AZ91磁控A-TIG焊電弧形態(tài)及焊接接頭組織性能*

蘇允海， 艾星宇， 宋碧倩

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、剛性好、易回收等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在汽車、航空航天和運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間.但是鎂合金自身的物理化學(xué)特性導(dǎo)致其焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，因而不容易獲得高質(zhì)量的焊接接頭.因此，提高鎂合金焊接性，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭是非常必要的[4].

磁控焊接是近些年逐漸發(fā)展并趨于完善的一種新焊接技術(shù).中外許多學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)熔池起到電磁攪拌作用.當(dāng)磁場(chǎng)參數(shù)適當(dāng)時(shí)，能夠改變?nèi)鄢亟饘俚牧鲃?dòng)，控制晶粒的生長(zhǎng)，從而細(xì)化晶粒并全面提高焊接接頭的綜合性能[5-6].傳統(tǒng)TIG焊熔深較淺，熔敷率較低，不利于提高生產(chǎn)效率.A-TIG焊是一種新的焊接技術(shù)且備受各國學(xué)者關(guān)注.TiO2活性劑可以作用于熔池并有效增加熔深.本文采用高速攝影技術(shù)在A-TIG磁控焊接中研究了磁場(chǎng)和活性劑對(duì)鎂合金焊接接頭組織性能的影響，并對(duì)磁場(chǎng)和活性劑的作用機(jī)理進(jìn)行了初步分析和討論.本文將磁場(chǎng)和活性劑同時(shí)應(yīng)用于鎂合金A-TIG焊過程中，通過對(duì)電弧形態(tài)和焊接接頭的組織性能進(jìn)行分析，揭示了磁場(chǎng)和活性劑對(duì)AZ91鎂合金焊縫組織性能的影響規(guī)律與作用機(jī)理.

1 材料及方法

選用AZ91鎂合金板材作為焊接母材，鎂合金板材尺寸為50 mm×100 mm×5 mm，其化學(xué)成分為w(Al)=8.3%～9.7%，w(Zn)=0.35%～1%，w(Mn)=0.15%～0.5%，余量為Mg.

本文采用TiO2活性劑，且其涂覆量分別為1、2、3、4和5 mg/cm2.采用電子天平稱量活性劑粉末并溶于適量酒精中，利用刷子將活性劑溶液涂覆于試板上并靜置24 h.對(duì)涂覆了活性劑的試板進(jìn)行自動(dòng)A-TIG焊焊接，所用焊機(jī)為WSE-500型逆變焊機(jī).焊接時(shí)在試板下施加縱向磁場(chǎng)，且所加磁場(chǎng)由MCWE-10/100型耦合磁控設(shè)備提供.在焊接過程中工件固定不動(dòng)，焊槍隨小車移動(dòng)，并對(duì)試板表面進(jìn)行單道熔敷.在具體焊接過程中焊接電流為70～90 A，焊接速度為100 mm/min，氣體流量為15 L/min.為了分析磁場(chǎng)和活性劑對(duì)電弧的影響，采用Phtron Ultima512型高速攝影機(jī)對(duì)電弧進(jìn)行檢測(cè).高速攝影鏡頭與試件間的距離為800 mm，拍攝幀數(shù)為2 000幀，在鏡頭前加裝中灰密度鏡，并使鏡頭軸線與試件處于同一平面內(nèi)，高速攝影機(jī)具體擺放位置示意圖如圖1所示.

圖1 高速攝影機(jī)擺放位置示意圖Fig.1 Schematic placing position of high-speed camera

利用Carl Zeiss AXIO Observer A1m型金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織.利用HD-187.5型維氏硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭的顯微硬度.利用MAXima XRD-7000型X射線衍射儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行物相分析.

2 結(jié)果及分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形系數(shù)的影響

焊縫橫截面上焊縫寬度與焊縫深度的比值稱為焊縫成形系數(shù).焊縫成形系數(shù)可以用來反映焊縫成形性和焊接接頭性能的優(yōu)劣.利用正交設(shè)計(jì)軟件繪制不同工藝參數(shù)下焊縫熔深、熔寬與成形系數(shù)的正交因數(shù)指標(biāo)曲線，結(jié)果如圖2所示.由圖2a可見，隨著磁場(chǎng)電流的增加，焊縫成形系數(shù)變化較為平緩.當(dāng)磁場(chǎng)電流為1.5 A時(shí)，成形系數(shù)達(dá)到最大值.由圖2b可見，當(dāng)磁場(chǎng)頻率低于30 Hz時(shí)，隨著磁場(chǎng)頻率的增加，焊縫成形系數(shù)先增加后減小.當(dāng)磁場(chǎng)頻率為50 Hz時(shí)，焊縫成形系數(shù)達(dá)到最大值.由圖2c可見，隨著焊接電流的增加，焊縫成形系數(shù)變化不大，曲線趨于平緩.當(dāng)焊接電流為85 A時(shí)，焊縫成形系數(shù)達(dá)到最大值.由圖2d可見，隨著活性劑涂覆量的增加，焊縫成形系數(shù)開始急劇增大，當(dāng)涂覆量為2 mg/cm2時(shí)，成形系數(shù)達(dá)到最大值，此后，焊縫成形系數(shù)逐漸降低.

由正交因數(shù)指標(biāo)曲線可知，當(dāng)磁場(chǎng)電流為1.5 A，焊接電流為85 A，磁場(chǎng)頻率為50 Hz，涂覆量為2 mg/cm2時(shí)，焊縫成形系數(shù)相對(duì)較大.成形系數(shù)過大或過小都會(huì)造成焊縫成形性較差.當(dāng)成形系數(shù)在最大值與最小值之間且滿足A-TIG焊成形系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為最佳成形系數(shù).結(jié)合焊后焊縫表面成形狀態(tài)可知，當(dāng)成形系數(shù)處于4.5～5之間時(shí)，焊縫成形性良好.

2.2 工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響

采取正交試驗(yàn)對(duì)焊接電流、磁場(chǎng)電流、磁場(chǎng)頻率和涂覆量進(jìn)行優(yōu)化，得到焊縫硬度的正交因數(shù)曲線，結(jié)果如圖3所示.

由圖3a可見，隨著焊接電流的增加，焊縫硬度曲線整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)焊接電流為80 A時(shí)，焊縫硬度達(dá)到最大值68.88 HV.當(dāng)焊接電流高于80 A時(shí)，焊縫硬度整體呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)焊接電流為90 A時(shí)，焊縫硬度曲線出現(xiàn)了上翹現(xiàn)象.這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流較小時(shí)，熱輸入過低，不利于合金元素的固溶，固溶強(qiáng)化效果較差，因而焊接接頭性能偏低.隨著焊接電流的增加，晶粒得到細(xì)化且固溶強(qiáng)化效果明顯，從而可以提高焊接接頭性能.但隨著焊接電流的進(jìn)一步增加，熱輸入隨之增加，熔池高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，晶粒生長(zhǎng)時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致組織粗大，因而焊接接頭性能偏差.由圖3b可見，隨著磁場(chǎng)電流的增加，焊縫硬度先減小后增大再減小.當(dāng)磁場(chǎng)電流為1.5 A時(shí)，焊縫硬度能夠達(dá)到最大值68.02 HV.這是因?yàn)楹线m的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁攪拌作用使得焊縫處的晶粒得到細(xì)化，因而焊縫性能得到提升.然而隨著磁場(chǎng)電流的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大.此時(shí)在電磁阻尼作用下熔池的運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生改變，使得焊縫區(qū)組織變得粗大，從而降低了焊縫的力學(xué)性能.由圖3c可見，焊縫硬度隨著磁場(chǎng)頻率的增加先增加后減小，當(dāng)磁場(chǎng)頻率為30 Hz時(shí)，焊縫硬度達(dá)到最大值68.62 HV.由圖3d可見，焊縫硬度隨活性劑涂覆量的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化趨勢(shì).觀察圖3d可知，當(dāng)涂覆量為3 mg/cm2時(shí)，焊縫硬度達(dá)到最大值67.84 HV.由于氧化物活性劑會(huì)改變焊接熔池的流動(dòng)方式，使得熔池金屬從表面向中心流動(dòng)，當(dāng)活性劑涂覆量過大時(shí)，會(huì)增加焊接熱輸入，從而造成焊縫組織粗大，因而會(huì)降低焊接接頭的力學(xué)性能.

圖2 焊縫熔深、熔寬與成形系數(shù)的正交因數(shù)指標(biāo)曲線Fig.2 Orthogonal factor index curves of weld penetration，weld width and forming factor

圖3 焊縫硬度的正交因數(shù)指標(biāo)曲線Fig.3 Orthogonal factor index curve of hardness of welded seam

由焊縫硬度的正交因數(shù)曲線可以得到在最佳焊接工藝參數(shù)下磁場(chǎng)電流為1.5 A，磁場(chǎng)頻率為30 Hz，焊接電流為80 A，涂覆量為3 mg/cm2.經(jīng)試驗(yàn)可知，在最佳焊接工藝參數(shù)下焊縫硬度最大值為68.88 HV.

2.3 電弧形態(tài)與活性劑作用形式

由于高速攝影機(jī)的拍攝幀數(shù)為2 000幀，而交流鎢極氬弧焊的工作頻率為50 Hz，因此，在一個(gè)0.02 s的電弧周期內(nèi)高速攝影機(jī)能夠拍攝到40張圖像，在每個(gè)電弧周期內(nèi)選取間隔相同的8張照片進(jìn)行分析，并按照照片張數(shù)進(jìn)行編號(hào).為了分析焊接工藝參數(shù)對(duì)電弧形態(tài)的影響，選取3組工藝參數(shù)進(jìn)行分析.第1組參數(shù)中磁場(chǎng)電流為1.5 A，磁場(chǎng)頻率為10 Hz，焊接電流為70 A，活性劑涂覆量為1 mg/cm2；第2組參數(shù)為最佳焊接工藝參數(shù)；第3組參數(shù)中磁場(chǎng)電流為5.5 A，磁場(chǎng)頻率為40 Hz，焊接電流為80 A，活性劑涂覆量為2 mg/cm2.

不同工藝參數(shù)下的電弧形態(tài)如圖4所示.由圖4可見，在3組工藝參數(shù)下電弧均發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這是縱向磁場(chǎng)對(duì)電弧施加的洛倫茲力所致.圖4中不同參數(shù)下的拍攝條件完全一致，都是對(duì)移動(dòng)電弧進(jìn)行靜態(tài)拍攝，但不同焊接參數(shù)下電弧形態(tài)不盡相同.由圖4a可見，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，電弧弧柱區(qū)較寬，電弧收縮并不明顯.由圖4b可見，在最佳工藝參數(shù)下電弧的旋轉(zhuǎn)半徑最小，電弧的挺度最高，且陽極斑點(diǎn)偏移最小.由圖4c可見，隨著磁場(chǎng)電流的增大，電弧的偏移程度逐漸加劇，電弧陽極斑點(diǎn)也隨著漂移，這種變化使得電弧整體旋轉(zhuǎn)半徑變大[7]，同時(shí)焊接試板上實(shí)際施焊區(qū)域隨之增大，單位面積吸收熱量減少，焊接接頭熔寬變大、熔深變小，從而導(dǎo)致外加磁場(chǎng)的作用無法起到正向作用.

液態(tài)金屬在熔池中的流動(dòng)方式對(duì)熔池的形成具有極大影響，而熔池金屬流動(dòng)方式主要由表面張力梯度決定[8].圖5為表面張力系數(shù)對(duì)熔深的影響.由圖5a可見，當(dāng)在A-TIG焊過程中熔池表面張力系數(shù)為負(fù)值時(shí)，即焊接金屬熔化狀態(tài)下的表面張力具有負(fù)的張力梯度時(shí)，熔池表面金屬從焊縫中心向四周流動(dòng)，因而形成了寬且淺的焊接形貌.由圖5b可見，當(dāng)選用TiO2為活性劑時(shí)，熔池表面張力系數(shù)為正值，活性劑中含有的O元素為Mg的活性元素，能夠使得液態(tài)熔池由自中心向邊緣的流動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛇吘壪蛑行牡牧鲃?dòng)方式，從而將電弧更多的熱量傳遞到熔池底部，使得用于熔化熔深方向的熱量增加，因而焊縫的熔深增加.

圖4 不同工藝參數(shù)下的電弧形態(tài)Fig.4 Arc morphologies under different technological parameters

圖6為焊縫截面的實(shí)測(cè)圖(單位：mm).由圖6可見，焊縫形貌不是普通的弧形而是上下幾乎呈直線形貌，這也證明了TiO2作用于熔池表面可以增加熔深.

2.4 顯微組織分析

通常認(rèn)為，顯微組織的變化會(huì)引起材料力學(xué)性能的變化.圖7為不同焊接工藝參數(shù)下焊縫的顯微組織.由圖7可見，在活性劑和縱向交流磁場(chǎng)的聯(lián)合作用下，鎂合金焊縫組織發(fā)生了顯著變化.由圖7a可見，母材組織呈亮白色，且未發(fā)現(xiàn)黑色析出相.由圖7b、c可見，焊縫組織由亮白色初生相和黑色第二相組成，晶界處存在網(wǎng)狀第二相聚集的現(xiàn)象，基體被分割成塊狀.非最佳焊接工藝下焊縫組織中的黑色析出相較少.其中：在第1組非最佳焊接工藝中磁場(chǎng)電流為2.5 A，磁場(chǎng)頻率為40 Hz，焊接電流為90 A，活性劑涂覆量為1 mg/cm2；在第2組非最佳焊接工藝中磁場(chǎng)電流為4.5 A，磁場(chǎng)頻率為50 Hz，焊接電流為80 A，活性劑涂覆量為1 mg/cm2.由圖7d可見，在最佳焊接工藝參數(shù)下，焊縫組織中的黑色析出相明顯增多，焊縫組織得到明顯細(xì)化，此時(shí)焊縫硬度達(dá)到最大值.此外，共晶組織數(shù)量也明顯增多且呈顆粒狀均勻分布在晶界處，從而進(jìn)一步提高了焊縫的力學(xué)性能，此時(shí)焊縫成形系數(shù)為4.62，焊縫成形性良好.由于在縱向交流磁場(chǎng)作用下，在原有沿焊接方向上的熔池流動(dòng)速度的基礎(chǔ)上，附加了一個(gè)側(cè)向速度，因此，焊接熔池的總流動(dòng)速度大于未施加磁場(chǎng)時(shí)的熔池流動(dòng)速度.另外，隨著熔池邊界與熱源距離的變小，固液界面前沿的溫度梯度也會(huì)增加[9].冷卻速度由于電弧的旋轉(zhuǎn)而顯著增加，因而在磁場(chǎng)作用下晶?？梢缘玫郊?xì)化.

圖5 表面張力系數(shù)對(duì)熔深的影響Fig.5 Effect of surface tension coefficient on penetration

圖6 焊縫截面的實(shí)測(cè)圖Fig.6 Actual measurement image of section of welded seam

圖7 不同焊接工藝參數(shù)下焊縫的顯微組織Fig.7 Microstructures of welded seam under different welding technological parameters

圖8為最佳焊接工藝參數(shù)下焊接接頭的SEM形貌.由圖8可見，熱影響區(qū)的晶粒尺寸明顯大于焊縫區(qū)的晶粒尺寸.這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)在焊接過程中不發(fā)生相變，吸收的大量熱量多用于晶粒生長(zhǎng)，因而晶粒尺寸較大.

圖8 最佳焊接工藝參數(shù)下焊接接頭的SEM形貌Fig.8 SEM images of welded joints under optimal welding technological parameters

為了確定焊縫中的物相組成，對(duì)焊縫縱截面進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖9所示.由圖9可見，焊縫區(qū)的物相由α-Mg固溶體和β-Al12Mg17金屬間化合物構(gòu)成.根據(jù)合金元素組成及衍射峰特點(diǎn)，可以判定β-Al12Mg17為第二相.

圖9 焊縫的XRD圖譜Fig.9 XRD spectrum of welded seam

3 結(jié) 論

通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

1) 在縱向磁場(chǎng)和氧化物活性劑聯(lián)合作用下，AZ91鎂合金焊接接頭的顯微組織得到明顯細(xì)化，力學(xué)性能得到提高.在最佳焊接工藝參數(shù)中磁場(chǎng)電流為1.5 A，磁場(chǎng)頻率為30 Hz，焊接電流為80 A，涂覆量為3 mg/cm2，且此時(shí)焊縫硬度最大值為68.88 HV，焊縫成形系數(shù)為4.62.

2) 當(dāng)TiO2活性劑作用于熔池時(shí)，焊縫熔深得到增加.施加縱向磁場(chǎng)會(huì)使電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對(duì)焊接熔池起到電磁攪拌作用，晶粒細(xì)化效果明顯，但磁場(chǎng)過大會(huì)影響電弧穩(wěn)定性，進(jìn)而影響焊縫成形性及組織性能.