趙紅凱，肖 鋒，楊旭東，魯 維，李敏拓

(1.北京星航機(jī)電設(shè)備廠，北京100074；2.重慶理工大學(xué) 材料界面物理化學(xué)研究所，重慶400050；3.艾美特焊接自動化技術(shù)(北京)有限公司，北京 102202)

AZ31B鎂合金厚板變極性等離子加絲焊接接頭性能分析

趙紅凱1，肖 鋒2，楊旭東3，魯 維1，李敏拓3

(1.北京星航機(jī)電設(shè)備廠，北京100074；2.重慶理工大學(xué) 材料界面物理化學(xué)研究所，重慶400050；3.艾美特焊接自動化技術(shù)(北京)有限公司，北京 102202)

采用變極性等離子方法焊接AZ31B鎂合金，研究了焊接接頭的微觀組織、元素分布、斷口形貌、接頭強(qiáng)度和硬度等。結(jié)果表明，AZ31B鎂合金變極性等離子加絲焊接接頭沒有明顯的熱影響區(qū)，焊縫成“V”字形；接頭成形良好，焊縫為細(xì)小的等軸晶，沒有發(fā)現(xiàn)大面積區(qū)域偏析，無脆性相Mg17Al12，但有Al、Mn相；焊接過程鎂元素含量變化導(dǎo)致焊縫中鋁含量的升高，而Mn、Zn元素含量基本不變；拉伸試驗斷裂在熔合區(qū)，斷口表現(xiàn)為混合斷裂，沒有氣孔和裂紋；焊縫硬度大于母材但小于熔合區(qū)硬度，沿熔深方向硬度沒有明顯變化。

鎂合金；變極性等離子焊接；組織性能

0 前言

鎂合金具有較高的比強(qiáng)度與比剛度、密度低、無磁性、防震、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和易回收等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車、摩托車和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料[1-3]。由于鎂合金焊接過程中易產(chǎn)生粗晶、氧化、蒸發(fā)、裂紋、氣孔等缺陷，因此，選擇一種適合于鎂合金特點(diǎn)的焊接方法是制造鎂合金結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵。

變極性等離子焊接是一種高能密度焊接方法，它可以獨(dú)立地設(shè)置正向焊接和反向陰極霧化時間，加大焊接熔深和合理調(diào)配陰極清理密度。小孔效應(yīng)為氧化膜和氣孔提供了溢出的孔道，從而保證了焊接質(zhì)量和焊接效率[4-5]。因此，用變極性等離子焊接方法焊接鎂合金有著不可比擬的優(yōu)勢。

雖然目前已有采用變極性等離子方法焊接AZ31B鎂合金的報道[6-8]，但是主要集中在鎂合金薄板(5 mm以下)以及自熔焊接兩個方面，未見報道厚板(8 mm以上)變極性等離子加絲焊接。為此對變極性等離子焊接技術(shù)加絲焊接AZ31B鎂合金進(jìn)行深入分析，為采用變極性等離子加絲焊接AZ31B鎂合金厚板提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也為鎂合金結(jié)構(gòu)件的工程化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試驗

試驗采用8 mm厚的AZ31B鎂合金軋制態(tài)板材，試樣尺寸300 mm×150 mm。焊前先用丙酮清洗被焊件正、反兩面，去掉表面油脂，再用不銹鋼鋼刷清理表面氧化皮。選用艾美特變極性等離子焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由LWV-1000立臥兩用縱縫、XM系統(tǒng)控制器、XVC-6自動弧長控制器、X-FEEDER送絲系統(tǒng)以及AMET變極性等離子焊接電源VPC-450組成。焊接過程中采用立式向上焊接，雙面氬氣保護(hù)熔池。實(shí)驗采用對接方式，填充金屬為AZ31B鎂合金焊絲，直徑2.0 mm，AZ31B鎂合金板材及鎂合金焊絲成分為：w(Al)＝3.0%，w(Zn)＝0.95%，w(Mn)＝0.40%，w(Si)＝0.04%，余量為Mg。

試驗應(yīng)用φ 3.2 mm鎢極，內(nèi)縮量控制在3.4± 0.1mm，焊接電流165～200A，等離子氣流量0.8～1.5L／min，焊接速度150～190mm／min，送絲速度500～600mm／min。變極性等離子小孔法焊接的鎂合金焊縫外形均勻，焊縫與母材過渡平穩(wěn)，正面飽滿無咬邊現(xiàn)象，背面余高均勻合適，焊縫宏觀形貌如圖1所示。

圖1 焊縫正、背面宏觀形貌

焊接接頭拉伸試驗在5582型精密萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗機(jī)的最大負(fù)載為100 kN。顯微硬度在HVS-1000型顯微硬度儀上測量，實(shí)驗力范圍0.098～9.8 N，加載方式為自動加載。微觀顯微組織在OLYMPUS GX51型倒置金相顯微鏡上觀察。接頭合金元素分析采用JSM-6460LV型掃描電鏡。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1 接頭組織分析

如圖2a所示，母材是經(jīng)過軋制后形成的，其組織晶粒呈纖維狀。圖2c所示的焊縫區(qū)由細(xì)小的等軸晶組成，是典型的鑄造急冷組織。從圖2b中可以看出，該區(qū)晶粒大小與母材晶粒大小相當(dāng)，無明顯的晶粒長大跡象，無過熱組織出現(xiàn)。過渡區(qū)呈現(xiàn)出母材和焊縫的混合特征，在晶界與晶粒內(nèi)部有黑色的第二相析。焊縫正面與焊縫背面晶粒大小變化不明顯。

圖2 AZ31B鎂合金顯微組織

等離子弧是一種部分電離的氣體射流，在適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)條件下，等離子弧射流沖透熔池形成中間具有小孔的穿孔熔池，隨著焊接的進(jìn)行，穿孔熔池前方母材金屬不斷熔化，并沿著穿孔兩側(cè)流向穿孔的后方，然后匯聚，形成焊件正、背面皆具有焊縫的穿孔型等離子弧焊接過程。

圖2c中生成了等軸晶，一方面是由于焊接熔池這種動態(tài)的平衡過程以及電弧對熔池的攪動作用，另一方面由于鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)大(154 W／m·k)，散熱快，而本實(shí)驗又采用了水冷循環(huán)系統(tǒng)對焊接工裝進(jìn)行冷卻，促使焊接熱及時傳導(dǎo)，使焊縫區(qū)金屬快速凝固結(jié)晶，進(jìn)一步導(dǎo)致了焊縫區(qū)的晶粒細(xì)化，因此在焊縫區(qū)得到細(xì)小的等軸晶；在圖2b所示的過渡區(qū)，由于等離子弧的作用集中，導(dǎo)致母材與焊縫過渡區(qū)范圍窄，鎂合金熱導(dǎo)率大使熔合區(qū)晶粒來不及長大，未出現(xiàn)過熱組織，過渡區(qū)狹窄沒有明顯的熱影響區(qū)。但近縫區(qū)金屬由于受到焊接熱循環(huán)作用，鋁、錳等合金元素固溶到鎂基體中。由于冷卻速度快，合金元素來不急完全擴(kuò)散，所以在金屬內(nèi)部和晶界處沒有大面積的第二相析出，但仍有少量第二相析出，從圖2b中可以看出，過渡區(qū)呈現(xiàn)母材與焊縫的混合特征。

為了進(jìn)一步了解焊縫組織特征，對焊縫區(qū)金屬進(jìn)行了X射線衍射分析，如圖3所示。結(jié)果表明，焊縫為鎂的單相組織(δ-Mg)，沒有明顯的Mg17Al12相或其他雜質(zhì)的存在。這一結(jié)果說明焊縫中的Al、Zn、Mg等元素主要是以固溶的形式分散在鎂基中。

圖3 X射線衍射分析

2.2 焊縫區(qū)元素分析

鎂的沸點(diǎn)為1 107℃，鋁的沸點(diǎn)為2 056℃，等離子弧柱溫度高達(dá)1×105℃，所以在等離子焊接過程中鎂合金的燒損比較嚴(yán)重?？紤]到焊縫中鎂的損失將改變其化學(xué)成分，使鋁含量相對增加，導(dǎo)致了脆性相(Mg17Al12)連續(xù)析出的可能，而影響焊縫的力學(xué)性能。為此，對焊縫區(qū)做了面掃描。掃描區(qū)如圖4所示，各元素分布如圖5所示。

圖4 焊縫掃描區(qū)域

圖5 合金元素面分布圖

從圖4可看出在晶粒內(nèi)部和晶界上有第二相存在。圖5a為鎂基，圖5b是Al元素彌散地分布在鎂基中，圖5c中顯示微量的Zn分布在鎂基中，而圖5d顯示少量的Mn分布在鎂基中。結(jié)合圖5可以看出，各種元素整體上分布均勻，沒有明顯的偏析現(xiàn)象。一方面是由于焊接過程中等離子弧對焊縫熔池的攪拌作用；另一方面，AZ31B鎂合金變極性等離子焊接采用立式向上的焊接方法，熔池是一種向下流動的動態(tài)平衡過程，為元素的擴(kuò)散提供了時間。從圖4中可以看見白色塊狀第二相物質(zhì)，結(jié)合圖5分析出白色塊狀物質(zhì)為Al-Mn相和Mg-Al相。從圖3的衍射分析中為發(fā)現(xiàn)第二相存在。這是因為母材中Al元素對Mn元素的親和力強(qiáng)，Al-Mn相的形成造成焊縫貧Al，又因為母材中Al元素含量少，即使在非平衡結(jié)晶狀態(tài)下，第二相含量也很微小，只在焊縫局部存在，所以未檢測出有Al-Mn相的存在。同樣由于焊縫貧Al，焊縫處也無大面積Mg-Al脆性相Mg17Al12生成。因此圖3的衍射分析結(jié)果中無第二相存在。

在焊縫正面與背面同時對各元素做面分析，結(jié)果顯示Mg、Al、Zn元素含量大小相當(dāng)，均呈彌散分布，說明在焊接過程中，熔池在電弧的攪拌作用下是一個動態(tài)平衡過程，各元素分布均勻，沒有明顯的區(qū)域偏析。

采用填加與母材相同成分的AZ31B焊絲實(shí)現(xiàn)AZ31B厚板鎂合金同種材料的對接，在焊縫局部處有大塊的Al、Mn相存在，但是沒有大面積的Mg、Al相存在。從整體上看各元素分布比較均勻，沒有大面積的區(qū)域偏析，說明Al、Mn、Zn等元素主要被固溶到鎂基中。

2.3 斷口形貌分析

拉伸試驗斷后焊縫宏觀、微觀形貌如圖6所示。從圖6a可知，斷裂發(fā)生在焊縫與母材過渡區(qū)處，斷口方向與水平呈45°。由于焊接接頭沒有明顯的熱影響區(qū)，熔合區(qū)呈現(xiàn)出母材與焊縫混合特征，圖2顯示熔合區(qū)有第二相生成，導(dǎo)致熔合區(qū)為焊接接頭的薄弱部位。圖6b為焊接接頭的斷口形貌，斷口為混合斷口機(jī)制，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等明顯斷裂源存在。在傳統(tǒng)的焊接方法中，由于鎂合金的熱導(dǎo)率高，傳熱快，鎂合金本身線收縮體收縮大，導(dǎo)致熔池在冷卻過程中收縮力增加，容易產(chǎn)生裂紋[9]。而在變極性等離子焊接過程中，等離子弧對熔池的攪拌作用和立式向上焊接方法的結(jié)合，形成熔池的一個動態(tài)平衡過程。在該過程中熔池金屬的下流過程增大了金屬凝固時間，電弧的攪動作用使氣體易于溢出，所以沒有氣孔。同樣由于熔池的流動，焊接殘余應(yīng)力得到釋放，大大減少了焊接熱裂紋存在的可能。

焊接接頭拉伸試驗結(jié)果如表1所示。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的92.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于AZ31B鎂合金TIG焊接接頭強(qiáng)度(約為母材的80%)，可見，采用變極性等離子焊接方法焊接鎂合金能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。

表1 AZ31B鎂合金變極性等離子焊接力學(xué)性能

2.4 接頭硬度分析

圖6 拉伸試樣斷口宏觀、微觀形貌

圖7 硬度分布

圖7a為焊縫到母材硬度的變化情況，可以看出焊縫硬度高于母材，但低于熔合區(qū)硬度。焊縫硬度高于母材，是因為焊縫為鑄態(tài)急冷組織，是細(xì)小的等軸晶，而母材為軋制態(tài)，所以硬度升高。在過渡區(qū)，由于鎂合金的散熱快，沒有過熱組織生成，而在晶體內(nèi)部及晶界處析出第二相，并且呈彌散分布，對基體有彌散強(qiáng)化作用，所以硬度高于焊縫。圖7b為從沿熔深方向從焊縫正面到焊縫背面的硬度情況，發(fā)現(xiàn)硬度變化不明顯，大體趨于一致。這是因為在電弧攪拌和液態(tài)熔池流動的綜合作用下，焊絲與母材在熔化狀態(tài)下充分混合，各種合金元素均勻分布，整體上沒有大面積的區(qū)域偏析，所以呈現(xiàn)硬度一致性。

3 結(jié)論

(1)利用變極性等離子焊接方法成功地實(shí)現(xiàn)了厚8 mm AZ31B鎂合金板材變極性等離子加絲焊接。焊接接頭沒有明顯的熱影響區(qū)，焊縫狹窄，接頭成形良好，焊縫為細(xì)小的等軸晶。焊縫正面與焊縫背面晶粒大小變化不明顯。

(2)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的區(qū)域偏析，沒有Mg17Al12脆性相，存在鋁錳相，多分布在過渡區(qū)。

(3)拉伸試驗斷裂在熔合區(qū)，斷口表現(xiàn)為混合斷裂，沒有氣孔和裂紋存在。

(4)焊縫硬度大于母材但小于熔合區(qū)硬度，沿熔深方向硬度沒有明顯變化。

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Performance analysis of VPPA weld AZ31B magnesium alloy thick plate joint with filler metal

ZHAO Hong-kai1，XIAO Feng2，YANG Xu-dong3，LU Wei1，LI Min-tuo3
(1.Beijing Xinghang Mechanical-Electrical Equipment Factory，Beijing 100074，China；2.Materials Interfacial Physical-Chemistry Research Institute，Chongqing Institute of Technology，Chongqing 400050，China；3.AMET Welding Automation Technology Beijing Co.，Ltd.，Beijing 102202，China)

The variable polarity plasma arc welding(VPPAW)was used to weld AZ31B Magnesium alloy.The microstructure，element distribution，fracture surface，tension strength and hardness were investigated.The results show that favorable joint can be obtained and a“V”shape weld zone is formed.Heat affected zone is not evident and the grains of welded joint are fine equ-axial crystal.Besides，element segregation and Mgl7All2phase cannot be found in FZ but there are little Al-Mn phase exist.Vaporizing of Mg element led to the increasing of A1 content，but Mn，and Zn content is constant.Tension test broken at fusion area，The fracture shows mix-cleavage，which does not exist porosity and crack.The hardness of fusion zoon higher weld joint and lower base metal The hardness have no change at fusion depth direction.

Mg alloy；VPPAW；microstructure

TG456.2

A

1001-2303(2011)10-0062-05

2011-05-30

趙紅凱(1982—)，男，在讀碩士，主要從事輕合金的焊接研究工作。