初雅杰 ，李曉泉 ，吳申慶 ，徐振欽 ，杜舜堯

（1南京工程學院 材料工程學院，南京211167；2東南大學 材料科學與工程學院，南京211189）

鎂合金作為最輕質的金屬結構材料具有低密度、高比強度、高比剛度以及優(yōu)良的阻尼性能和電磁屏蔽性能，在電子領域、航空工業(yè)、汽車及軌道交通制造中具有廣闊的應用前景，但鎂合金的可靠焊接是目前制約其應用于重要金屬結構的關鍵問題之一［1－3］。當前人們正在致力于用電子束焊、攪拌摩擦焊、激光焊等多種先進焊接方法實現(xiàn)鎂合金的可靠焊接［4－8］。鎢極氬弧焊在鎂合金結構制造中將成為一種方便、實用、簡單的熔焊方法，但鎂合金鎢極氬弧焊焊接接頭的強度和塑性目前尚難以和母材相匹配［9，10］。

現(xiàn)有研究表明［11－13］，使金屬鎂及其合金在高溫條件下發(fā)生動態(tài)回復與再結晶，可細化組織晶粒，提高金屬韌性。本研究對AZ31鎂合金鎢極氬弧焊焊接接頭在一定溫度下使其發(fā)生一定的熱壓塑性變形，通過細化晶粒、開通新滑移系將有助于提高焊接接頭強度和塑性。據此提出利用鎂合金熔焊焊接接頭余高進行熱壓形變，使其發(fā)生塑性變形進而韌化焊接接頭的構想。

本工作對Mg－Al－Zn系AZ31鎂合金鎢極氬弧焊（TIG焊）焊接接頭的微觀組織和力學性能開展了細致的研究，控制形變速率和溫度，研究不同變形條件對AZ31鎂合金熔焊接頭熱壓變形過程中顯微組織變化的影響規(guī)律，并探討該合金接頭組織動態(tài)再結晶的形核機制。

1 實驗方法

本實驗所用鎂合金AZ31材料的化學成分（質量分數／%）為：Al 3.5，Zn 1.5，Mn 0.5，Ca 0.04，Si 0.1，Mg余量；采用化學成分完全相同的AZ31鎂合金經軋制、拉拔成φ3mm絲材作為焊接時的填充材料。用尺寸為200mm×60mm×4.6mm的2塊板材組成1副對接焊試板。焊接試板開60°的V型坡口，根部間隙控制在2～3mm。將焊接區(qū)域用砂紙打磨，坡口面經刮削清除氧化膜，用交流鎢極氬弧焊進行填絲焊接。焊接電流I＝110～120A，焊接電壓U＝21～23V，焊接速率v＝8～11mm／s。將焊接無缺陷的對接試板用線切割方法以焊縫為中心沿垂直焊縫橫向截取120mm×24mm尺寸的試驗用長條試樣。截取出的試樣一部分用作熱壓形變試驗。采用專門制作的陶瓷電加熱裝置，將試樣兩端插入加熱箱中，中間露出焊縫區(qū)域待熱擠壓變形，加熱箱用石棉保溫以保持溫度恒定。形變溫度為250～400℃，應變速率為0.001s－1，最大變形程度為60%，試驗時通電加熱至熱電偶測得的焊接接頭溫度達設定溫度時保溫30min；之后對焊接接頭余高處進行垂直熱壓，壓力為100MPa，熱壓至與母材平整，并經20min保壓以繼續(xù)發(fā)生蠕變變形。

按照GB2649—89《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》的國家標準［14］，進行拉伸試樣取樣，采用CMT－5105型微機控制電子萬能試驗機上進行焊接接頭拉伸力學性能常溫性能測試。采用光學電子顯微鏡（OM）進行焊接接頭金相試樣觀察，試樣用硝酸、酒精按1∶1比例配制成腐蝕液進行浸蝕。采用JSM－6360LV掃描電子顯微鏡（SEM）進行鎂合金焊接接頭拉伸試樣斷口形貌觀察，配合附帶能譜儀進行微區(qū)成分分析。

2 實驗結果

2.1 焊接接頭力學性能

對在不同溫度下進行熱壓形變的焊接接頭進行力學性能測試，結果如表1所示。由表1可以看出：隨著熱壓溫度的升高，抗拉強度先升高后降低。熱壓溫度為250℃時，由于焊接接頭組織與焊態(tài)接頭組織大體相同，未出現(xiàn)再結晶組織，導致接頭抗拉強度較低，僅為母材的60%，伸長率低至6%，斷裂位置在熱影響區(qū)；熱壓溫度為350℃時，接頭抗拉強度達到了228MPa，幾乎與母材抗拉強度一致，伸長率為10.2%，斷裂同樣發(fā)生在熱影響區(qū)；熱壓溫度為400℃時，抗拉強度有所降低，為母材抗拉強度的70%，伸長率為7%，斷裂也發(fā)生在熱影響區(qū)，這表明熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，隨著熱壓溫度的增加，熱影響區(qū)晶粒長大、粗化，導致力學性能降低?？梢姛釅簻囟葘附咏宇^的力學性能影響較大，熱壓溫度為350℃時，焊接接頭的力學性能最好，抗拉強度和伸長率都達到了最高。

表1 不同溫度下熱壓形變的焊接接頭力學性能Table 1 Mechanical property of welded joints with thermal compression at different temperatures

2.2 焊接接頭顯微組織

圖1是AZ31鎂合金焊接接頭在不同溫度下相同應變速率（250～400℃，0.001s－1）發(fā)生變形后的金相組織形貌。從圖1（a），（b）中可以看出：隨著熱壓溫度的升高，接頭焊縫區(qū)再結晶現(xiàn)象越來越明顯，組織發(fā)生了細化。在較低溫度250℃變形時，其組織和母材相差不大，主要是由α－Mg基體和網狀分布的β－Mg17Al12相組成。由于此時變形機制主要以滑移為主，出現(xiàn)了少量的變形孿晶；在300℃變形時，開始出現(xiàn)明顯的孿晶現(xiàn)象，如圖1（b）中A處所示，在某些原始晶粒的晶界上出現(xiàn)了非常細小的動態(tài)再結晶晶粒，如圖1（b）中B處所示。此時可以看到這些晶粒被明顯拉長，表明動態(tài)再結晶已開始發(fā)生。在350℃時，動態(tài)再結晶已很明顯，原始基礎晶粒被大量的新生成再結晶晶粒包圍，晶粒比較細小，大小也比較均勻，≤18μm，此時孿晶幾乎觀察不到。隨著變形溫度的不斷升高，生成的動態(tài)再結晶晶粒的平均尺寸也不斷增大，在400℃時，動態(tài)再結晶晶粒由大小不一的混合尺寸的晶粒組成，基本在20μm以上，最大的尺寸達到了46μm，并且可以很清楚地分辨出新晶粒的晶界；同時在新生成的晶粒中觀察到β相，如圖1（d）中箭頭所示，表明原先主要在晶界析出的β相在熱擠壓變形過程中又經固溶，隨后在晶內又重新析出。這對熔焊接頭的強度提高無疑有著重要作用。由此可見，熱壓形變溫度對AZ31鎂合金焊接接頭的動態(tài)再結晶有較大影響。

圖1 不同熱壓溫度下焊接接頭顯微組織 （a）250℃；（b）300℃；（c）350℃；（d）400℃Fig.1 Microstructure of the welding joint at different temperatures （a）250℃；（b）300℃；（c）350℃；（d）400℃

2.3 焊接接頭斷口形貌

將AZ31鎂合金焊接接頭在不同溫度下變形后的試樣做拉伸試驗，其斷口在掃描電鏡下作斷口形貌觀察。圖2示出了熱壓的斷口SEM照片。通過斷口分析發(fā)現(xiàn)，在250℃熱壓形變下的試樣斷口由較多解理小平臺組成，且平臺內分布大致平行的斷裂裂紋走向溝槽，溝槽內壁為光表面，表明裂紋擴展較為通暢，為典型的脆性斷裂，與母材斷裂機制一樣，表明此時未發(fā)生動態(tài)再結晶；300℃時的斷口，出現(xiàn)少量的韌窩，韌窩淺而小，無規(guī)則地分布在小平臺以外的其余部位，斷口內分布有較多形如腳印狀的小平臺，斷口中也局部分布有一些具有韌型斷裂特征的韌窩，韌窩數量總體較少且尺寸小而淺；呈現(xiàn)脆性和韌性混合斷裂特征。350℃時的斷口，韌窩所占的比例明顯增大，且韌窩大小趨于均勻、密集。而小平臺形貌所占的比例大為減小，有相當部分已被韌窩取代。400℃時的斷口，也呈現(xiàn)出混合斷裂特性。

金屬Mg常溫下滑移系較少，位錯層錯能低，擴展位錯寬度大，難以發(fā)生滑移，發(fā)生塑性變形時多是在孿晶變形協(xié)調下進行單滑移。這就使得常溫斷口在某些小平面內形成一組平行線，此即250℃時斷口形貌觀察到的腳印狀小平臺形成原因，也是造成斷裂強度及塑性低的重要原因。但焊后經歷熱碾壓使其發(fā)生熱塑性變形，利用鎂合金低層錯能及位錯寬度大特性，可誘發(fā)其發(fā)生動態(tài)再結晶。特別是350℃時，在熱－力機械作用下，塑性變形使基體組織晶粒發(fā)生重結晶重組，原先分布在原始晶粒晶界處的β相在隨后的近平衡冷卻條件下將主要在晶內重新析出。由此通過細化晶粒，起到彌散強化效應，使AZ31鎂合金TIG焊接接頭強度顯著提高，塑性也在一定程度上得到改善。

3 分析與討論

AZ31鎂合金經熱壓后的力學性能表明，350℃時對接頭的抗拉強度和塑性有明顯改善作用。熱壓后由于動態(tài)再結晶作用，晶粒組織細小，同時，熱壓處理也消除了焊接接頭中殘留的焊接熱應力，降低了焊縫區(qū)位錯密度，提高了接頭的塑性和強度。

再結晶是伴隨著熱的一個新晶粒形成與核心長大的過程。再結晶的驅動力是變形金屬中晶粒間的畸變能差，此畸變能差是由位錯密度及其分布狀況決定的，而再結晶往往在位錯數量多且分布密集的區(qū)域形核。由于動態(tài)再結晶是通過形核和晶核長大兩個步驟完成的，不管鎂合金再結晶采用何種形核機制，形核的多少與核心長大的速率，均受位錯運動能力的控制［15，16］。當熱壓形變溫度較低時（250℃），位錯難以通過運動而實現(xiàn)重組，因而再結晶不易發(fā)生。當溫度升高到350℃，合金中原子熱振動及擴散速率增加，位錯的滑移、攀移、交滑移比溫度低時更容易，形核率增加，同時晶界遷移能力增加，促使鎂合金再結晶的發(fā)生。在本實驗條件下，AZ31鎂合金焊接接頭在低于300℃時，形核成為動態(tài)再結晶過程主要影響因素；新晶粒主要通過原始晶界的局部遷移形核，更多的有利于形核的位置得到保留，形核在動態(tài)再結晶過程成為控制因素，這在宏觀組織上表現(xiàn)為在晶界處形成大量細小均勻的再結晶晶粒（見圖1（b））。而高于400℃變形時，晶核長大則成為動態(tài)再結晶的主要影響因素，晶核快速長大在動態(tài)再結晶過程占有優(yōu)勢，導致宏觀組織上出現(xiàn)尺寸較大的新晶粒，晶粒大小不一（見圖1（d））。

金屬鎂低溫下僅有｛0001｝基面上沿〈1120〉方向一個滑移系，晶內變形多是在孿晶變形協(xié)調下的單系滑移，這樣滑移線容易在基面形成一組平行線，這是鎂合金斷口呈現(xiàn)腳印狀小平臺形貌的原因（見圖2（a））。當在355℃以上進行熱壓變形時，鎂在｛1010｝〈1120〉棱柱面上的滑移系將被開通，此時將發(fā)生多滑移，動態(tài)再結晶組織完全取代枝晶組織，產生彌散強化效應。

4 結論

（1）AZ31鎂合金焊接接頭在不同溫度下經熱壓變形后，接頭晶粒組織呈現(xiàn)先細化后增大的趨勢；抗拉強度和伸長率也是先升高后降低。

（2）熱壓溫度為350℃時，接頭的抗拉強度和伸長率均達最高值，分別為228MPa和10.2%。

（3）低溫變形時，斷口呈現(xiàn)典型的脆性斷裂，在300℃以上呈現(xiàn)出混合斷裂特征；350℃斷裂時，斷裂前晶界發(fā)生一定的滑動協(xié)調變形量，有較明顯的剪切唇。

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