壓鑄AZ91D鎂合金TIG焊接氣孔研究

游國強，杜 娟，陳 磊，王向杰

（1重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044；2重慶大學 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶400044）

鎂合金作為目前最輕的金屬結構材料，具有密度小、比強度高、回收性能好、無污染等一系列優點，在汽車、航空航天和電子行業中有著廣闊的應用前景［1，2］。隨著鎂合金結構件的廣泛應用，鎂合金的焊接問題已越來越多地受到人們的關注，特別是壓鑄鎂合金的焊接氣孔問題［3－8］。目前工程應用最多的是壓鑄AZ91D鎂合金，由于壓鑄工藝固有的特點，使得鎂合金中含有大量的氣體，從而使氣孔成為壓鑄鎂合金焊接時最主要的問題。因此，通常認為壓鑄鎂合金是不宜熔化焊接的，這在很大程度上限制了鎂合金壓鑄件在實際工業中的應用。

目前，國內關于壓鑄鎂合金焊接氣孔問題的研究較少，而國外的研究相對較多［4－8］。Mikuchi等［4］的研究表明，AZ91鎂合金中的氣孔率與溶解在合金中的H含量有關。Zhao等［5，6］對壓鑄鎂合金激光焊氣孔問題進行了研究，認為壓鑄鎂合金激光焊氣孔來源于母材原始氣孔在熔池中的膨脹與合并。而Marya等［7］的研究卻表明，氣孔率隨焊接速率的變化存在極大值。Wahba等［8］的研究結論是，焊縫氣孔主要來源于母材中的氣體，實驗得出母材和焊縫中的氣體主要為N2。單際國等［9－11］對壓鑄鎂合金激光焊接進行了一系列研究，認為壓鑄鎂合金焊接氣孔主要為H氣孔，焊縫氣孔率變化的總體趨勢是，隨著激光功率的增大而升高；當激光功率不變時，隨著焊接速率的升高，壓鑄鎂合金激光焊縫氣孔率明顯降低。本課題組的前期研究表明［12－15］，壓鑄鎂合金焊接氣孔的氣體主要是N2，并對焊縫氣孔的形成機制和焊縫氣孔的減少措施進行了初步探索，但有關熔合線附近大氣孔的形成機理仍不明了。因此，有必要對壓鑄鎂合金焊接氣孔問題做進一步的研究。

本工作以工程應用最多的壓鑄AZ91D為研究對象，采用TIG焊接工藝對其進行自熔焊接，研究焊接電流對氣孔傾向的影響，探討焊縫不同區域的氣孔形貌特點及形成機理。

1 實驗

選用尺寸為70mm×50mm×6mm的壓鑄AZ91D鎂合金板作為實驗材料，其化學成分如表1所示。

表1 AZ91D鎂合金的化學成分（質量分數／%）Table1 Chemical composition of AZ91Dmagnesium alloy（mass fraction／%）

采用YC－300WPTIG焊機對鎂合金板進行自熔焊接，焊接電流分別為60，80，100，120A，焊接速率為4.8mm／s。焊接過程中，試件兩端用夾具固定，下面放置帶凹槽的銅制冷卻墊板，同時采用純度為99.9%的氬氣對試樣表面進行保護，流量為10L／min。實驗過程示意圖如圖1所示。

圖1 實驗過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental process

焊前對試樣表面進行處理，去除表面氧化膜、油脂和其他污物，使之露出金屬光澤表面；焊后截取試樣的典型部位制作金相試樣。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊縫氣孔形貌及分布特征；采用粒徑分析軟件Nano measurer 1.2測量焊縫中不同類型氣孔的尺寸，利用計算機附帶軟件畫圖板中的網格法測量焊接接頭的凸起面積和熔化區面積，并計算焊縫橫截面的氣孔率，取同一焊接電流下5個橫截面的平均值。

2 結果與分析

2.1 氣孔形貌特征

2.1.1 焊縫橫截面形貌

圖2為不同焊接電流下焊縫橫截面的宏觀形貌，電流分別為60，80，100A和120A。可以看出，壓鑄AZ91D鎂合金TIG焊接氣孔問題嚴重，氣孔主要分布在焊縫近表面和熔合線附近（半熔化區），只有當焊接電流很大時（120A），焊縫中心才會出現明顯的氣孔缺陷。由于焊縫中存在大量的氣孔，焊縫凸起現象較嚴重。

2.1.2 焊縫縱截面形貌

圖3為實驗得到的焊縫縱截面（斷口）SEM照片。可以看出，在焊縫近表面區域，氣孔尺寸相對較小，截面近似圓形，如圖3中黑色實線上部分所示。而在焊縫中下部分區域，氣孔尺寸較大，形狀不規則，根部細小，上部相對較大，呈現出明顯拉長、上浮狀態，如圖3黑色實線下部分所示。

2.1.3 氣孔的微觀形貌

焊縫中的氣孔可以分為微觀氣孔和宏觀氣孔。圖4為焊縫橫截面和縱截面中的微觀和宏觀氣孔形貌。微觀氣孔主要是氫致氣孔［12，13］，其氣孔數量較多，尺寸較小，氣孔截面呈圓形，內壁光滑。宏觀氣孔主要遺傳于母材中的原始氣縮孔（以N2為主）［14，15］，氣體來源主要是母材壓鑄過程卷入的空氣，氣孔數量較少，尺寸較大，形狀不規則，內壁有金屬沖刷痕跡。

2.2 焊接電流對氣孔的影響

利用計算機附帶軟件畫圖板中的網格法測量不同焊接電流、同一焊接速率下焊接接頭凸起面積和熔化區面積，取同一焊接電流下的5個橫截面的平均值為其最終結果。將得出的面積與焊接電流的關系繪制曲線，如圖5（a）所示。并計算出不同焊接電流下的氣孔率（本文采用凸起面積與母材熔化面積的比值作為氣孔率），結果如圖5（b）所示。

從圖5可以看出，在本工作所選用的焊接工藝參數范圍內，隨著TIG電流的增大，接頭凸起面積、熔化區面積和氣孔率均不斷增加。且當焊接電流由100A增加到120A時，三者的增幅最大。分析認為，焊接電流增大，金屬的熔化量不斷增加［9］，由于母材中含有大量的氣體，從而溶入到熔池中的氣體含量增多，氣泡的膨脹程度也增大。同時，電弧焊接時，電弧對熔池表面產生作用力。隨著焊接電流的增大，電弧施加到熔池表面的壓力增大，降低氣泡向上浮出的速率，從而增大氣泡滯留在焊縫中的幾率。

圖2 不同焊接電流下焊縫橫截面的宏觀形貌 （a）60A；（b）80A；（c）100A；（d）120A Fig.2 Macro－morphologies of weld cross－section with different welding currents（a）60A；（b）80A；（c）100A；（d）120A

圖3 焊縫縱截面氣孔形貌及分布Fig.3 Morphology and distribution of pores in weld longitudinal－section

圖4 焊縫橫截面（a）和縱截面（b）微觀和宏觀氣孔的SEM照片Fig.4 Images of micro－pores and macro－pores in weld cross－section（a）and longitudinal－section（b）

圖5 不同焊接電流下焊接接頭的凸起面積、熔化區面積（a）和氣孔率（b）Fig.5 The convexity area，melting area（a）and porosity（b）of welded joints with various welding currents

2.3 氣孔的形成機理

2.3.1 焊縫近表面氣孔

由文獻［12－15］可知，焊縫近表面氣孔主要是氫致氣孔，H主要來源于母材，少部分來自空氣及保護氣體中的水分。由于H在鎂中的溶解度隨溫度的降低而明顯降低［16］，在焊后的冷卻過程中，隨溫度的降低，H不斷從金屬液體中析出，在凝固前沿形成富H區域，最終以氣泡的形式析出。同時，由于鎂合金熱導性強［17］，焊縫金屬冷卻速率快，導致氣泡在焊接熔池冷卻時來不及逸出，遺留在焊縫中形成氣孔。

2.3.2 焊縫中心區氣孔

該區域受電弧熱影響溫度較高，母材金屬全部轉化為液體。TIG焊接時，該區域預存氣孔內的氣體轉化為氣泡，并不斷膨脹，其氣泡受力示意圖如圖6所示。Fb和Ff分別表示氣泡受到的浮力和流體力，箭頭表示流體的運動方向［18］。由于此區域金屬全是液態，氣泡上浮的阻礙較小，且氣泡受到向上的流體力與浮力作用，并處于電弧的攪拌作用下［19］，三者的共同作用有利于氣泡的上浮與逸出，因此，在焊縫中心氣孔缺陷較少。但當焊接電流很大時（120A），焊縫中心出現大量的氣孔（圖2）。推測認為，這是由于電流的增大，溶入熔池的氣體含量增加，且熔深變大，氣泡浮出距離變長，同時，電弧對熔池表面產生的壓力增加，從而使形成的氣泡越難逸出，增加焊縫中形成氣孔的幾率。

圖6 焊縫中心區的氣泡受力示意圖Fig.6 Schematic illustration of forces acting on thebubble in the center of weld

2.3.3 半熔化區氣孔

在半熔化區，氣泡受到向上的浮力和沿熔合線向下的流體力作用，其合力指向焊縫中心線［14］。流體沿著熔合線向下流動，阻礙氣泡向上浮出。且鎂合金的密度小，氣泡受到的浮力小，不利于氣泡上浮和逸出。同時，由于半熔化區受母材影響，溫度相對較低，處于固－液兩相共存狀態，液體金屬的黏度大。根據Stocks公式［20］，氣泡的逸出速率Vb為

式中：g為重力加速度；r為氣泡半徑；ηl為液體金屬黏度；ρl為液體金屬密度；ρg為氣泡密度。由公式（1）可知，氣泡的逸出速率與鎂合金液的黏度成反比，黏度越大，氣泡的逸出速率越小。液體金屬黏度增大，增加了氣泡上浮和逸出的難度。氣泡在上浮的過程中，會有兩個或多個氣泡相撞并發生合并［5］，從而導致氣泡滯留在半熔化區，成為大氣孔。

圖7為半熔化區氣孔的SEM形貌。該部位氣孔起源于半熔化區，然后向焊縫區擴展、長大［12］，從形貌上看呈現出明顯的拉長、上浮狀態，部分氣孔在長大過程中還有合并現象。

圖7 半熔化區氣孔的SEM形貌Fig.7 Morphologies of pores in the partially melted zone by SEM

3 結論

（1）壓鑄AZ91D鎂合金焊接氣孔主要集中在焊縫近表面和熔合線附近，但當電流很大時（120A），焊縫中心出現明顯的氣孔缺陷。

（2）隨著焊接電流的增大（焊接速率相同），焊接接頭的凸起面積、熔化區面積以及氣孔率均不斷增加。

（3）在焊縫近表面主要是氫致氣孔，其H主要來自母材、空氣、保護氣體中的水分；在焊縫中心，氣泡受到向上的流體力和浮力作用，上浮速率較快，氣孔問題并不嚴重；在半熔化區，氣泡受到阻礙其上浮運動的流體力作用，同時液態金屬的黏度較大，增加了氣泡上浮逸出的難度，從而導致氣泡滯留在半熔化區，成為大氣孔。

［1］潘際鑾.鎂合金結構及焊接［J］.電焊機，2005，35（9）：1－7.PAN Ji－luan.Structure of magnesium alloy and welding［J］.Electric Welding Machine，2005，35（9）：1－7.

［2］陳振華，嚴紅革，陳吉華.鎂合金［M］.北京：化學工業出版社，2004.CHEN Z H，YAN H G，CHEN J H.Magnesium Alloy［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2004.

［3］CAO X，JAHAZ M I，IMMARIGEON J P.A review of laser welding techniques for magnesium alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，171（2）：188－204.

［4］MIKUCKIB A，SHEAROUSEJ D III.Interdependence of hydrogen and microporosity in magnesium alloy AZ91［A］.Proc Confon.Magnesium Properties and Applications for Automobiles［C］.Detroit，MI：Society of Automotive Engineers，Inc，1993.107－115.

［5］PASTOR M，ZHAO H，DEBROY T.Continuous wave－Nd：yttrium－aluminum－garnet laser welding of AM60Bmagnesium alloy［J］.Journal of Laser Application，2000，12（3）：91－100.

［6］ZHAO H，DEBROY T.Pore formation during laser beam welding of die－cast magnesium alloy AM60Bmechanism and remedy［J］.Welding Journal，2001，80（8）：204－210.

［7］MARYA M，EDWARDS G R.The laser welding of magnesium alloy AZ91［J］.Weld World，2000，44（2）：31－37.

［8］WAHBA M，MIZUTANI M，KAWAHITO Y，et al.Laser welding of die－cast AZ91Dmagnesium alloy［J］.Materials ＆ Design，2012，33（1）：573－576.

［9］單際國，張靖，鄭世卿，等.鎂合金激光焊接氣孔問題的實驗研究［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（增刊3）：234－239.SHAN Ji－guo，ZHANG Jing，ZHENG Shi－qing，et al.Experimental study on pores in laser welding of magnesium alloys［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2009，38（Suppl 3）：234－239.

［10］張婧，單際國，溫鵬，等.焊接工藝對壓鑄鎂合金CO2激光焊縫氣孔率的影響［J］.焊接學報，2011，32（5）：17－20，24.ZHANG Jing，SHAN Ji－guo，WEN Peng，et al.Effects of welding parameters on weld porosity during CO2laser welding of die－cast magnesium alloys［J］.Transactions of the China Welding Institution，2011，32（5）：17－20，24.

［11］單際國，張婧，鄭世卿，等.壓鑄鎂合金激光焊接氣孔形成原因的實驗研究［J］.金屬學報，2009，45（8）：1006－1012.SHAN Ji－guo，ZHANG Jing，ZHENG Shi－qing，et al.Experimental study on the reason of pore formation in laser welding of die－cast magnesium alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2009，45（8）：1006－1012.

［12］游國強，朱覺華，郭強，等.壓鑄AM60B鎂合金TIG焊組織研究［J］.特種鑄造與有色合金，2009，29（8）：729－731.YOU Guo－qiang，ZHU Jue－hua，GUO Qiang，et al.Microstructure of the TIG welded die casting AM60Bmagnesium alloy［J］.Special Casting ＆ Nonferrous Alloys，2009，29（8）：729－731.

［13］查吉利，龍思遠，吳星宇，等.壓鑄AZ91D鎂合金激光重熔區氫氣孔的形成機制［J］.材料工程，2013，（6）：29－34.ZHA Ji－li，LONG Si－yuan，WU Xing－yu，et al.Formation mechanism of hydrogen pore in die cast AZ91Dmagnesium alloy laser re－melting zone［J］.Journal of Materials Engineering，2013，（6）：29－34.

［14］王向杰，游國強，張均成，等.壓鑄AZ91D鎂合金母材氣孔在重熔過程的遺傳性研究［J］.金屬學報，2012，48（12）：1437－1445.WANG Xiang－jie，YOU Guo－qiang，ZHANG Jun－cheng，et al.Study on hereditary of pores in laser remelting of die casting AZ91Dmagnesium alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2012，48（12）：1437－1445.

［15］王向杰，游國強，楊智，等.AZ91D壓鑄鎂合金激光局部重熔區氣孔的形成機制［J］.稀有金屬材料與工程，2012，48（12）：2144－2148.WANG Xiang－jie，YOU Guo－qiang，YANG Zhi，et al.Pore formation mechanism in laser local Re－melted areas of die cast magnesium alloy AZ91D［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2012，41（12）：2144－2148.

［16］ZENG K，KLASSEN T，OELERICH W，et al.Critical assessment and thermodynamic modeling of the Mg－H system［J］.International Journal of Hydrogen Energy，1999，24（10）：989－1004.

［17］KULEKCI M K.Magnesium and its alloys applications in automotive industry［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39（9－10）：851－865.

［18］KLEINER S，BEFFORT O，WAHLEN A，et al.Microstructure and mechanical properties of squeeze cast and semi－solid cast Mg－Al alloy［J］.Journal of Light Metals，2002，（2）：277－280.

［19］陳凱，楊博，楊武雄，等.AZ91D鑄造鎂合金焊接氣孔研究［J］.應用激光，2009，29（6）：476－480.CHEN Kai，YANG Bo，YANG Wu－xiong，et al.Study on the porosity in laser welds of AZ91Dcast magnesium［J］.Applied Laser，2009，29（6）：476－480.

［20］GERMAN D，DMITRIY D.Surface Phenomena in Fusion Welding Processes［M］.New York：CRC Press Taylor ＆Francis Group，2006.262－269.