主要為N2。單際國(guó)等［9－11］對(duì)壓鑄鎂合金激光焊接進(jìn)行了一系列研究，認(rèn)為壓鑄鎂合金焊接氣孔主要為H氣孔，焊縫氣孔率變化的總體趨勢(shì)是，隨著激光功率的增大而升高；當(dāng)激光功率不變時(shí)，隨著焊接速率的升高，壓鑄鎂合金激光焊縫氣孔率明顯降低。本課題組的前期研究表明［12－15］，壓鑄鎂合金焊接氣孔的氣體主要是N2，并對(duì)焊縫氣孔的形成機(jī)制和焊縫氣孔的減少措施進(jìn)行了初步探索，但有關(guān)熔合線附近大氣孔的形成機(jī)理仍不明了。因此，有必要對(duì)壓鑄鎂合金焊接氣孔問(wèn)題做進(jìn)一步的研究。

本工作以工程應(yīng)用最多的壓鑄AZ91D為研究對(duì)象，采用TIG焊接工藝對(duì)其進(jìn)行自熔焊接，研究焊接電流對(duì)氣孔傾向的影響，探討焊縫不同區(qū)域的氣孔形貌特點(diǎn)及形成機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

選用尺寸為70mm×50mm×6mm的壓鑄AZ91D鎂合金板作為實(shí)驗(yàn)材料，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 AZ91D鎂合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table1 Chemical composition of AZ91Dmagnesium alloy（mass fraction／%）

采用YC－300WPTIG焊機(jī)對(duì)鎂合金板進(jìn)行自熔焊接，焊接電流分別為60，80，100，120A，焊接速率為4.8mm／s。焊接過(guò)程中，試件兩端用夾具固定，下面放置帶凹槽的銅制冷卻墊板，同時(shí)采用純度為99.9%的氬氣對(duì)試樣表面進(jìn)行保護(hù)，流量為10L／min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental process

焊前對(duì)試樣表面進(jìn)行處理，去除表面氧化膜、油脂和其他污物，使之露出金屬光澤表面；焊后截取試樣的典型部位制作金相試樣。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊縫氣孔形貌及分布特征；采用粒徑分析軟件Nano measurer 1.2測(cè)量焊縫中不同類(lèi)型氣孔的尺寸，利用計(jì)算機(jī)附帶軟件畫(huà)圖板中的網(wǎng)格法測(cè)量焊接接頭的凸起面積和熔化區(qū)面積，并計(jì)算焊縫橫截面的氣孔率，取同一焊接電流下5個(gè)橫截面的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣孔形貌特征

2.1.1 焊縫橫截面形貌

圖2為不同焊接電流下焊縫橫截面的宏觀形貌，電流分別為60，80，100A和120A。可以看出，壓鑄AZ91D鎂合金TIG焊接氣孔問(wèn)題嚴(yán)重，氣孔主要分布在焊縫近表面和熔合線附近（半熔化區(qū)），只有當(dāng)焊接電流很大時(shí)（120A），焊縫中心才會(huì)出現(xiàn)明顯的氣孔缺陷。由于焊縫中存在大量的氣孔，焊縫凸起現(xiàn)象較嚴(yán)重。

2.1.2 焊縫縱截面形貌

圖3為實(shí)驗(yàn)得到的焊縫縱截面（斷口）SEM照片?？梢钥闯?，在焊縫近表面區(qū)域，氣孔尺寸相對(duì)較小，截面近似圓形，如圖3中黑色實(shí)線上部分所示。而在焊縫中下部分區(qū)域，氣孔尺寸較大，形狀不規(guī)則，根部細(xì)小，上部相對(duì)較大，呈現(xiàn)出明顯拉長(zhǎng)、上浮狀態(tài)，如圖3黑色實(shí)線下部分所示。

2.1.3 氣孔的微觀形貌

焊縫中的氣孔可以分為微觀氣孔和宏觀氣孔。圖4為焊縫橫截面和縱截面中的微觀和宏觀氣孔形貌。微觀氣孔主要是氫致氣孔［12，13］，其氣孔數(shù)量較多，尺寸較小，氣孔截面呈圓形，內(nèi)壁光滑。宏觀氣孔主要遺傳于母材中的原始?xì)饪s孔（以N2為主）［14，15］，氣體來(lái)源主要是母材壓鑄過(guò)程卷入的空氣，氣孔數(shù)量較少，尺寸較大，形狀不規(guī)則，內(nèi)壁有金屬?zèng)_刷痕跡。

2.2 焊接電流對(duì)氣孔的影響

利用計(jì)算機(jī)附帶軟件畫(huà)圖板中的網(wǎng)格法測(cè)量不同焊接電流、同一焊接速率下焊接接頭凸起面積和熔化區(qū)面積，取同一焊接電流下的5個(gè)橫截面的平均值為其最終結(jié)果。將得出的面積與焊接電流的關(guān)系繪制曲線，如圖5（a）所示。并計(jì)算出不同焊接電流下的氣孔率（本文采用凸起面積與母材熔化面積的比值作為氣孔率），結(jié)果如圖5（b）所示。

從圖5可以看出，在本工作所選用的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，隨著TIG電流的增大，接頭凸起面積、熔化區(qū)面積和氣孔率均不斷增加。且當(dāng)焊接電流由100A增加到120A時(shí)，三者的增幅最大。分析認(rèn)為，焊接電流增大，金屬的熔化量不斷增加［9］，由于母材中含有大量的氣體，從而溶入到熔池中的氣體含量增多，氣泡的膨脹程度也增大。同時(shí)，電弧焊接時(shí)，電弧對(duì)熔池表面產(chǎn)生作用力。隨著焊接電流的增大，電弧施加到熔池表面的壓力增大，降低氣泡向上浮出的速率，從而增大氣泡滯留在焊縫中的幾率。

圖2 不同焊接電流下焊縫橫截面的宏觀形貌 （a）60A；（b）80A；（c）100A；（d）120A Fig.2 Macro－morphologies of weld cross－section with different welding currents（a）60A；（b）80A；（c）100A；（d）120A

圖3 焊縫縱截面氣孔形貌及分布Fig.3 Morphology and distribution of pores in weld longitudinal－section

圖4 焊縫橫截面（a）和縱截面（b）微觀和宏觀氣孔的SEM照片F(xiàn)ig.4 Images of micro－pores and macro－pores in weld cross－section（a）and longitudinal－section（b）

圖5 不同焊接電流下焊接接頭的凸起面積、熔化區(qū)面積（a）和氣孔率（b）Fig.5 The convexity area，melting area（a）and porosity（b）of welded joints with various welding currents

2.3 氣孔的形成機(jī)理

2.3.1 焊縫近表面氣孔

由文獻(xiàn)［12－15］可知，焊縫近表面氣孔主要是氫致氣孔，H主要來(lái)源于母材，少部分來(lái)自空氣及保護(hù)氣體中的水分。由于H在鎂中的溶解度隨溫度的降低而明顯降低［16］，在焊后的冷卻過(guò)程中，隨溫度的降低，H不斷從金屬液體中析出，在凝固前沿形成富H區(qū)域，最終以氣泡的形式析出。同時(shí)，由于鎂合金熱導(dǎo)性強(qiáng)［17］，焊縫金屬冷卻速率快，導(dǎo)致氣泡在焊接熔池冷卻時(shí)來(lái)不及逸出，遺留在焊縫中形成氣孔。

2.3.2 焊縫中心區(qū)氣孔

該區(qū)域受電弧熱影響溫度較高，母材金屬全部轉(zhuǎn)化為液體。TIG焊接時(shí)，該區(qū)域預(yù)存氣孔內(nèi)的氣體轉(zhuǎn)化為氣泡，并不斷膨脹，其氣泡受力示意圖如圖6所示。Fb和Ff分別表示氣泡受到的浮力和流體力，箭頭表示流體的運(yùn)動(dòng)方向［18］。由于此區(qū)域金屬全是液態(tài)，氣泡上浮的阻礙較小，且氣泡受到向上的流體力與浮力作用，并處于電弧的攪拌作用下［19］，三者的共同作用有利于氣泡的上浮與逸出，因此，在焊縫中心氣孔缺陷較少。但當(dāng)焊接電流很大時(shí)（120A），焊縫中心出現(xiàn)大量的氣孔（圖2）。推測(cè)認(rèn)為，這是由于電流的增大，溶入熔池的氣體含量增加，且熔深變大，氣泡浮出距離變長(zhǎng)，同時(shí)，電弧對(duì)熔池表面產(chǎn)生的壓力增加，從而使形成的氣泡越難逸出，增加焊縫中形成氣孔的幾率。

圖6 焊縫中心區(qū)的氣泡受力示意圖Fig.6 Schematic illustration of forces acting on thebubble in the center of weld

2.3.3 半熔化區(qū)氣孔

在半熔化區(qū)，氣泡受到向上的浮力和沿熔合線向下的流體力作用，其合力指向焊縫中心線［14］。流體沿著熔合線向下流動(dòng)，阻礙氣泡向上浮出。且鎂合金的密度小，氣泡受到的浮力小，不利于氣泡上浮和逸出。同時(shí)，由于半熔化區(qū)受母材影響，溫度相對(duì)較低，處于固－液兩相共存狀態(tài)，液體金屬的黏度大。根據(jù)Stocks公式［20］，氣泡的逸出速率Vb為

式中：g為重力加速度；r為氣泡半徑；ηl為液體金屬黏度；ρl為液體金屬密度；ρg為氣泡密度。由公式（1）可知，氣泡的逸出速率與鎂合金液的黏度成反比，黏度越大，氣泡的逸出速率越小。液體金屬黏度增大，增加了氣泡上浮和逸出的難度。氣泡在上浮的過(guò)程中，會(huì)有兩個(gè)或多個(gè)氣泡相撞并發(fā)生合并［5］，從而導(dǎo)致氣泡滯留在半熔化區(qū)，成為大氣孔。

圖7為半熔化區(qū)氣孔的SEM形貌。該部位氣孔起源于半熔化區(qū)，然后向焊縫區(qū)擴(kuò)展、長(zhǎng)大［12］，從形貌上看呈現(xiàn)出明顯的拉長(zhǎng)、上浮狀態(tài)，部分氣孔在長(zhǎng)大過(guò)程中還有合并現(xiàn)象。

圖7 半熔化區(qū)氣孔的SEM形貌Fig.7 Morphologies of pores in the partially melted zone by SEM

3 結(jié)論

（1）壓鑄AZ91D鎂合金焊接氣孔主要集中在焊縫近表面和熔合線附近，但當(dāng)電流很大時(shí)（120A），焊縫中心出現(xiàn)明顯的氣孔缺陷。

（2）隨著焊接電流的增大（焊接速率相同），焊接接頭的凸起面積、熔化區(qū)面積以及氣孔率均不斷增加。

（3）在焊縫近表面主要是氫致氣孔，其H主要來(lái)自母材、空氣、保護(hù)氣體中的水分；在焊縫中心，氣泡受到向上的流體力和浮力作用，上浮速率較快，氣孔問(wèn)題并不嚴(yán)重；在半熔化區(qū)，氣泡受到阻礙其上浮運(yùn)動(dòng)的流體力作用，同時(shí)液態(tài)金屬的黏度較大，增加了氣泡上浮逸出的難度，從而導(dǎo)致氣泡滯留在半熔化區(qū)，成為大氣孔。

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