TIG 焊接工藝參數(shù)對AZ61D 鎂合金接頭組織及力學(xué)性能的影響

吳懿萍，周志綱，劉蜜，劉澤武，鐘波

（長沙學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410022）

鎂合金剛性好，散熱快，質(zhì)量輕，熔點(diǎn)低，尺寸穩(wěn)定性高，具有良好的耐腐蝕性和電屏蔽性，且在自然界中有可觀的儲藏量。使用鎂合金制造汽車零部件可以使車重減輕、汽車尾氣的排出量降低，在國家節(jié)能減排政策背景下，鎂合金在汽車工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力［1］1-20。AZ61D鎂合金具有優(yōu)良的延伸能力和良好的比強(qiáng)度、比剛度，是一種受到廣泛應(yīng)用的變形鎂合金，但其存在易與外來物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)等缺點(diǎn)［2］21-24。鎂合金焊接時(shí)一般采用鎢極氬弧焊，即TIG 焊，因?yàn)門IG焊對板材尺寸的影響較小，而且焊接接頭的熱影響區(qū)范圍也小，能大幅度地提升焊縫的耐腐蝕能力，接頭整體性能較好［3-6］。鎂合金的表面容易形成氧化鎂薄膜，這層薄膜雖然可以起到隔絕空氣的作用，但是極易與酸堿液反應(yīng)生成重質(zhì)氧化鎂，如果處理不及時(shí)，整塊鎂合金都會被銹蝕，而采用TIG 焊能夠很好地去除氧化鎂薄膜，從而大幅度地提高焊接接頭的質(zhì)量［5，7-8］。

何臻毅等分析了4mm 厚AZ31B 鎂合金TIG 焊的焊接參數(shù)，結(jié)果顯示：TIG 焊焊接接頭的表面形態(tài)和成形質(zhì)量受焊接參數(shù)的影響較大，焊接時(shí)如果電流選擇不當(dāng)，焊接接頭的力學(xué)性能會下降［9］。徐錦鋒等發(fā)現(xiàn)，由于鎂元素在高溫下受熱會揮發(fā)，焊縫中鋁元素的占比更大，這促進(jìn)了共晶體的析出，增大了焊縫熱裂紋產(chǎn)生的傾向［10］。郭強(qiáng)等用TIG 焊雙面焊接擠壓態(tài)的AZ91D 鎂合金薄板，設(shè)置三組對比實(shí)驗(yàn)，控制薄板一面的焊接電流，使三者相同，而另一面焊接電流以10A 為一個(gè)梯度遞增，其他焊接參數(shù)不變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有焊接試樣的表面都出現(xiàn)了不同程度的焊接缺陷［11］。李洋用TIG 焊雙面焊接AZ61 鎂合金薄板，結(jié)果顯示：由于應(yīng)力集中，薄板裂紋隨著化合物β-Mg17Al12的熔化而產(chǎn)生［12］。李彩霞等研究AZ91D 鎂合金TIG 焊焊接實(shí)驗(yàn)受熱輸入的影響，結(jié)果顯示：逐步提高熱輸入，焊縫成形質(zhì)量也逐步提高，焊接接頭焊縫區(qū)的晶粒逐漸增大，晶界上β-Mg17Al12析出相逐漸由網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植迹?3］。吳小俊等對AZ31B 鎂合金薄板進(jìn)行TIG 焊焊接實(shí)驗(yàn)的過程中，焊接接頭中部分鎂元素出現(xiàn)了氧化燒損的現(xiàn)象，該現(xiàn)象降低了焊縫處的剪切強(qiáng)度，焊縫接頭為脆性準(zhǔn)解理斷裂形式［14］。吳軍偉等對Mg-5Gd-3Y 鎂合金進(jìn)行TIG 焊，結(jié)果顯示：在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的電流區(qū)域內(nèi)，得到的接頭質(zhì)量最理想時(shí)采用的焊接電流是175A，此時(shí)焊接接頭可達(dá)到的強(qiáng)度與母材相差無幾，焊縫區(qū)的晶粒尺寸小于母材，產(chǎn)生的熱影響區(qū)范圍很小，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度相近［15］。

在焊接的過程中，由于技術(shù)工人的操作水平有限或者采用的焊接參數(shù)不當(dāng)，AZ61D 鎂合金的焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋、夾渣等焊接缺陷，這會導(dǎo)致焊縫的成形效果不佳，合金板材的力學(xué)性能降低。文章對AZ61D 鎂合金板材進(jìn)行TIG 焊，通過金相顯微鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了金相、拉伸和硬度實(shí)驗(yàn)，來探討最適合AZ61D 鎂合金的焊接參數(shù)，并分析出焊接速度和焊接電流對焊縫成形、焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

焊接板材選用熱擠壓態(tài)AZ61D 鎂合金，表1 為鎂合金中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。板材尺寸為170mm×100mm×4mm，采用兩塊板材進(jìn)行TIG焊接，焊絲選擇WE33M 鎂合金焊絲。圖1 為擠壓態(tài)AZ61D 鎂合金金相組織，晶粒呈等軸狀，晶粒的平均尺寸約為6μm。合金組織主要由α-Mg 固溶體以及晶界處些許的金屬間化合物β-Mg17Al12構(gòu)成［10］。

表1 AZ61D 鎂合金中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位：%

圖1 AZ61D 母材的顯微組織

1.2 焊接實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用交流TIG 焊機(jī)進(jìn)行雙面對焊，對鎂合金板材正反面選用三組一樣的焊接電流，分別為50A、65A、80A。交流電源的頻率為80Hz，鎢絲的直徑為2mm，保護(hù)氣體為一級純氬，氬氣流量為10L/min?？刂齐娀￠L度盡量穩(wěn)定在2mm 左右。由于鎂合金的表面通常會存在氧化鎂薄膜，操作人在焊接開始前先用丙酮對鎂合金表面進(jìn)行清除油漬操作，焊接后用1 000CW 的砂紙對上表面和下表面的焊縫兩邊25mm 左右進(jìn)行打磨，直到其露出金屬般的亮澤。文章的焊接實(shí)驗(yàn)不需進(jìn)行焊前預(yù)熱。

1.3 力學(xué)性能檢測

焊接接頭的硬度打點(diǎn)分布情況見圖2，在每個(gè)焊接試樣的縱向設(shè)置三排試點(diǎn)，每排從熱影響區(qū)到焊縫區(qū)依次取七個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測試，取其平均值為最終結(jié)果。維氏硬度儀的載荷設(shè)定為100g，保荷10s。進(jìn)行硬度測試之前，用砂紙將試樣的上下兩面打磨光滑，然后平放在載物臺上，以確保實(shí)驗(yàn)精度。

圖2 焊接接頭硬度打點(diǎn)

操作人對金相組織進(jìn)行鑲樣、磨樣和拋光等步驟，獲得拋光面無劃痕的觀察面，再對其進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑為混有5g 檸檬酸的100mL 的4%硝酸酒精，腐蝕持續(xù)時(shí)間大約為5 分鐘。然后將已經(jīng)腐蝕過的樣品放置于MSX2 明美倒置金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，拍攝各個(gè)區(qū)域的金相組織微觀圖片，并依次進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)采用數(shù)控電火花切割機(jī)床來制備拉伸試樣，在切割的過程中，應(yīng)保證焊接接頭的焊縫處在拉伸試樣最中心的位置。試樣的具體尺寸見圖3（厚度為4mm），文章從每個(gè)不同的焊接制度下取三個(gè)拉伸件，緩慢地進(jìn)行拉伸，通過三個(gè)拉伸件強(qiáng)度和伸長率的平均值來分析焊接接頭的力學(xué)性能。

圖3 拉伸試樣尺寸（單位：mm）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

實(shí)驗(yàn)采取熔深H、熔寬B以及深寬比H/B來測定焊縫的成形質(zhì)量。理論上，如果熔寬越狹窄、熔深越大，則實(shí)測結(jié)果越理想。圖4（a）、4（b）為焊件在不同焊接電流下各個(gè)焊縫成形參數(shù)的對照圖。由對照圖可知，當(dāng)設(shè)置焊接速度恒定在85mm/min 時(shí)，焊接電流與熔寬、熔深呈正相關(guān)，焊件的熔寬、熔深隨焊接電流的調(diào)高而逐漸增大。這是由于在其他條件不變的情況下，焊接電流增大會帶入更多的電弧熱，焊接熔池受到的來自電弧的作用力也會增大，并且焊接時(shí)電弧的形態(tài)及壓力會因?yàn)殒u極端部燒損產(chǎn)生的局部變形而發(fā)生改變，最終影響焊接熔池的形狀，即使得熔深與熔寬發(fā)生改變；當(dāng)加大焊接熱輸入時(shí)，熔池尺寸也隨之增大，而熔深方向增加量更多，故深寬比增大。

圖4 不同焊接電流下的熔深和熔寬及深寬比

圖5（a）、5（b）為焊件在不同焊接速度下各個(gè)焊縫成形參數(shù)的對照圖。由對照圖可知，當(dāng)設(shè)置焊接電流恒定在65A 時(shí)，焊件的熔寬和熔深受焊接速度的影響較大，在焊接速度不斷加快的同時(shí)，焊件的熔寬以及熔深也在逐步地減小。這是因?yàn)樵谄渌附訁?shù)不變的情況下，焊接速度越大則帶入熔池的電弧熱就越少，而且焊件的熱源位置出現(xiàn)上移的情況，阻礙了電弧熱量縱向的傳導(dǎo)，使熔深變?。辉偌又附铀俣鹊奶岣邷p小了焊接電弧的弧柱直徑，繼而使其熔寬變??；相比之下，熔深比熔寬減少得更多，故深寬比也減小。

圖5 不同焊接速度下的熔深和熔寬及深寬比

2.2 工藝參數(shù)對接頭組織的影響

由圖6 可知，在焊接速度恒定為85mm/min的情況下，焊縫區(qū)的組織受到不同大小的焊接電流影響。焊縫區(qū)的晶粒隨焊接電流增大而逐步增大，同時(shí)晶界上的β-Mg17Al12析出相顯著減少，因?yàn)樵诤附铀俣缺３趾愣ú蛔儠r(shí)，焊接過程中的熱輸入會隨焊接電流的不斷增大而有所增大，同時(shí)熔池的散熱速率降低，焊件在高溫下的停留時(shí)間會延長，這就加速了低熔點(diǎn)的析出物熔化，從而降低了晶界上的β相數(shù)量，晶粒在長大的過程中因受到的來自β相的阻礙降低而粗化。

圖6 焊接速度為85mm/min 時(shí)，受不同焊接電流影響的焊縫區(qū)微觀組織

圖7 揭示了焊接電流為65A 時(shí)，焊縫區(qū)組織受焊接速度影響的規(guī)律。隨著焊接速度有規(guī)律地增加，焊縫區(qū)的晶粒變得越來越細(xì)，同時(shí)晶界上的β-Mg17Al12析出相顯著增多。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，組織晶粒的大小以及β析出相的數(shù)量都與焊接速度呈負(fù)相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)討論的范圍內(nèi)，焊接速度越慢，則晶粒尺寸越大，β相越多；焊接速度越快，則晶粒尺寸越小，β相越少。在焊接電流一定時(shí)，焊接速度越快則熱輸入越低，且焊件在高溫階段的停留時(shí)間縮短，β相增多，因此晶粒在長大的過程中因受到的來自β析出相的阻礙增大而細(xì)化。

圖7 焊接電流為65A 時(shí)，受不同焊接速度影響的焊縫區(qū)微觀組織

2.3 工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能的影響

圖8 為焊件的顯微硬度改變趨勢圖。如圖所示，母材硬度為96HV 時(shí)，在焊接接頭的各個(gè)區(qū)域中，硬度最高的是焊縫區(qū)，硬度最低的是熱影響區(qū)，母材的硬度居中。焊縫區(qū)組織晶粒細(xì)小，且該區(qū)域的晶界上也析出了較多細(xì)小的β相，起到了細(xì)晶強(qiáng)化的效果，從而使焊縫區(qū)的硬度高于其他區(qū)域。熱擠壓態(tài)的合金對焊接熱作用更敏感，在高溫的作用下，晶粒開始長大，硬度逐漸降低。

圖8 不同焊接制度下，焊件的顯微硬度平均值

文章進(jìn)行焊件的拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9 所示。母材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為300MPa、155MPa、20%。由圖9 可知，當(dāng)焊接電流保持恒定不變時(shí)，隨著焊接速度的加快，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率都會呈現(xiàn)先升高后慢慢下降的趨勢。焊接電流為50A、焊接速度為85mm/min 的時(shí)候，焊件力學(xué)性能達(dá)到了最大值，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率分別是193MPa、120MPa 和2.9%，分別是母材對應(yīng)指數(shù)的64%、77%和14.5%。焊接接頭在不同制度下拉斷時(shí)“無預(yù)兆”，且伸長率皆小于5%，故為脆性斷裂，脆性斷裂產(chǎn)生的原因可能是焊接接頭未焊透或存在其他焊接缺陷。

圖9 不同焊接制度下焊件的拉伸力學(xué)性能結(jié)果

2.4 掃描斷口分析

文章進(jìn)行焊件拉伸斷口形貌分析，結(jié)果如圖10 所示。其中圖10（a）、10（b）是焊接電流為65A、焊接速度為60mm/min 時(shí)的拉伸斷口，從圖中可看到明顯的凹洞，存在撕裂棱，應(yīng)屬準(zhǔn)解理斷裂。圖10（c）、10（d）是焊接電流為50A、焊接速度為85mm/min 的拉伸斷口，斷口表面粗糙不平，同時(shí)存在撕裂棱與韌窩，受斷裂區(qū)域內(nèi)各個(gè)方向的晶粒影響，各個(gè)韌窩的形狀都不一樣。在光學(xué)顯微鏡下，可以看到有夾渣存在于焊縫的斷口中，夾渣可能是在斷口截取的過程中帶來的或是在焊接操作時(shí)摻入的，焊縫斷口中含有的異物會降低焊接接頭的強(qiáng)度，也會促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。

圖10 不同焊接制度下拉伸斷口的微觀形貌

3 結(jié)論

文章通過改變工藝參數(shù)，對AZ61D 鎂合金TIG 焊接頭組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

（1）AZ61D 鎂合金TIG 焊焊縫由α-Mg 固溶體和少許的金屬間化合物β-Mg17Al12組成，與母材相結(jié)構(gòu)一致。焊縫區(qū)為細(xì)小的等軸晶粒，熱影響區(qū)為粗大的過熱組織。

（2）不同焊接參數(shù)下AZ61D 鎂合金TIG 焊焊縫的成形效果有明顯的差異。保持焊接速度為85mm/min 不變，當(dāng)焊接電流從50A 逐漸加大至80A，熔深、熔寬和深寬比會隨之增大；保持焊接電流為65A 不變，當(dāng)焊接速度從60mm/min 逐漸加大至120mm/min，熔深、熔寬和深寬比會隨之減小。

（3）當(dāng)焊接電流為50A、焊接速度為85mm/min時(shí)，焊接接頭力學(xué)性能最佳，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率依次為193MPa、120MPa、2.9%，分別達(dá)到了母材對應(yīng)指數(shù)的64%、77%和14.5%。此焊接制度下，焊件拉伸斷口粗糙不平，撕裂棱和韌窩并存。