劉坤，李潔，王浩，簡思捷

(江蘇科技大學(xué),鎮(zhèn)江,212100)

0 序言

鎂合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、減震性能好和儲量豐富等優(yōu)點，在減輕結(jié)構(gòu)重量、降低油耗和碳排放等方面具有重要作用[1-3].隨著先進焊接技術(shù)的發(fā)展，鎂合金在航空航天、汽車、醫(yī)療器械和軍事裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增長，鎂合金的焊接冶金研究也日益受到研究學(xué)者的關(guān)注[4].鎂合金熔化焊相對于固相焊具有成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，但鎂合金凝固過程共晶溫度較低(如Mg-Al 合金共晶溫度約437 ℃，Mg-Zn 合金共晶溫度約340 ℃)，且凝固溫度區(qū)間較大，導(dǎo)致了鎂合金的熔化焊接時凝固裂紋問題突出，凝固裂紋已成為鎂合金高質(zhì)量焊接亟待解決的關(guān)鍵問題[5].

凝固裂紋一般位于焊縫金屬中并具有沿晶開裂特征，凝固裂紋發(fā)生在熔池后方糊狀區(qū)(固液兩相區(qū))的凝固末期，即fS接近于1(fS為固相分數(shù))，糊狀區(qū)內(nèi)部柱狀樹枝晶被液態(tài)金屬隔開，是焊接過程中的一個薄弱區(qū)域[6].基于凝固末期晶界行為規(guī)律，Kou[7]提出了凝固裂紋的新理論模型及判據(jù)準則，在糊狀區(qū)的中心線處，柱狀晶基本沿著焊接方向生長，主要考慮了晶界行為的3 個方面：①拉應(yīng)力作用下枝晶間的分離速率；②枝晶橫向生長速率；③晶間的液相回填速率.其中①為致裂因素，而②和③為抗裂因素，當(dāng)①的致裂作用大于②和③的抗裂作用之和時，也就產(chǎn)生了凝固裂紋.基于上述凝固裂紋理論模型和判據(jù)準則，Kou 建立了凝固裂紋敏感性預(yù)測途徑，提出了在(fS)1/2接近于1 時(即凝固末期)，│dT/d(fS)1/2│max可作為凝固裂紋敏感性指數(shù)，│dT/d(fS)1/2│max值越大，則凝固裂紋敏感性越高.

較多的學(xué)者指出在固相體積分數(shù)(fS)為0.98 時，才發(fā)生柱狀晶橫向之間的大量有效結(jié)合.Clyne 等人[8]也假設(shè)了當(dāng)(fS)1/2超過0.995 時，柱狀晶會發(fā)生大量的有效結(jié)合，也就難以形成凝固裂紋.因此，Kou 等人[9]提出以(fS)1/2=0.99 之前的│dT/d(fS)1/2│max作為凝固裂紋敏感性指數(shù)，該指數(shù)的有效性已在鋁合金的焊接凝固裂紋研究中得到了驗證[9-12]，該指數(shù)也已用于鋁合金焊絲的抗裂性計算預(yù)測并得到試驗驗證[13].

橫向移動裂紋敏感性試驗(transverse motion weldability,TMW)作為新型的凝固裂紋敏感性評估方法[14-15]，與傳統(tǒng)可調(diào)拘束裂紋敏感性試驗方法(Varestraint)[16]相比，在測試中并不是給工件施加突然的彎曲載荷，而是形成上板與下板搭接形式，上板保持靜止，下板垂直于焊接方向做橫向移動，施加的載荷精確作用于糊狀區(qū)(凝固裂紋萌生區(qū)域)，并非作用于整個工件.下板橫向移動主要有單速模式和雙速模式，此方法已應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、不銹鋼[17]等材料中的焊接凝固裂紋敏感性研究，并可用于焊材的抗裂性研究.

鎂合金的凝固裂紋及其敏感性的研究已有較多報道[18-30]，文中主要分析橫向移動裂紋敏感性試驗方法的雙速模式用于評估鎂合金焊接凝固裂紋敏感性的有效性，提出用臨界橫向移動速度來評估鎂合金凝固裂紋敏感性，并與單速模式下的結(jié)果及基于│dT/d(fS)1/2│max為凝固裂紋敏感指數(shù)的計算預(yù)測結(jié)果進行對比驗證，從晶間殘余液相形態(tài)特征以及晶間液相回填通道的角度解釋了鎂合金凝固裂紋敏感性規(guī)律.

1 試驗方法

試驗選用ZK61，AZ31，AZ61 和AZ91 鎂合金試板進行凝固裂紋敏感性試驗，其化學(xué)成分見表1.上板尺寸為203 mm × 50.8 mm ×3.2 mm，下板尺寸為152.4 mm × 127 mm × 3.2 mm.在進行焊接試驗前，將上、下板搭接處進行清理打磨，去除氧化膜.采用鎢極氬弧焊進行焊接，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化后，在保證焊縫良好成形的條件下，選用的焊接參數(shù)如下：焊接電流115 A，極性為直流反接，焊接速度為1.69 mm/s，氬氣流量為28 L/min，鎢極直徑為?3.2 mm.

表1 鎂合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of Mg alloys

橫向移動裂紋敏感性試驗上下板以搭接形式進行焊接，上板保持靜止，下板垂直于焊接方向進行移動，下板的移動分為單速模式和雙速模式，如圖1 所示.單速模式是指下板的橫向移動速度保持不變，從裂紋萌生的角度來評估凝固裂紋敏感性；雙速模式是從裂紋擴展的角度來評估凝固裂紋敏感性，首先下板以較大的速度v1進行橫向移動，來保證開裂，然后將v1突然降為較低的速度v2來觀察裂紋是否擴展.不論是單速模式還是雙速模式，裂紋萌生及擴展過程中的橫向移動載荷始終是作用于糊狀區(qū)(凝固裂紋萌生區(qū))，高溫液態(tài)熔池對于上、下兩板的連接作用可忽略，起到有效連接作用的區(qū)域只有糊狀區(qū).

圖1 橫向移動裂紋敏感性試驗Fig.1 Transverse motion weldability (TMW) test.(a) schematic diagram of one-speed test;(b) schematic diagram of two-speed test;(c) one-speed test of ZK61 Mg alloy (v=0.05 mm/s);(d) two-speed test of ZK61 Mg alloy (v1=0.7 mm/s,v2=0.05 mm/s)

論文重點關(guān)注雙速模式下的鎂合金凝固裂紋敏感性規(guī)律，雙速模式中起始階段的下板橫向v1設(shè)定為0.7 mm/s，在焊槍行走18 s 時v1降為v2，通過每次試驗調(diào)整v2找到鎂合金凝固裂紋擴展的臨界情況.

為驗證雙速模式下鎂合金焊接凝固裂紋敏感性試驗結(jié)果的可靠性，采用Pandat 軟件對鎂合金的凝固路徑進行了計算，并以Kou 模型中的│dT/d(fS)1/2│max為敏感性指數(shù)，與雙速模式下的試驗結(jié)果進行對比分析.對凝固裂紋斷口形貌進行了掃描電鏡分析，并對凝固裂紋周圍的顯微組織及液相回填通道特征進行了分析.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 裂紋斷口表面形貌

橫向移動裂紋敏感性試驗得到的ZK61 鎂合金裂紋斷口表面形貌如圖2 所示，呈現(xiàn)出典型的柱狀樹枝晶形貌，證實了試驗得到的裂紋為凝固裂紋，在柱狀樹枝晶的表面以及枝晶之間有明顯的白色片層狀組織，如圖2b 所示，主要是由于凝固末期晶間多為共晶成分液相，樹枝晶的橫向生長并未形成可靠連接，在下板橫向移動形成的拉應(yīng)力作用下，在糊狀區(qū)優(yōu)先沿著凝固終了的晶界開裂，也就形成了典型的凝固裂紋斷口表面柱狀枝晶形貌及晶間共晶組織形態(tài).

圖2 鎂合金凝固裂紋斷口表面形貌Fig.2 Fracture surface of Mg alloys.(a) dendritic fracture surface;(b) α-Mg dendrites and liquid film

2.2 鎂合金凝固裂紋敏感性

焊縫開裂形態(tài)及裂紋位置如圖3 所示，焊縫開裂后呈現(xiàn)“人”字形.裂紋位于焊縫中心，也充分說明得到的凝固裂紋結(jié)果中沒有液化裂紋的干擾.焊接熱裂紋主要包括凝固裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋及高溫失塑裂紋，在較多的熱裂紋敏感性試驗中，并沒有將上述4 種裂紋區(qū)分來評估裂紋敏感性.傳統(tǒng)可調(diào)拘束裂紋敏感性試驗中得到的裂紋，既有凝固裂紋也有熱影響區(qū)液化裂紋，在分析凝固裂紋敏感性時，往往會有液化裂紋的干擾.

圖3 橫向移動裂紋敏感性試驗的裂紋長度歸一化裂紋長度Fig.3 Normalized crack length after TMW test (ZK61 at two-speed test).(a) overview;(b) close-up view

為表征不同橫向移動速度下的鎂合金開裂程度，避免焊縫長度對裂紋長度測量值的影響，對裂紋長度(Lcrack)進行了歸一化處理如圖3 所示，歸一化裂紋長度為Lcrack/Lweld.雙速模式下的試驗結(jié)果如圖4 所示，圖中每個小方框均為鎂合金試板焊接凝固裂紋的開裂結(jié)果，下板橫向移動速度v2由0 mm/s 增大到0.15 mm/s，歸一化裂紋長度由0～1 之間存在一個過渡區(qū)間，歸一化裂紋長度為0 時表明無裂紋擴展，歸一化裂紋長度為1 時表明焊縫全開裂.

圖4 鎂合金焊接凝固裂紋敏感性測試結(jié)果(雙速模式)Fig.4 Two-speed testing results of Mg alloys.(a) ZK61;(b) AZ31;(c) AZ61;(d) AZ91

所測的4 種鎂合金歸一化裂紋長度的過渡區(qū)間 為(ZK61：0.01～ 0.025 mm/s，AZ31：0.01～0.038 mm/s，AZ61：0.063～ 0.07 mm/s，AZ91：0.063～0.075 mm/s.過渡區(qū)間的位置在一定程度上反映了合金的凝固裂紋敏感性，但考慮到過渡區(qū)間寬度的波動容易對結(jié)果造成干擾，故將過渡區(qū)間的上限值(臨界橫向移動速度vc)作為凝固裂紋敏感性指數(shù)，不同鎂合金的vc不同，材料的vc越低，表明引發(fā)凝固裂紋開裂所需的橫向移動速度越小，裂紋敏感性越高.

將圖4 中4 種鎂合金的臨界橫向移動速度vc進行分析，如圖5 所示，隨著vc的增大，凝固裂紋敏感性降低.將雙速模式下的結(jié)果與單速模式結(jié)果以及計算預(yù)測結(jié)果進行對比，單速模式下凝固裂紋敏感性為ZK61 >AZ31 >AZ61 >AZ91(圖5a)，雙速模式下凝固裂紋敏感性為ZK61 >AZ31 >AZ61 >AZ91(圖5b)，以Kou 模型中的(fS)1/2接近于1時的│dT/d(fS)1/2│max為敏感性指數(shù)進行預(yù)測(圖5c)，敏感性預(yù)測結(jié)果為ZK61 >AZ31 >AZ61 >AZ91(圖5d).單速模式、雙速模式以及預(yù)測結(jié)果得到的4 種鎂合金的凝固裂紋敏感性趨勢一致，上述結(jié)果充分說明了試驗中雙速模式用于評估鎂合金凝固裂紋敏感性的有效性.

圖5 基于臨界橫向移動速度鎂合金裂紋敏感性與預(yù)測結(jié)果Fig.5 Ranking of solidification cracking susceptibility based on critical transverse motion speed consistent with predicted results.(a) one-speed test results;(b) two-speed test results;(c) T～(fs)1/2 curve;(d) predicted results

2.3 晶間液相回填規(guī)律

下板的橫向移動對鎂合金焊接過程中的糊狀區(qū)產(chǎn)生拉伸應(yīng)變載荷，根據(jù)Kou 模型，當(dāng)拉伸應(yīng)變載荷的致裂效果大于枝晶橫向生長與液相回填二者的抗裂效果之和時，產(chǎn)生了凝固裂紋.鎂合金焊縫橫截面凝固裂紋特征及微觀組織如圖6 所示，鎂合金焊縫橫截面上凝固裂紋的開裂路徑如圖6a 所示，下板橫向移動引起的橫向拉伸載荷首先作用于上板、下板以及焊縫3 者的交界處，凝固裂紋在此開裂，不僅受到外界橫向拉伸載荷作用，正在凝固的焊縫金屬本身也受到凝固收縮和熱收縮作用，產(chǎn)生收縮的趨勢，凝固收縮主要是由于固態(tài)金屬的密度大于液態(tài)金屬，如鎂的凝固收縮率為4.2%[31].隨著下板的持續(xù)橫向移動，凝固裂紋的擴展主要沿著晶界向焊縫表面進行，且與柱狀晶的生長方向平行.凝固裂紋周圍的顯微組織特征如圖6b，6c所示，在裂紋尖端及周邊存在液相回填特征，主要為晶間共晶組織.相對于AZ91，AZ31 焊縫中柱狀晶較為粗大且方向性較強，也導(dǎo)致了AZ31 鎂合金具有較高的凝固裂紋敏感性.

圖6 鎂合金焊縫橫截面凝固裂紋特征及微觀組織Fig.6 Solidification cracking and microstructure on cross-section of Mg alloys weld.(a) schematic diagram of crack opening;(b) AZ31;(c) AZ91

為進一步分析凝固裂紋周圍的液相回填規(guī)律特征，將4 種鎂合金凝固裂紋周圍的微觀組織進行對比分析如圖7 所示，ZK61 鎂合金的晶間液相呈現(xiàn)非連續(xù)狀(圖7a)，表明ZK61 鎂合金在凝固末期晶間殘余液相不足，難以起到液相回填和愈合裂紋的效果，增大了凝固裂紋敏感性.

圖7 鎂合金凝固裂紋的液相回填及晶間共晶組織Fig.7 Backfilled liquid and intergranular eutectic microstructure near solidification cracking.(a) ZK61;(b) AZ31;(c) AZ61;(d) AZ91

AZ 系列鎂合金的晶間液相呈現(xiàn)連續(xù)狀，但液相回填通道的寬度變化較為明顯.4 種鎂合金的液相回填通道寬度變化趨勢為：ZK61

3 結(jié)論

(1)以雙速模式的橫向移動裂紋敏感性試驗，測得了4 種鎂合金的臨界橫向移動速度分別為：vc(ZK61)=0.025 mm/s,vc(AZ31)=0.038 mm/s,vc(AZ61)=0.07 mm/s,vc(AZ91)=0.075 mm/s.

(2)提出以臨界橫向移動速度vc為敏感性指數(shù)來評估4 種鎂合金的凝固裂紋敏感性：ZK61 >AZ31 >AZ61 >AZ91，與單速模式試驗結(jié)果及計算預(yù)測結(jié)果一致，驗證了雙速模式的橫向移動裂紋敏感性試驗用于評估鎂合金凝固裂紋敏感性的有效性.

(3)液相回填通道寬度由小到大為：ZK61