焊接速度對(duì)真空壓鑄鎂合金焊接質(zhì)量影響的研究

劉振國(guó)， 趙乾

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

焊接速度對(duì)真空壓鑄鎂合金焊接質(zhì)量影響的研究

劉振國(guó)， 趙乾

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

在真空壓鑄鎂合金輪轂上選取的材料采用鎢極氬弧焊進(jìn)行重熔，為得出焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響，焊接時(shí)在輪輻部位用3種不同的焊接速度進(jìn)行焊接，焊接速度分別是9 mm/s，12 mm/s，15 mm/s。焊接電流為85A并保持不變，氬氣流量15 L/min。通過(guò)觀察微觀組織，分析了焊接速度對(duì)焊縫成型的影響。

真空壓鑄鎂合金；鎢極氬弧焊；微觀組織

1 鎂合金概述

1.1 鎂合金的性質(zhì)及應(yīng)用

鎂合金具有重量輕、阻尼減振、吸振性好、抗沖擊、抗壓縮、鑄造性能機(jī)械加工性能良好、導(dǎo)熱性能及電磁屏蔽性能良好、易回收等特性。按化學(xué)成分，鎂合金主要分為Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Zr等二元系，以及Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Mn-Ce等三元系及其他多元系合金。按成形工藝，分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。鎂合金在汽車、摩托車等交通工具，計(jì)算機(jī)、儀器儀表、家電等工業(yè)，以及航空航天等部門得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 鎂合金的焊接性及焊接方法

鎂合金由于其線膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率高，熔點(diǎn)低，易氧化，且氧化物熔點(diǎn)高，導(dǎo)致其在焊接過(guò)程中出現(xiàn)一些氧化膜、焊縫氣孔、焊接熱應(yīng)力、焊接熱裂紋等問(wèn)題。常用焊接方法有鎢極氬弧焊（TIG），熔化極氬弧焊（MIG），攪拌摩擦焊（FSW），激光焊（LBW），電子束焊（EBW），電阻點(diǎn)焊（RSW）等。

2 實(shí)驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

本文主要研究焊接速度對(duì)鎂合金材料用鎢極氬弧焊方法重熔的焊縫微觀組織的影響，因此為排除其他因素的干擾，所有試驗(yàn)均不填充焊絲，且試樣選在鑄件的同方位處。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

表1 AZ91D的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

在輪轂的輪輻上面截取 3個(gè)試樣，以比較焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。材料是AZ91D。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

1）焊前準(zhǔn)備。用棉花蘸取丙酮試劑擦拭試板表面以去除油污，后用粗砂紙打磨試板上下表面以及接頭兩側(cè)，直到表面露出金屬光澤，盡量在清理完之后4h內(nèi)進(jìn)行焊接。

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。采用WSE-250型多功能交流焊機(jī)上進(jìn)行不填絲的鎢極氬弧焊。焊接裝置如圖1所示，焊接時(shí)，焊槍夾在焊接小車上使其位置垂直于試板表面并保持固定，調(diào)整焊接小車的行走速度，使其水平勻速行走。試驗(yàn)要求單面焊，在試樣表面熔焊，一次焊透。

圖1 焊接裝置

圖2 輪輻處母材組織

2.3 焊接參數(shù)

1）焊接電流。TIG焊根據(jù)工件的材料和要求可選擇直流、交流和脈沖三種焊接電源。焊接鎂合金時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇交流電源，且工件接負(fù)極。當(dāng)工件為負(fù)極時(shí)，表面生成的氧化膜逸出功小，易發(fā)射電子，所以陰極斑點(diǎn)總是優(yōu)先在氧化膜處形成，使得氧化膜破碎、分解而被清理掉。焊接電流的選擇需綜合考慮母材成分、試板厚度、焊接速度等因素。鎂合金比熱容小，熔化潛熱低，因此所需的焊接功率不應(yīng)過(guò)高，焊接電流相對(duì)較小。因此本試驗(yàn)電流選擇范圍在85A。

2）焊接速度。通常情況下，焊接速度太大時(shí)容易產(chǎn)生咬邊及焊縫不均勻等缺陷。咬邊不僅使焊縫外觀惡化，還會(huì)引起應(yīng)力集中，對(duì)接頭強(qiáng)度有不良影響。而速度太小又存在焊不透的問(wèn)題。因此，為了得到外觀成形較好的焊縫，應(yīng)選用較大的焊接速度，加速焊縫金屬冷卻。綜合因素選定本試驗(yàn)焊接速度為9～15 mm/s。

表2 本試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 真空壓鑄鎂合金組織分析

實(shí)驗(yàn)選用的材料是真空壓鑄鎂合金。通過(guò)分析其微觀組織可以得出：它由兩相組成，包括白色α-Mg固溶體和黑色β-Al12Mg17相，相的大小不均勻。真空壓鑄鎂合金較普通壓鑄的氣孔顯著減少，鑄件的密度提高。鑄件的表面較光滑，尺寸精度得到提高，得到組織均勻的鑄件。圖2是真空壓鑄鎂合金輪輻的組織，成型質(zhì)量較好，無(wú)明顯的氣孔和裂紋。

3.2 焊縫成型情況及分析

3.2.1 不同焊接速度下焊縫成型情況

圖3是不同焊接速度下焊縫的的微觀組織。焊接母材是在輪輻上面相同部位截取的試樣，即母材的氣孔率相同。從圖中可以看出，當(dāng)焊接速度從9 mm/s增加到15 mm/s時(shí)，焊縫組織晶粒開始細(xì)化并且β-Al12Mg17相減少，焊接速度是12 mm/s時(shí)焊縫成型情況最佳。如圖3（b）所示，當(dāng)焊接速度是9 mm/s時(shí)，焊縫晶粒最大，晶界上β-Al12Mg17相對(duì)較多。如圖3（d）、（f）所示，當(dāng)焊接速度為12 mm/s、15 mm/s時(shí)，焊縫晶粒開始變得細(xì)小，并且晶界上的β-Al12Mg17減少。

圖3 焊縫的成型情況

焊接速度對(duì)上述的影響可以歸結(jié)為熱輸入的影響。根據(jù)公式E=UI/v，焊接熱輸入隨著焊接速度的增加而線性減少。這表明隨著焊接速度增加，單位長(zhǎng)度上熱能減少，焊縫冷卻速度增加，高溫停留時(shí)間變短，從而使晶粒細(xì)化。隨著焊接速度增加，熱輸入減少，Mg元素蒸發(fā)，燒損量減少。同時(shí)Al元素的含量相對(duì)減少，導(dǎo)致焊縫β-Al12Mg17化合物減少。從圖3（a）可以看出當(dāng)焊接速度為9 mm/s時(shí)，有結(jié)晶裂紋產(chǎn)生。

3.2.2 不同焊接速度下熱影響區(qū)組織分析

熱影響區(qū)是典型的過(guò)熱組織，晶粒較粗大。焊縫區(qū)組織表現(xiàn)為典型的急冷鑄造組織。熱影響區(qū)較窄，由于采用無(wú)填充材料焊接，焊縫的組織與母材相同，為α-Mg相和β-Mg17Al12相組成。

影響區(qū)是連接焊接接頭和母材的組織，這就決定了其微觀組織介于母材和焊接接頭之間。由于焊接過(guò)程中不均勻加熱，導(dǎo)致了熱影響區(qū)經(jīng)歷了不同的熱過(guò)程。圖4可以看到熱影響區(qū)的微觀組織，整體上熱影響區(qū)較焊縫的組織有粗化趨勢(shì)。從圖4（a）、（c）、（e）可以看出，熱影響區(qū)很窄,母材與焊縫區(qū)分明顯。隨著焊接速度的增加，熱影響區(qū)組織的晶粒變小。主要是由于隨著焊接速度的增加，焊接熱輸入減少，冷卻速度增加，所以晶粒變小。熱影響區(qū)由白色的α-Mg相和黑色的β-Mg17Al12相組成。在圖中可以看出，V=15 mm/s的熱影響區(qū)有很明顯的氣孔。

圖4 熱影響區(qū)微觀組織

3.2.3 焊接速度對(duì)焊縫氣孔率的影響

圖5是不同焊接速度下焊縫中氣孔的成型情況，在圖中可以看出：焊縫氣孔率隨著焊接速度的增加先降低后升高。焊接速度是12 mm/s時(shí)，焊縫氣孔率最低。圖4（a）中，焊縫熔深淺，氣孔多為圓形，焊縫中氣孔聚集在一起，對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響很大。圖4（c）中焊縫氣孔很多，有的很大，有的很小，氣孔形狀不規(guī)則。

圖5 氣孔成型情況

分析認(rèn)為低焊速下氣孔成因是：1）焊接速度低，熔池高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，引起焊縫中氫向氣泡中擴(kuò)散率增大而使氣孔率增大。2）焊接速度低，保護(hù)氣和液態(tài)熔池存在時(shí)間增長(zhǎng)，致使熔池上、下表層由于氣流的冷卻作用先行凝固，氣泡難以逸出，冷卻后在焊縫中形成氣孔。焊接速度高氣孔多的原因是氣孔在熔池中來(lái)不及逸出而在焊縫中存在，待冷卻后，氣孔在焊縫中存在。所以為了降低氣孔率，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣取?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用表面電弧重熔方法，以真空壓鑄鎂合金AZ91D為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)研究了焊接速度（主要工藝參數(shù)）對(duì)焊接質(zhì)量的影響和鑄件上不同凝固部位的焊縫成型情況。

［1］ 劉金海，李國(guó)祿，劉根生.鎂合金成形工藝及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.輕合金加工技術(shù)，2001，29（8）：1-4.

［2］ 鄭榮，林然.AZ31B鎂合金薄板TIG焊接［J］.焊接，2003（4）：43-44.

（編輯：?jiǎn)?迪）

TG 113.263

A

1002－2333（2014）04－0051－03

劉振國(guó)（1977—），男，工程師，從事汽輪機(jī)工藝制造研究。

2014-02-14