AZ31B鎂合金CMTCycleStep焊接接頭組織和性能研究

中圖分類號：TG444 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240407

Research on the Microstructure and Properties of AZ31B Magnesium Alloy CMT Cycle Step Welded Joint

Huang Changjun'， Tang Weineng'，Wu Lei'， Han Mingming2 （1.TechnologyCente，BaosteelMetalCo.，td.，hanghaOo94O;2.WeldingBusinessUnit，FronusItellgentEqipt （Shanghai） Co.，Ltd.， Shanghai 200940）

Abstract：This paper investigates the microstructure，mechanical properties and elemental distribution of welded joints using the CMT Cycle Step process with AZ81 filer wire for AZ31B magnesium aloy extruded plates to develop newwelding technologiesfor magnesium aloys.Comprehensive characterization isperformed throughoptical microscopy，Vickers hardness tester，tensile testing machine，Scaning Electron Microscopy （SEM）and EnergyDispersive X-ray Spectroscopy （EDS）.Theexperimental results demonstratethatuniformand regular fish-scale patterns are formed on the weld surface.The weld zone primarily consists of α-Mg phase with discontinuous eutectic structures at grainboundaries.WhileZnelement distribution shows no significant concentration diferenceacross the base metal，fusion zone，andweld zone，Al element exhibitsmarkedly higherconcentration intheweld region compared tothe base material.The maximum hardness is observedinthe weld zone，with adistinct softening phenomenon characterizedbysignificant hardnessreduction intheHeat-Affected Zone （HAZ）.The tensilestrengthof the welded joint reaches levels comparable to the base material.Tensile fractures occur in the HAZ，presenting pure shear fracture surfaces with morphological features indicative of ductile fracture characteristics.

Keywords：Magnesiumalloy，CMTCycle Stepprocess，Metallographic structure，Mechanical properties， Fracture morphology

1前言

的比強度和比剛度、良好的阻尼性能、可循環(huán)再利用性、較好的電池屏蔽性和優(yōu)異的加工性能，在航空航天、交通運輸、3C電子、軍工和能源等領域展鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有較高現出廣闊的應用前景[1-3]。然而，鎂合金在焊接過程中易產生氧化物夾雜、焊縫下榻及微裂紋等缺陷，嚴重制約了鎂合金的推廣4。冷金屬過渡焊（ColdMetalTransfer，CMT）技術是以熔滴短路過渡為基礎的改進型熔化極氣體保護焊，具有熱輸入量低、熔敷率高以及焊接穩(wěn)定性好的優(yōu)點，在有色金屬焊接中應用廣泛。

吳曉明等對AZ31B鎂合金進行了鎢極惰性氣體保護（TungstenInertGas，TIG）焊研究，發(fā)現焊接接頭平均抗拉強度達到 217MPa ，為母材的87.96% ，且焊接接頭彎曲性能良好。 Hu^[7] 等利用電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）相機及電信號采集系統研究了AZ31B焊絲CMT電弧特性，揭示了焊接電弧在熔池和熔滴之間呈不對稱的鐘形，以及直流（DirectCurrent，DC）-CMT不同送絲速度下的穩(wěn)定焊接條件。穆森等采用交流CMT焊接AZ31B軋制板材，以直徑為 1.2mm 的AZ31作為填充焊絲，獲得了平直均勻的焊縫，并通過高速攝像機與焊接信號采集系統觀察了焊接過程，發(fā)現交流CMT焊接為短路過渡，且熔化等量焊絲時負半波能量僅為正半波能量的 36%

冷金屬過渡循環(huán)步進（CMTCycleStep）工藝作為一種在傳統CMT基礎上發(fā)展而來的技術，不僅能夠精確控制CycleStep內CMT循環(huán)熔滴的數量，還能設置熔滴間的間隔時間，從而實現極低的熱輸入。目前，將該技術應用于鎂合金焊接的報道較少，本文擬采用CMTCycleStep工藝，以Al元素質量分數較高的AZ81為焊絲，研究對AZ31B鎂合金的焊接效果，探討AZ31B鎂合金焊接接頭顯微組織和力學性能。

2 試驗材料與方法

本文焊接設備采用Fronius公司的TPS400i焊機且具備CMTCycleStep工藝許可，配套使用Yaskawa公司的AR2010型焊接機器人系統。在焊接過程中，采用純度為 99.99% 的氬氣作為保護氣體，流量為 24L/min ，以充分保護焊縫區(qū)域，避免氧化和污染，確保焊接質量。

試驗材料選用尺寸為 200mm×100mm×4.2mm 的擠壓態(tài)AZ31B鎂合金板材，填充焊絲選用AZ81焊絲，直徑為 1.2mm ，構成母材及填充焊絲的化學元素如表1所示。在試驗準備階段，首先對2片板料的拼接處進行機加工，形成 70^° 的V形坡口。去除板料距離拼接部位 20mm 內的表層氧化皮，并用酒精擦拭去除雜質，確保焊接質量。為減小變形并更加精確地控制焊縫間隙，采用自制試驗夾具，將2片板料固定成對接接頭，確保焊縫間隙精確控制在 1.2mm 。在對接焊接時，焊縫長度方向與板料的擠壓方向保持一致。

通過大量工藝調試試驗，確定了表2所示的工藝參數，獲得了單面焊接雙面成型的良好效果。焊接完成后，去除焊接過程中產生的焊渣和飛濺物。為對焊接接頭的組織進行金相分析，使用體積分數為 4% 的硝酸酒精溶液對焊縫進行腐蝕，然后使用基恩士VHX-7000金相顯微鏡進行觀察。硬度測試采用BuehlerVH1102維氏硬度機，載荷為1.96N，保持時間為 10s 。

采用ZwickZ100材料試驗機，以 1mm/min 的拉伸速率對試樣進行拉伸試驗，以評估焊接接頭的力學性能。試樣拉伸斷裂后，采用蔡司熱場發(fā)射掃描電鏡SIGMA500對斷口形貌進行分析，同時，為精確分析化學成分，采用EDAXEDS設備進行焊縫的能譜分析。

3試驗結果與分析

3.1 接頭組織分析

焊縫的外觀形貌如圖1a所示，表面形成了較 為規(guī)則的魚鱗紋，無咬邊、氣孔、裂紋等明顯缺陷， 圖1b為焊縫截面，焊縫背呈水滴狀隆起

圖2為AZ31B的CMTCycleStep焊接接頭金相顯微組織，其中，圖2a為焊縫中心區(qū)域，其放大圖像如圖2b所示。在焊縫區(qū)域中，可觀察到細小且均勻的等軸晶，此外，焊縫中心區(qū)域還存在大量共晶組織，多以不連續(xù)的網狀結構沿等軸晶的晶界處分布，這與Liu[所研究的情況相吻合。同時，焊縫區(qū)還散布有細小的顆粒狀析出相，零星分布在晶粒內部或晶界處。

在焊接過程中，由于冷卻速度非常快，合金以較高速度結晶，導致結晶過程為非平衡狀態(tài)，最終形成了遠離平衡態(tài)的組織結構。特別是在L相到a相的轉變過程中， Ω_a-Mg 中的Al元素未能擴散均勻，在尚未凝固的液相中富集，并超過了溶解度極限，進而在凝固組織中形成共晶結構。

圖3為熔合區(qū)顯微組織，其左側為熱影響區(qū)，右側為焊縫區(qū)。在熔合區(qū)附近的焊縫中，未觀察到明顯的柱狀晶組織，在左側的熱影響區(qū)內，可明顯觀察到晶粒長大，同時第二相顆粒也出現了粗化的跡象。這是由于焊接熱循環(huán)中，組織受過熱影響，其溫度遠高于母材的再結晶溫度，導致晶界發(fā)生遷移，進而長大。

圖4為AZ31B母材的顯微組織，母材為熱擠壓的AZ31B型材，其微觀組織均勻，晶粒尺寸約為20～50μm 。母材的晶粒內以 Ω_a-Mg 為基體，第二相顆粒 β-M_G17Al₁₂ 相彌散分布在晶粒內部和晶界處。

當焊縫中熔池凝固時，晶粒形核首先以非自發(fā)方式依附于熔合區(qū)附近加熱至半熔化狀態(tài)的母材晶粒表面。由于使用了AZ81焊絲，其較高的Al含量使焊絲熔滴與母材混合后形成的熔池具有更高的溶質濃度，導致固-液界面前的液相出現更大的成分過冷。同時，鎂合金的高熱導率促使焊接產生的熱量迅速傳導，熔池中形成更高的冷卻速率，從而促使結晶形態(tài)向等軸晶轉變。

圖5為焊縫區(qū)共晶組織及基體元素分布情況，共晶組織中 Mg 元素濃度相對較低，Al元素濃度相對較高， Z_n 元素在共晶組織與基體中的濃度沒有明顯差別。Liu對焊縫區(qū)進行了分析，認為該共晶組織主要為 Mg₁₇Al₁₂ 相[11]。

圖6為焊縫熔合區(qū)能譜儀（Energy-Dispersivex -raySpectroscopy，EDS）面掃描分析結果，可知Mg 、A1及 Z_n 元素在熔合區(qū)的濃度。 Mg 元素和 Z_n 元素在母材、熔合區(qū)及焊縫區(qū)濃度沒有明顯差異。A1元素在焊縫區(qū)域的濃度顯著高于母材，母材中存在零星高亮的Al元素聚集區(qū)，結合圖4a分析，該高亮的聚集區(qū)很可能為 β-M_G17Al₁₂ 析出相顆粒。

3.2焊接接頭的硬度分布

圖7為焊接接頭的硬度分布，由圖7可知，焊縫中心區(qū)域的硬度最高，平均硬度為 62.8HV ，隨著位置逐漸靠近熔合區(qū)，硬度值急劇下降。在靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)內，出現了1個硬度明顯降低的軟化區(qū)，其硬度值約為 45.4HV ，明顯低于母材 （52.3HV ）。整體而言，焊接接頭的硬度分布呈中間焊縫區(qū)高、兩邊低的趨勢。焊縫區(qū)獲得了更加細小的等軸晶組織，由于鎂合金強度對晶粒尺寸非常敏感，且Hall-Petch關系式中鎂合金具有較高的晶界強化系數，因此，晶粒的細化有效提高了焊縫區(qū)的強度[12]。相反，在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的晶粒發(fā)生粗化，局部區(qū)域強度降低，從而出現焊接接頭軟化區(qū)。此外，焊接過程中熱輸入量對焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒尺寸的大小有影響[13]。

3.3焊接接頭拉伸性能

圖8為AZ31B母材及焊接接頭的應力-應變曲線，其拉伸性能數據如表3所示。采用CMTCycleStep工藝焊接AZ31B鎂合金，并以AZ81為填充焊絲，所得焊接接頭的抗拉強度為264.4MPa ，母材抗拉強度為 266.4MPa ，焊接接頭的抗拉強度達到母材強度的 99.2% ，與母材幾乎相當。此外，焊接接頭的屈服強度為 99.6MPa ，延伸率為 12.8% 。

3.4 斷口形貌分析

對焊接接頭進行拉伸測試，斷裂發(fā)生在焊接接頭焊縫附近的熱影響區(qū)，如圖9a所示，在熱影響區(qū)的斷裂部位觀察到明顯的頸縮紋理，斷口面與拉伸軸向約成 45^° ，如圖9b所示。試樣表面斷口處的明顯頸縮是塑型變形的重要標志。由于鎂合金具有較低的抗剪切強度極限，在拉伸力作用下， 45^° 平面上的切應力達到最大，因此，斷裂沿此平面發(fā)生，形成純剪切斷口。拉伸斷裂出現在熱影響區(qū)，說明該區(qū)域為焊接接頭的薄弱位置，焊接熱循環(huán)是導致熱影響區(qū)成為薄弱位置的根本原因。

圖10a為焊接接頭拉伸試樣斷裂后的斷口，存在大量被拉斷的纖維“小峰\"形貌，在纖維“小峰”頂部觀察到的韌窩如圖10b所示，可觀察到明顯的韌性斷裂特征，韌窩是材料在微區(qū)范圍內發(fā)生塑性變形時產生的顯微空洞，這些空洞經過形核、長大和聚集，最終相互連接導致斷裂，并在斷口表面留下的痕跡。韌窩特征的形成機理為空洞聚集，即材料內部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長大并與其他空洞連接，形成韌窩斷口。纖維“小峰”的腰部或底部觀察到的臺階紋理是在應力作用下滑移系滑移的結果，如圖10c所示。

4結論

a.AZ31B鎂合金采用CMTCycleStep工藝焊接后，接頭焊縫區(qū)呈現細小的等軸晶組織，且存在大量共晶組織，這些共晶組織多以不連續(xù)的網狀結構分布于等軸晶晶界處。同時，焊接接頭的熱影響區(qū)晶粒出現明顯的粗化現象。

b.元素分布方面， Z_n 元素在母材、熔合區(qū)及焊縫區(qū)之間的濃度無明顯差異，而AI元素在焊縫區(qū)域的濃度顯著高于母材。

c.焊縫中心區(qū)域的硬度最高，平均硬度達到62.8HV ，隨著靠近熔合區(qū)，硬度值急劇下降。熱影響區(qū)出現了硬度明顯降低的軟化區(qū)，其硬度值約為 45.4HV ，明顯低于母材 52.3HV ）。

d.采用CMTCycleStep工藝，以AZ81作為填充焊絲焊接AZ31B鎂合金，所得焊接接頭的抗拉強度為 264.4MPa ，強度達到母材的 99.2% O

e.焊接接頭在拉伸試驗中于熱影響區(qū)發(fā)生斷裂，表現為純剪切斷裂模式，斷口存在大量被拉斷的纖維“小峰\"形貌，其頂部布滿大量韌窩，顯示出明顯的韌性斷裂特征，此外，在纖維“小峰”的腰部或底部觀察到斷裂臺階紋理

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