AZ31镁合金交流脉冲TIG焊接组织与性能研究

2019-01-10王文杰李晓航侯政良王伟潘亮李全林

科技视界 2019年36期

王文杰　李晓航　侯政良　王伟　潘亮　李全林

【摘要】采用交流脉冲TIG焊对AZ31镁合金进行焊接，利用光学显微镜及扫描电镜对其焊缝组织进行观察，通过拉伸试验对焊接接头抗拉强度进行测试。结果表明：焊接电流为60A得到的焊接接头成形良好，未出现裂纹，焊缝组织均匀;焊缝主要组织为α-Mg固溶体和β-Mg17Al12沉淀相混合物，沉淀相呈亮白色在晶界处点状析出，分散较为均匀;焊接接头的平均抗拉强为180MPa，达到了母材强度的80%，力学性能良好，可以满足工程构件应用需要。

【关键词】AZ31镁合金;TIG焊接;组织;性能

中图分类号： TG407文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）36-0072-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.034

Microstructure and Properties of Arc Pulsed TIG Welding AZ31 Magnesium Alloy

WANG Wen-jie1 LI Xiao-hang2 HOU Zheng-liang1 WANG Wei3 PAN Liang4 LI Quan-Lin5

（1.Department of naval equipment，Beijing 100021，China;

2.Representative Office in Xian，PLA，Xian Shaanxi 710032，China;

3.Xian Technological University，Xian Shaanxi 710021，China;

4.Representative Office in Sate-owned 845 Factory，PLA，Xian Shaanxi 710032，China;

5.Shanxi Disel Engine Industry Company Ltd，Datong Shanxi 030032，China）

【Abstract】AC pulse Tungsten inert gas welding were performed on AZ31 magnesium alloy.The microstructure of welded joints were investigated by optical and scanning electro microscopy.The tensile strength were analyzed by tensile taster.The result showed that the welding current reached 60A and the welded joint was well without any cracks.The microstructure of welding joint consist of α solid solution and Mg17Al12.The average tensile strength values of welding joint reached to 180MPa with good mechanical properties.

【Key words】AZ31 magnesium;TIG welding;Microstructure;Property

0 前言

镁合金具有高的比强度、比刚度，优良的电磁屏蔽性和加工性等优点，在航空航天、医疗器械、汽车零件等领域有广泛应用[1-2]。轻质的高强度材料在汽车工业中减重降耗和性能提升中发挥重要作用，并且可以實现零污染回收，在未来发展中有很大的空间。材料的广泛应用不仅取决于自身良好的性能，而且也依赖于良好的成形技术。镁合金的焊接是镁合金产品中关键技术之一，焊接接头的质量关系着结构件的使用安全，因此，镁合金的焊接技术对于镁合金的广泛应用起着很大的作用[3-4]。

镁合金由于熔点较低、导热快、热膨胀系数大，其焊接性能相对较差，在焊接过程中容易出现气孔、氧化夹杂等缺陷。AZ31镁合金应用较为广发，焊接过程中Al、Zn元素的存在使得结晶温度区间增加，共晶间化合物增多，在应力集中的情况下容易产生裂纹[5-6]。因此对于镁合金焊接工艺的探究对于提高焊缝的质量有很重要的意义。

近年来对于解决镁合金的连接问题，科研人员使用了多种不同的焊接方法，TIG焊、电子束焊、激光焊和摩擦搅拌焊等。镁合金进行电子束焊和激光焊，焊缝变形小，热影响区小，焊缝成形美观，接头强度相比于其他焊接方法有很大的提高，但是设备昂贵，焊前对工件的表面处理和装配要求严格，不适合于广泛工业应用。等离子弧焊热输入量高，相比于电子束焊和激光焊成本上具有优势，但是相对于广泛工业应用来说TIG焊能够实现高品质焊接，得到美观、平滑的优质焊缝，设备维护成本低、焊接效率高，更适合于工业生产中的应用。刘黎明[7]等人采用变极性等离子弧焊对AZ31B变形镁合金板材进行连接，焊接接头成形较好，焊缝组织均匀，接头中主要合金元素Al、Zn在焊缝中均匀分布。刘胜新[8]等人在氦-氩混合气体保护下对AZ31镁合金板进行TIG焊，试验表明采用混合气体TIG焊接电弧稳定，阴极清理作用明显，氧化膜易于破碎，合理的工艺参数下可获得良好的焊缝。温军[9]等人采用TIG焊对10mm厚的AZ31镁合金板进行了对接和十字角焊接，结果表明焊接热影响区存在典型过热组织，晶粒粗大，焊缝区域主要为晶粒细小的极冷组织，疲劳裂纹萌生于焊缝表面气孔位置。

本研究采用交流脉冲TIG焊对AZ31镁合金薄板进行焊接，在60～80A电流参数下进行试焊，得出良好的成形焊缝和焊接工艺参数，并对其焊缝组织进行分析和焊接接头强度进行测试。

1 实验方法

实验采用厚度为2mmAZ31镁合金薄板，所用的焊丝与母材同质直径为1.5mm，母材与焊丝成分如表1所示。

表1 ZA31镁合金板材及焊丝化学成分

焊接前将板材表面进行打磨，去除氧化物，酒精清洗后再进行焊接。焊接采用交流脉冲进行焊接，气体采用99.9%纯氩气，气体流量为10mL/min，其它焊接参数如表2所示。焊后对在焊缝处取10×8×2mm试样砂纸打磨、抛光，利用苦味酸4.2g、冰醋酸10ml、蒸馏水10ml、乙醇70ml，配成的苦味酸腐蚀液腐蚀试样5～10s。在VEGA Ⅱ XMU型扫描电子显微镜进行焊接组织观察。采用长春机械科学研究院的DDL300电子万能试验机焊接试样进行抗拉强度测试，拉伸速率1mm/min。

2 结果与分析

2.1 AZ31镁合金焊接接头组织分析

在焊接电流60A下所得的焊缝没有裂纹，对此进行焊接接头的显微组织进行分析。如图1是脉冲电流为60A的AZ31镁合金焊接接头金相照片，可以看出焊接接头分为母材区、热影响区和熔化区，接头处未出现裂纹。热影响区晶粒明显变大，这是因为板材经过轧制后晶粒挤压变形变得不稳定，在焊接状态下受到热输入的影响，晶粒明显长大，粗大的晶粒组织在后续的拉伸过程中可能会成为薄弱区，在热影响区优先于焊缝区发生断裂。

图1 AZ31镁合金焊缝显微组织

如图2所示，为焊缝的显微组织形貌，在焊接过程中由于热输入量的输入和镁合金低熔点、散热快的物理特性，母材吸收大量热发生熔化，在凝固过程中导热系数大、散热快，从而导致了焊缝区的晶粒细化形成类似铸造过程中的极冷组织，晶粒得到细化。细小晶粒的焊缝组织，提高了焊缝的力学性能，在拉伸过程中不易发生断裂，提高了焊缝的抗拉强度。

图2 AZ31镁合金焊缝区显微组织

图3 AZ31镁合金焊缝区SEM

图4 AZ31镁合金焊缝区EDS

图3为镁合金焊缝区SEM形貌图，图中可以看出主要组织有两种相，主要由灰色的基体相和分布于基体组织白色析出相组成。对两种不同的相进行了EDS能谱分析，如图4所示，区域1中灰色基体相中主要元素为Mg，为α-Mg相基体;区域2白量色析出相中除了高含量的主要元素Mg外Al元素明显增多，为Mg17Al12析出相，该析出相沿α相晶界处点状析出。在焊接冷却过程中，Al原子通过扩散，随着单相α-Mg固溶体继续冷区，Mg-Al化合物β-Mg17Al12开始从α-Mg固溶体中沉淀析出[9]。因此，AZ31镁合金焊缝组织为α-Mg固溶体和β-Mg17Al12沉淀相混合物，沉淀相呈亮白色在晶界处点状析出，分散较为均匀。

2.2 焊接接头力学性能测试

对母材和电流60A焊接接头进行了拉伸性能测试，从图5中可以看出母材的抗拉强度约为225MPa，焊接接头三组抗拉强度平均为180MPa，相当于母材的80%，平均延伸率为3.8%。拉伸试验中，所有的试样都断裂在热影响区处，因为热影响区晶粒受热后，晶粒急剧长大使得热影响区的晶粒粗大，在拉伸过程中粗大的晶粒间会发生断裂。交流脉冲TIG焊电流为60A时，焊接接头的抗拉强度达到母材的80%，该焊接接头力学性能良好，可以满足工程构件需要。

图5 AZ31母材与焊接接头拉伸曲线

3 结论

1）交流脉冲TIG焊可以对2mmAZ31镁合金薄板进行焊接，焊接电流60A时的工艺参数所得的焊缝形貌良好未出现裂纹。

2）AZ31镁合金焊缝组织为α-Mg固溶体和β-Mg17Al12沉淀相混合物，沉淀相呈亮白色在晶界处点状析出，分散较为均匀。

3）交流脉冲TIG焊接AZ31镁合金，焊接接头平均抗拉强度为180MPa，为母材的80%，接头力学性能良好。

【參考文献】

[1]Shigeharu K，Trevor A，Junichi K，et al.Magnesium research trend in Japan[J].Material Science Forum，2003，419：21-34.

[2]Kojima Y，Aizawa T，Higashi K，Shigeharu K，Automotive application of magnesium alloys[J].Material Science Forum，2003，419：67-74.

[3]MYERS P S.Reducing transportation fuel consumption;how far should we go[J].Proceeding Society of Automotive Engineers， 1992（10）：225-234.

[4]宋刚，刘黎明，王继锋，等.激光TIG复合焊接镁合金AZ31B焊接工艺[J].焊接学报，2005，25（3）：31-34.

[5]焦学兵，李长龙，周吉学，等.焊后热处理对AZ31B镁合金自动焊接接头的影响[J].铸造技术，2018，39（1）：120-123.

[6]NIE J F. Precipitation and hardening in magnesium alloys[J].Metallurgical and Material Transactions A，2012，43（11）：3819-3939.