AZ31B鎂合金TIG焊接接頭組織與性能

吳曉明，陳麗園，景 鋒，馬永志，郭瑞青

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

鎂合金因密度低、比剛度強、比強度高以及易于機械加工等優點，在航空航天、汽車和軌道等領域具有廣闊的應用前景[1]，但是它也有抗腐蝕性差、化學性質較活潑等缺點[2]。鎂合金的開發與應用已被科技部列為國家“十五”重大專項。高速軌道交通裝備制造技術中，鎂合金的結構件在工程材料實際應用中必須采用連接結構，但傳統的弧焊方法很容易產生氣孔、裂紋、夾渣、飛濺等焊接缺陷[3]，因此在實際應用中鎂合金的連接工藝成為必須解決的問題[4]。TIG焊是目前鎂合金常用的焊接方法。在此系統研究4mm AZ31B鎂合金TIG焊焊接接頭組織與性能。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為4 mm厚AZ31B鎂合金，其化學成分和力學性能分別如表1和表2所示。

表1 AZ31B鎂合金的化學成分Table 1 Chemical composition of AZ31B Mg alloy%

表2 AZ31B鎂合金的力學性能Table 2 Mechanical properties of AZ31B Mg alloy

焊接材料為φ3.2mm的WE-33M鎂合金焊絲，焊接材料熔敷金屬的化學成分如表3所示。

表3WE-33M焊絲熔敷金屬的化學成分%Table 3 Chemical composition of WE-33M wire welding

1.2 試驗方法

4 mm AZ31B鎂合金對接試板尺寸為300 mm×300 mm×3 mm，焊接電流打底層為 90～110 A，蓋面層為70～90 A，焊后進行外觀檢測和滲透檢測。

分別按照ISO4136-2001標準和ISO5173標準在WDW-300KN微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗和彎曲試驗。硬度試驗選用維氏硬度，根據GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度標準》，利用FM-700型顯微硬度儀測量焊接接頭表面（包括母材和熱影響區）的維氏硬度分布，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，顯微硬度儀的參數設置為：載荷200 gf（1.96 N），保持時間15 s，步長200 μm；采用Neophot-32數碼金相顯微鏡觀察母材、焊縫區、熔合線區及熱影響區的顯微組織。金相腐蝕液為苦味酸、冰醋酸、乙醇與蒸餾水的混合溶液。

2 試驗結果和分析

2.1 拉伸試驗

按照ISO4136-2001標準對4 mm AZ31B鎂合金TIG焊接接頭進行室溫拉伸試驗，試驗結果見表4。母材抗拉強度為246.7MPa，斷后伸長率為9.7%，由表4可知，焊接接頭平均抗拉強度為217 MPa，伸長率為4%，分別達到母材的87.96%和41.2%，參考ISO15614-2標準，其焊接接頭的抗拉強度Rm（W）應滿足要求

式中 Rm（W）為焊接接頭的抗拉強度；Rm（pm）為相關標準中所要求的母材抗拉強度的最低規定值；T為焊接接頭強度系數。因鎂合金與鋁合金相似，參考鋁合金取T=0.6，4mm鎂合金的強度系數遠大于0.6，可見鎂合金具有良好的拉伸性能。拉伸試件斷于焊接熱影響區，這是因為焊接熱循環作用導致AZ31B鎂合金的焊接熱影響區存在軟化現象，HAZ為焊接接頭較薄弱環節，所以試件斷于此處。

表4 拉伸試驗結果Table 4 Result of tensile test

2.2 硬度試驗

4 mm AZ31B鎂合金硬度曲線如圖1所示。焊核區的硬度分布近似為均值73 HV，由焊核區向右側硬度值逐漸降低，當達到熱影響區時，硬度降到最低值54 HV，然后逐漸增加最終達到與母材等同水平。4 mm AZ31B鎂合金硬度在熱影響區有軟化現象。焊縫的硬度高于母材，這可能與采用的焊絲有關，此外焊縫區晶粒細小，具有細晶強化作用；熱影響區受高溫熱作用，硬度降低。

圖1 4 mm AZ31B鎂合金硬度曲線Fig.1 Hardness test result of 4 mm AZ31B

2.3 彎曲試驗

4 mm AZ31B鎂合金TIG焊接接頭彎曲試驗結果如表5所示。對接接頭面彎和背彎試件均合格，且試件的彎曲角達到180°，試件未出現裂紋，接頭的彎曲性能良好。

表5 彎曲試驗結果Table 5 Result of bending test

2.4 金相組織

AZ31B鎂合金TIG焊顯微組織如圖2所示。由圖2a可知，母材基體組織為α-Mg固溶體，晶界彌散分布著黑色β-Mg17Al12沉淀相，晶粒為等軸晶，大小不均勻，這是板材擠壓成形后動態再結晶的結果。由圖2b可知，焊縫處晶粒相對熱影響區更加細小，這是因為鎂合金比熱容小且凝結潛熱低，無法吸收過多熱量，使得提供晶粒的熱源少，晶粒還來不及長大熔池已迅速冷卻凝固[5]，組織主要是α-Mg固溶體，黑點為β-Mg17Al12相，呈彌散分布。由圖2c可知，熱影響區晶粒粗大，這是因為熱影響區吸收了來自焊縫的熱量，晶粒較母材有所長大，溫度梯度小，晶粒易長大。由圖2d可知，焊縫組織和熱影響區組織差異明顯，熱影響區分布更加連續而且比焊縫處形成更大的β相，所以更易產生裂紋，力學性能較差。

圖2 焊接接頭顯微組織Fig.2 Microstructure of welded joints

2.5 疲勞結果及分析

按常規方法確定中值S-N曲線和由升降法確定1×107次循環下的中值疲勞極限，最終確定4 mm AZ31B鎂合金TIG焊對接接頭（去掉余高）脈動拉伸疲勞（應力循環比R=0.1）的中值S-N曲線如圖3所示，對接接頭指定壽命為1×107次循環下的中值疲勞極限為70 MPa。對接接頭脈動拉伸疲勞試件宏觀形貌如圖4所示。

3 結論

（1）4 mm AZ31B鎂合金試樣拉伸性能良好，滿足抗拉強度要求，由于熱影響區存在軟化區，熱影響區為薄弱區。

（2）4mm AZ31B鎂合金試樣焊接接頭彎曲試件的面彎和背彎均未出現斷裂，彎曲性能良好。

（3）4mm AZ31B鎂合金TIG焊接頭產生軟化現象，熱影響區硬度有所下降，硬度值最低。

圖3 4 mm AZ31B鎂合金TIG焊對接接頭S-N曲線Fig.3 S-N circle of butt welding joint of 4 mm AZ31B Magnesium Alloy TIG Welding

（4）焊縫晶粒為細小等軸晶，其組織由α相和β相組成；熱影響區晶粒粗大，與焊縫處相比β相更大，易產生裂紋，力學性能較差。

（5）4mm AZ31B鎂合金TIG焊疲勞強度極限為70 MPa，且斷裂位置位于熱影響區。

圖4 4 mm AZ31B鎂合金TIG焊對接接頭脈動拉伸疲勞試件宏觀形貌Fig.4 Pulsating tensile fatigue specimen of 4 mm AZ31B Magnesium Alloy TIG Welding

參考文獻：

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

[2]孫四全，王立軍.鎂合金焊接接頭力學性能的研究現狀[J].機械工程材料，2005，29（10）：11-13.

[3]張華，林三寶，吳林，等.鎂合金AZ31攪拌摩擦焊接頭的微觀組織[J].中國有色金屬學報，2013，13（6）：1510-1513.

[4]張新恩，周吉學，詹成偉，等.AZ31鎂合金氬弧焊接接頭組織與力學性能研究[J].山東科學，2012，25（3）：92-94.

[5]姚軍，魏鑫.AZ31B鎂合金焊接接頭組織特征及力學性能[J].實驗與研究，2012，41（1）：17-19.