AZ31B鎂合金CMT焊接接頭組織與力學性能

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

0 前言

鎂及鎂合金質量輕、比強度和比剛度高，具有阻尼減振、電磁屏蔽、導電導熱性好且易于加工等優點，被喻為21世紀綠色工程材料之一，是目前最輕的金屬結構材料[1]，在軌道車輛、航空航天、國防軍工電子機械等領域具有廣闊的應用前景[2-4]。然而，由于鎂合金低熔點、高線膨脹系數及導熱率，在焊接過程中容易出現氧化燃燒、熱影響區寬、氣孔裂紋及焊后變形大等焊接缺陷，難以獲得與母材性能相匹配的焊接接頭，嚴重制約了鎂合金的發展和應用。隨著鎂合金結構件的廣泛應用，其焊接問題的解決變得日益迫切[5]。

近年來關于鎂合金焊接技術的研究越來越多，其中攪拌摩擦焊、MIG焊、激光焊、電子束焊等熔焊方法可以解決一些焊接問題，但是焊接過程中的氣孔、下塌和燒蝕等缺陷仍然存在，同時這些設備復雜、使用成本高，不利于大規模推廣應用[6-7]。冷金屬過渡焊技術CMT（Cold Metal Transfer）是一種以熔滴短路過渡為基礎的改進型熔化極氣體保護焊，具有更低的熱輸入量、更高的熔敷率和焊接速度，以及更出色的焊接穩定性等優點[8]，受到了焊接研究人員的極大關注。本研究針對目前應用較廣的擠壓態AZ31B鎂合金，采用CMT方法進行3mm薄板AZ31B鎂合金對接焊工藝及接頭性能的研究。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為尺寸200 mm×100 mm×3 mm擠壓態AZ31B鎂合金板材，屬于Mg-Al-Zn系列合金；焊接填充材料選用直徑φ1.6 mm WE-33M焊絲，母材及焊絲的化學成分如表1所示。焊前用鋼絲刷清除試板接頭正面及其周圍40 mm處氧化物，再用丙酮清洗油污。焊接過程中為了減少試板變形，采用自制焊接夾緊裝置將2塊試板沿板面垂直方向夾緊。自制焊接工裝帶有銅墊板，為保證焊接間隙，墊板前段加入相同厚度的引弧板，對接試板之間垂直放入間隙板。

表1 母材及焊絲的化學成分 %

1.2 試驗方法

CMT焊接設備使用Fronius公司Advanced4000R焊機，焊機配備 RCU5000i遙控器、CMT VR7000送絲系統、YASKAWA公司生產的MOTOMAN焊接機器人系統，焊接裝置如圖1所示。焊接過程中采用機器人施焊，以保證焊接速度穩定。由于鎂元素非常活潑，為防止焊縫氧化，焊接時采用純度99.99%的氬氣作為保護氣體，氬氣流量25 L/min。

采用單面焊雙面成形方法，觀察不同焊接參數下的焊縫成形。CMT運行程序選用Mg-φ1.6，由于CMT焊接系統擁有豐富的專家化系統，其焊接電流、焊接電壓以及送絲速度都是一元化匹配的，在RCU5000i遙控器上均有顯示，操作時通過調節送絲速度即可確定焊接電流和焊接電壓，從而確定熱輸入量。

焊后對焊縫成形良好、外觀無缺陷的焊接試樣進行制樣，并分別進行微觀組織分析、抗拉和硬度測試、拉伸斷口分析。焊接接頭拉伸試驗尺寸見圖2。

圖1 CMT焊接裝置

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫外觀

經過大量摸索性試驗，確定在焊接電流76 A、送絲速度6m/min，焊接速度8mm/s、焊縫間隙1.5mm工藝參數下能夠獲得良好的焊縫成形，如圖3所示。圖3a為焊縫正面照片，銀白色魚鱗紋致密均勻，無下塌、氣孔、咬邊等缺陷，表面成形均勻。圖3b為焊縫背面照片，完全熔透，寬度均勻且與焊縫正面相比較窄，表面光滑無缺陷。由于CMT熱輸入低，試板焊后幾乎無變形。

圖2 AZ31B鎂合金CMT焊接接頭拉伸試驗尺寸

2.2 焊縫顯微組織

焊縫截面形貌及顯微組織如圖4所示。圖4a為焊縫截面形貌，可以看到母材區、熱影響區和焊縫區。圖4b為母材，晶粒為大小不均勻的等軸晶，這是板材熱擠壓成型后動態再結晶的結果。母材、熱影響區和焊縫區3個區域內的顯微組織存在著明顯差異，焊縫區黑色析出物最多且多分布在晶界處。圖4d中白色部分為AZ31B鎂合金基體組織 α-Mg，第二相黑色析出物為β-Al12Mg17，β-Al12Mg17呈小顆粒狀彌散不均勻地分布在α-Mg基體組織上。

圖3 AZ31B鎂合金CMT焊縫宏觀形貌

2.3 焊接接頭顯微硬度

接頭硬度測試結果如圖5所示。由圖5可知，焊接接頭的顯微硬度-大致沿焊縫中心線呈兩側對稱分布，其中焊縫區的顯微硬度最高，平均約為86 HV；母材區的顯微硬度約為65 HV；熱影響區硬度最低，約為62 HV。

圖4 AZ31B鎂合金CMT焊接接頭的金相顯微組織

2.4 焊接接頭拉伸結果

將焊接接頭打磨掉焊縫余高后制取拉伸試樣，在萬能試驗機進行拉伸試驗，測試4組拉伸數據，然后計算其平均值。對接接頭拉伸試驗斷裂位置位于母材，如圖6所示，斷口為母材45°方向，焊縫區域有明顯的塑性變形痕跡，接頭及母材拉伸測試結果如表2所示。

表2 接頭及母材拉伸性能

由表2可知，3 mm厚AZ31B鎂合金CMT焊接接頭抗拉強度最高達到母材抗拉強度的96.7%，延伸率最高達到母材的98.6%。

拉伸斷口微觀形貌如圖7所示。由圖7a可知，擠壓態的AZ31B鎂合金在室溫下的拉伸斷口呈現出明顯的塑性斷裂特征，斷口中存在一些較深的韌窩，但韌窩底部第二相顆粒很少，韌窩之間有明顯的撕裂棱，并沿著不同方向擴展。從圖7b可以看到部分解理特征，同時存在韌窩和撕裂棱，表面具有韌-脆混合的形貌特征。

圖5 AZ31B鎂合金CMT焊接接頭的顯微硬度

圖6 CMT焊接接頭拉伸試樣

拉伸斷口的EDS測試結果如圖8所示，與表1的AZ31B鎂合金母材化學成分基本相同，與金相觀察結果相吻合。焊縫區晶粒最細，根據Hall-Petch公式可知，焊縫晶粒越細小，焊縫金屬強度越高。同時，小顆粒β-Al12Mg17析出物具有彌散強化作用，在形變過程中會阻礙位錯運動，這使得焊縫強度有所提高[9]。

圖7 AZ31B鎂合金CMT焊接接頭室溫拉伸斷口

圖8 AZ31B鎂合金CMT焊接接頭拉伸斷口EDS結果

3 結論

（1）對厚度3mm的AZ31B鎂合金采用CMT對焊，在焊接電流76 A、送絲速度6 m/min，焊接速度8 mm/s、焊縫間隙1.5 mm的工藝參數下獲得成形良好的焊縫，焊接過程穩定、無飛濺。

（2）焊縫組織晶粒細小，焊縫區的顯微硬度最高，平均約為86 HV；其次為母材區的顯微硬度，約為65 HV，熱影響區硬度約為62 HV。

（3）3 mm厚的AZ31B鎂合金CMT焊接接頭最大抗拉強度為248.8 MPa、伸長率7.16%，略低于母材，分別為母材的96.7%和98.6%。斷裂位置位于母材區，屬于韌性斷裂。