吳曉明，陳麗園，景 鋒，田忠利，高梓朝

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

AZ61A鎂合金等離子焊接頭組織與性能

吳曉明1，陳麗園1，景 鋒1，田忠利1，高梓朝2

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

通過拉伸、硬度、彎曲試驗(yàn)和金相組織分析，研究AZ61A鎂合金等離子焊接頭的拉伸性能、硬度、彎曲性能和金相顯微組織。結(jié)果表明，拉伸試件的斷裂處均位于焊縫區(qū)，抗拉強(qiáng)度值分別為220MPa和223MPa，且Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，滿足試驗(yàn)要求；所有彎曲試件均未出現(xiàn)斷裂，彎曲性能良好；等離子焊所獲得的接頭熱影響區(qū)窄且晶粒粗大，焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，組織由α相及其上彌散分布著的灰色點(diǎn)狀物Mg17Al12組成；焊縫區(qū)整體硬度高于熱影響區(qū)和母材，熱影響區(qū)基本未發(fā)生軟化。

鎂合金；等離子焊；組織與性能

0 前言

鎂及鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高，阻尼性和導(dǎo)熱性優(yōu)良、尺寸穩(wěn)定、價(jià)格低廉、可回收再生利用等優(yōu)點(diǎn)，作為重要的工程材料應(yīng)用于高速軌道交通裝備制造是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于鎂合金具有熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率高、與氧、氮親和力強(qiáng)的特點(diǎn)，焊接時(shí)容易出現(xiàn)氧化燃燒、裂紋、氣孔、熱影響區(qū)過寬、接頭軟化、焊后變形較大等問題，使焊接接頭的力學(xué)性能下降。因此，鎂合金結(jié)構(gòu)件以及鎂合金與其他材料結(jié)構(gòu)件之間的焊接成為制約鎂合金應(yīng)用的技術(shù)瓶頸和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

等離子焊作為一種能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度快的高效焊接方法，其適應(yīng)性廣、熔深大、焊縫窄、熱影響區(qū)小，并且與電子束焊和激光焊相比具有成本優(yōu)勢(shì)，越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代化、高質(zhì)量、高精密設(shè)備的焊接，是一種理想的提高鎂合金焊接質(zhì)量的方法[2]。

在此系統(tǒng)研究6 mm厚AZ61鎂合金等離子焊接頭的組織和性能，為鎂合金的推廣及應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為6 mm厚AZ61A鎂合金板材，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 AZ61A鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of AZ61A magnesium alloy %

表2 AZ61A鎂合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of AZ61A magnesium

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用尺寸300mm×300mm×6mm的AZ61A鎂合金板材及直徑φ1.6 mm的AZ61焊絲進(jìn)行PF（立焊）位置的等離子焊接，焊接坡口裝配如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表3。焊后試件均進(jìn)行外觀（ISO 17637）、滲透（ISO23277）和射線（ISO17636）檢查。

圖1 焊接坡口裝配Fig.1 Welding groove assembly drawing

表3 等離子焊接工藝參數(shù)Table 3 Plasma welding process parameters

分別按照ISO4136-2001標(biāo)準(zhǔn)和ISO5173標(biāo)準(zhǔn)在WDW-300KN型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)采用2個(gè)面彎試樣和2個(gè)背彎試樣，壓頭直徑70 mm。

硬度試驗(yàn)選用維氏硬度，根據(jù)GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)》，利用FM-700型顯微硬度儀測(cè)量焊接接頭表面（包括母材和熱影響區(qū)）的維氏硬度分布，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷200 gf（1.96 N），保持時(shí)間15 s，步長(zhǎng)200 μm；采用Neophot-32數(shù)碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的顯微組織。金相腐蝕液為苦味酸等的混合溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

按照ISO4136-2001標(biāo)準(zhǔn)對(duì)AZ61A鎂合金等離子焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。參考ISO15614-2標(biāo)準(zhǔn)，其焊接接頭的抗拉強(qiáng)度 Rm（W）應(yīng)滿足要求：Rm（W）≥Rm（pm）×T。其中，Rm（W）為焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，Rm（pm）為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所要求的母材抗拉強(qiáng)度的最低規(guī)定值，T為焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)。因鎂合金與鋁合金相似，參考鋁合金取 T=0.6，由表 2 可知，Rm（pm）=310 MPa，故 Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且均斷于焊縫區(qū)。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test results

2.2 硬度試驗(yàn)

接頭區(qū)域硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，焊縫區(qū)的平均硬度值略高于熱影響區(qū)和母材，圍繞一個(gè)穩(wěn)定值上下波動(dòng)較小，HAZ區(qū)出現(xiàn)一個(gè)略微的下降后又上升，母材區(qū)趨于穩(wěn)定。與TIG焊相比，等離子焊由于電流較小和焊接速度較大，熱輸入大大減小，使得熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象不明顯。隨著焊接熱輸入的減小，焊縫金屬冷卻速度加快，焊接接頭中所有組織的晶粒尺寸隨之減小，使得焊縫區(qū)的晶粒尺寸小于母材。因此，焊縫區(qū)硬度增加。此外，由于鎂的沸點(diǎn)低，在焊接電弧的高溫作用下，鎂的蒸發(fā)問題嚴(yán)重，導(dǎo)致接頭處的鎂含量低于母材，Al、Zn的含量則高于母材，而Al、Zn含量的相對(duì)增加，尤其是Al含量的增加，也是導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度增加的原因之一[2]。HAZ區(qū)硬度略有下降的原因則是在冷卻過程中析出的β-Mg17Al12是一種脆性相，且熔點(diǎn)低，其存在使熱影響區(qū)更易產(chǎn)生熱裂紋[3]。

圖2 接頭區(qū)的硬度分布Fig.2 Joint hardness distribution

2.3 彎曲試驗(yàn)

AZ61A鎂合金等離子焊接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。所有試件的彎曲均未出現(xiàn)斷裂，彎曲性能良好。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Bending test results

2.4 顯微組織分析

AZ61A鎂合金等離子焊顯微組織如圖3所示。母材顯微組織如圖3a所示，晶粒大小不均勻，組織由α相和沿晶界分布的β相組成；焊縫顯微組織如圖3b所示，晶粒為細(xì)小等軸晶，組織由α相和其上彌散分布的灰色點(diǎn)狀物Mg17Al12組成，這是由于鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)大、散熱快，焊后焊縫金屬快速凝固，可細(xì)化晶粒，同時(shí)合金中的Al也會(huì)促使晶粒細(xì)化[4]；熱影響區(qū)顯微組織如圖3c所示，在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)晶粒有所長(zhǎng)大，呈粗大晶粒狀，組織由粗大的α-Mg和分布其間的α+Mg17Al12組成。熔合區(qū)同時(shí)有細(xì)小和粗大的晶粒，這是熔合區(qū)在快速熔化后又快速冷卻凝固結(jié)晶造成的[5]。

圖3 焊接接頭顯微組織Fig3 Welded joint microstructure

3 結(jié)論

（1）AZ61A鎂合金等離子焊接接頭Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，拉伸性能良好且在焊縫處斷裂。

（2）AZ61A鎂合金等離子焊接接頭彎曲試件的面彎和背彎均未出現(xiàn)斷裂，彎曲性能良好。

（3）AZ61A鎂合金等離子焊接接頭焊縫區(qū)的硬度值總體上高于熱影響區(qū)和母材，且熱影響區(qū)基本沒有發(fā)生軟化。

（4）AZ61A鎂合金等離子焊接接頭母材區(qū)顯微組織為α相和沿晶界分布的β相；焊縫區(qū)顯微組織為細(xì)小均勻的等軸晶，由α相及其上彌散分布著的灰色點(diǎn)狀物Mg17Al12組成；熱影響區(qū)顯微組織為長(zhǎng)大的晶粒，其組織由粗大的α-Mg和分布其間的α+Mg17Al12組成。

[1]張津，章宗和.鎂合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]劉黎明，沈勇，張兆棟.鎂合金變極性等離子弧焊接頭的微觀組織分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（5）：198-202.

[3]姚軍，魏鑫.AZ31B鎂合金焊接接頭組織特征及力學(xué)性能[J].焊接技術(shù)，2012，4（1）：17-19.

[4]范偉光，劉家斌，朱義新.AZ31B鎂合金氬弧焊接頭性能分析[J].電焊機(jī)，2009，39（9）：72-74.

[5]蔣健博，張兆棟，沈勇，等.鎂合金變極性等離子縫焊接頭微觀組織分析[J].電焊機(jī)，2006，36（2）：18-21.

Microstructure and properties of plasma welded joints of AZ61A magnesium alloy

WU Xiaoming1，CHEN Liyuan1，JING Feng1，TIAN Zhongli1，GAO Zichao2
（1.CRRC TANGSHAN Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

The plasma welded joints of AZ61A magnesium alloy are studied by tensile，hardness and bending tests and metallographic structure analysis respectively.The results show that all the fractures of the tensile specimens are in the weld zone，the tensile strength values are 220 MPa and 223 MPa respectively，and Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，which meets the test requirements；No fracture is found in any bending specimens，and the bending property is good；The heat affected zone of the joints obtained by plasma welding is narrow，and its grains are coarse，while the grains of the weld zone are fine，the microstructure is constituted by α phase and diffuse gray Mg17Al12distributed on α phase；The overall hardness of the weld zone is higher than that of the heat affected zone and base metal，and the heat affected zone does not soften basically.

magnesium alloy；plasma welding；organization and performance

TG457.19

A

1001-2303（2017）10-0050-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.10

本文參考文獻(xiàn)引用格式：吳曉明，陳麗園，景鋒，等.AZ61A鎂合金等離子焊接頭組織與性能[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：50-52+57.

2017-07-10

吳曉明（1981—），女，高級(jí)工程師，主要從事焊接工藝及體系管理工作。E-mail：wuxiaoming@tangche.com。

高梓朝（1995—），男，在讀碩士。E-mail：19189032@qq.com。