AZ31鎂合金交流脈沖TIG焊接組織與性能研究

王文杰　李曉航　侯政良　王偉　潘亮　李全林

【摘 要】采用交流脈沖TIG焊對(duì)AZ31鎂合金進(jìn)行焊接，利用光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡對(duì)其焊縫組織進(jìn)行觀察，通過拉伸試驗(yàn)對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。結(jié)果表明：焊接電流為60A得到的焊接接頭成形良好，未出現(xiàn)裂紋，焊縫組織均勻;焊縫主要組織為α-Mg固溶體和β-Mg17Al12沉淀相混合物，沉淀相呈亮白色在晶界處點(diǎn)狀析出，分散較為均勻;焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)為180MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的80%，力學(xué)性能良好，可以滿足工程構(gòu)件應(yīng)用需要。

【關(guān)鍵詞】AZ31鎂合金;TIG焊接;組織;性能

中圖分類號(hào)： TG407文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0072-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.034

Microstructure and Properties of Arc Pulsed TIG Welding AZ31 Magnesium Alloy

WANG Wen-jie1 LI Xiao-hang2 HOU Zheng-liang1 WANG Wei3 PAN Liang4 LI Quan-Lin5

（1.Department of naval equipment，Beijing 100021，China;

2.Representative Office in Xian，PLA，Xian Shaanxi 710032，China;

3.Xian Technological University，Xian Shaanxi 710021，China;

4.Representative Office in Sate-owned 845 Factory，PLA，Xian Shaanxi 710032，China;

5.Shanxi Disel Engine Industry Company Ltd，Datong Shanxi 030032，China）

【Abstract】AC pulse Tungsten inert gas welding were performed on AZ31 magnesium alloy.The microstructure of welded joints were investigated by optical and scanning electro microscopy.The tensile strength were analyzed by tensile taster.The result showed that the welding current reached 60A and the welded joint was well without any cracks.The microstructure of welding joint consist of α solid solution and Mg17Al12.The average tensile strength values of welding joint reached to 180MPa with good mechanical properties.

【Key words】AZ31 magnesium;TIG welding;Microstructure;Property

0 前言

鎂合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度，優(yōu)良的電磁屏蔽性和加工性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)療器械、汽車零件等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-2]。輕質(zhì)的高強(qiáng)度材料在汽車工業(yè)中減重降耗和性能提升中發(fā)揮重要作用，并且可以實(shí)現(xiàn)零污染回收，在未來發(fā)展中有很大的空間。材料的廣泛應(yīng)用不僅取決于自身良好的性能，而且也依賴于良好的成形技術(shù)。鎂合金的焊接是鎂合金產(chǎn)品中關(guān)鍵技術(shù)之一，焊接接頭的質(zhì)量關(guān)系著結(jié)構(gòu)件的使用安全，因此，鎂合金的焊接技術(shù)對(duì)于鎂合金的廣泛應(yīng)用起著很大的作用[3-4]。

鎂合金由于熔點(diǎn)較低、導(dǎo)熱快、熱膨脹系數(shù)大，其焊接性能相對(duì)較差，在焊接過程中容易出現(xiàn)氣孔、氧化夾雜等缺陷。AZ31鎂合金應(yīng)用較為廣發(fā)，焊接過程中Al、Zn元素的存在使得結(jié)晶溫度區(qū)間增加，共晶間化合物增多，在應(yīng)力集中的情況下容易產(chǎn)生裂紋[5-6]。因此對(duì)于鎂合金焊接工藝的探究對(duì)于提高焊縫的質(zhì)量有很重要的意義。

近年來對(duì)于解決鎂合金的連接問題，科研人員使用了多種不同的焊接方法，TIG焊、電子束焊、激光焊和摩擦攪拌焊等。鎂合金進(jìn)行電子束焊和激光焊，焊縫變形小，熱影響區(qū)小，焊縫成形美觀，接頭強(qiáng)度相比于其他焊接方法有很大的提高，但是設(shè)備昂貴，焊前對(duì)工件的表面處理和裝配要求嚴(yán)格，不適合于廣泛工業(yè)應(yīng)用。等離子弧焊熱輸入量高，相比于電子束焊和激光焊成本上具有優(yōu)勢，但是相對(duì)于廣泛工業(yè)應(yīng)用來說TIG焊能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接，得到美觀、平滑的優(yōu)質(zhì)焊縫，設(shè)備維護(hù)成本低、焊接效率高，更適合于工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。劉黎明[7]等人采用變極性等離子弧焊對(duì)AZ31B變形鎂合金板材進(jìn)行連接，焊接接頭成形較好，焊縫組織均勻，接頭中主要合金元素Al、Zn在焊縫中均勻分布。劉勝新[8]等人在氦-氬混合氣體保護(hù)下對(duì)AZ31鎂合金板進(jìn)行TIG焊，試驗(yàn)表明采用混合氣體TIG焊接電弧穩(wěn)定，陰極清理作用明顯，氧化膜易于破碎，合理的工藝參數(shù)下可獲得良好的焊縫。溫軍[9]等人采用TIG焊對(duì)10mm厚的AZ31鎂合金板進(jìn)行了對(duì)接和十字角焊接，結(jié)果表明焊接熱影響區(qū)存在典型過熱組織，晶粒粗大，焊縫區(qū)域主要為晶粒細(xì)小的極冷組織，疲勞裂紋萌生于焊縫表面氣孔位置。

本研究采用交流脈沖TIG焊對(duì)AZ31鎂合金薄板進(jìn)行焊接，在60～80A電流參數(shù)下進(jìn)行試焊，得出良好的成形焊縫和焊接工藝參數(shù)，并對(duì)其焊縫組織進(jìn)行分析和焊接接頭強(qiáng)度進(jìn)行測試。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用厚度為2mmAZ31鎂合金薄板，所用的焊絲與母材同質(zhì)直徑為1.5mm，母材與焊絲成分如表1所示。

表1 ZA31鎂合金板材及焊絲化學(xué)成分

焊接前將板材表面進(jìn)行打磨，去除氧化物，酒精清洗后再進(jìn)行焊接。焊接采用交流脈沖進(jìn)行焊接，氣體采用99.9%純氬氣，氣體流量為10mL/min，其它焊接參數(shù)如表2所示。焊后對(duì)在焊縫處取10×8×2mm試樣砂紙打磨、拋光，利用苦味酸4.2g、冰醋酸10ml、蒸餾水10ml、乙醇70ml，配成的苦味酸腐蝕液腐蝕試樣5～10s。在VEGA Ⅱ XMU型掃描電子顯微鏡進(jìn)行焊接組織觀察。采用長春機(jī)械科學(xué)研究院的DDL300電子萬能試驗(yàn)機(jī)焊接試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，拉伸速率1mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 AZ31鎂合金焊接接頭組織分析

在焊接電流60A下所得的焊縫沒有裂紋，對(duì)此進(jìn)行焊接接頭的顯微組織進(jìn)行分析。如圖1是脈沖電流為60A的AZ31鎂合金焊接接頭金相照片，可以看出焊接接頭分為母材區(qū)、熱影響區(qū)和熔化區(qū)，接頭處未出現(xiàn)裂紋。熱影響區(qū)晶粒明顯變大，這是因?yàn)榘宀慕?jīng)過軋制后晶粒擠壓變形變得不穩(wěn)定，在焊接狀態(tài)下受到熱輸入的影響，晶粒明顯長大，粗大的晶粒組織在后續(xù)的拉伸過程中可能會(huì)成為薄弱區(qū)，在熱影響區(qū)優(yōu)先于焊縫區(qū)發(fā)生斷裂。

圖1 AZ31鎂合金焊縫顯微組織

如圖2所示，為焊縫的顯微組織形貌，在焊接過程中由于熱輸入量的輸入和鎂合金低熔點(diǎn)、散熱快的物理特性，母材吸收大量熱發(fā)生熔化，在凝固過程中導(dǎo)熱系數(shù)大、散熱快，從而導(dǎo)致了焊縫區(qū)的晶粒細(xì)化形成類似鑄造過程中的極冷組織，晶粒得到細(xì)化。細(xì)小晶粒的焊縫組織，提高了焊縫的力學(xué)性能，在拉伸過程中不易發(fā)生斷裂，提高了焊縫的抗拉強(qiáng)度。

圖2 AZ31鎂合金焊縫區(qū)顯微組織

圖3 AZ31鎂合金焊縫區(qū)SEM

圖4 AZ31鎂合金焊縫區(qū)EDS

圖3為鎂合金焊縫區(qū)SEM形貌圖，圖中可以看出主要組織有兩種相，主要由灰色的基體相和分布于基體組織白色析出相組成。對(duì)兩種不同的相進(jìn)行了EDS能譜分析，如圖4所示，區(qū)域1中灰色基體相中主要元素為Mg，為α-Mg相基體;區(qū)域2白量色析出相中除了高含量的主要元素Mg外Al元素明顯增多，為Mg17Al12析出相，該析出相沿α相晶界處點(diǎn)狀析出。在焊接冷卻過程中，Al原子通過擴(kuò)散，隨著單相α-Mg固溶體繼續(xù)冷區(qū)，Mg-Al化合物β-Mg17Al12開始從α-Mg固溶體中沉淀析出[9]。因此，AZ31鎂合金焊縫組織為α-Mg固溶體和β-Mg17Al12沉淀相混合物，沉淀相呈亮白色在晶界處點(diǎn)狀析出，分散較為均勻。

2.2 焊接接頭力學(xué)性能測試

對(duì)母材和電流60A焊接接頭進(jìn)行了拉伸性能測試，從圖5中可以看出母材的抗拉強(qiáng)度約為225MPa，焊接接頭三組抗拉強(qiáng)度平均為180MPa，相當(dāng)于母材的80%，平均延伸率為3.8%。拉伸試驗(yàn)中，所有的試樣都斷裂在熱影響區(qū)處，因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)晶粒受熱后，晶粒急劇長大使得熱影響區(qū)的晶粒粗大，在拉伸過程中粗大的晶粒間會(huì)發(fā)生斷裂。交流脈沖TIG焊電流為60A時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的80%，該焊接接頭力學(xué)性能良好，可以滿足工程構(gòu)件需要。

圖5 AZ31母材與焊接接頭拉伸曲線

3 結(jié)論

1）交流脈沖TIG焊可以對(duì)2mmAZ31鎂合金薄板進(jìn)行焊接，焊接電流60A時(shí)的工藝參數(shù)所得的焊縫形貌良好未出現(xiàn)裂紋。

2）AZ31鎂合金焊縫組織為α-Mg固溶體和β-Mg17Al12沉淀相混合物，沉淀相呈亮白色在晶界處點(diǎn)狀析出，分散較為均勻。

3）交流脈沖TIG焊接AZ31鎂合金，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為180MPa，為母材的80%，接頭力學(xué)性能良好。

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