AZ91磁控A-TIG焊電弧形態及焊接接頭組織性能*

蘇允海， 艾星宇， 宋碧倩

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870)

鎂合金具有密度小、比強度高、剛性好、易回收等一系列優點[1-3]，在汽車、航空航天和運動器材等領域具有廣泛的應用空間.但是鎂合金自身的物理化學特性導致其焊接時易產生熱裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，因而不容易獲得高質量的焊接接頭.因此，提高鎂合金焊接性，從而獲得優質的焊接接頭是非常必要的[4].

磁控焊接是近些年逐漸發展并趨于完善的一種新焊接技術.中外許多學者對該技術進行研究后發現，磁場會對熔池起到電磁攪拌作用.當磁場參數適當時，能夠改變熔池金屬的流動，控制晶粒的生長，從而細化晶粒并全面提高焊接接頭的綜合性能[5-6].傳統TIG焊熔深較淺，熔敷率較低，不利于提高生產效率.A-TIG焊是一種新的焊接技術且備受各國學者關注.TiO2活性劑可以作用于熔池并有效增加熔深.本文采用高速攝影技術在A-TIG磁控焊接中研究了磁場和活性劑對鎂合金焊接接頭組織性能的影響，并對磁場和活性劑的作用機理進行了初步分析和討論.本文將磁場和活性劑同時應用于鎂合金A-TIG焊過程中，通過對電弧形態和焊接接頭的組織性能進行分析，揭示了磁場和活性劑對AZ91鎂合金焊縫組織性能的影響規律與作用機理.

1 材料及方法

選用AZ91鎂合金板材作為焊接母材，鎂合金板材尺寸為50 mm×100 mm×5 mm，其化學成分為w(Al)=8.3%～9.7%，w(Zn)=0.35%～1%，w(Mn)=0.15%～0.5%，余量為Mg.

本文采用TiO2活性劑，且其涂覆量分別為1、2、3、4和5 mg/cm2.采用電子天平稱量活性劑粉末并溶于適量酒精中，利用刷子將活性劑溶液涂覆于試板上并靜置24 h.對涂覆了活性劑的試板進行自動A-TIG焊焊接，所用焊機為WSE-500型逆變焊機.焊接時在試板下施加縱向磁場，且所加磁場由MCWE-10/100型耦合磁控設備提供.在焊接過程中工件固定不動，焊槍隨小車移動，并對試板表面進行單道熔敷.在具體焊接過程中焊接電流為70～90 A，焊接速度為100 mm/min，氣體流量為15 L/min.為了分析磁場和活性劑對電弧的影響，采用Phtron Ultima512型高速攝影機對電弧進行檢測.高速攝影鏡頭與試件間的距離為800 mm，拍攝幀數為2 000幀，在鏡頭前加裝中灰密度鏡，并使鏡頭軸線與試件處于同一平面內，高速攝影機具體擺放位置示意圖如圖1所示.

圖1 高速攝影機擺放位置示意圖Fig.1 Schematic placing position of high-speed camera

利用Carl Zeiss AXIO Observer A1m型金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織.利用HD-187.5型維氏硬度計測量焊接接頭的顯微硬度.利用MAXima XRD-7000型X射線衍射儀對焊接接頭進行物相分析.

2 結果及分析

2.1 工藝參數對焊縫成形系數的影響

焊縫橫截面上焊縫寬度與焊縫深度的比值稱為焊縫成形系數.焊縫成形系數可以用來反映焊縫成形性和焊接接頭性能的優劣.利用正交設計軟件繪制不同工藝參數下焊縫熔深、熔寬與成形系數的正交因數指標曲線，結果如圖2所示.由圖2a可見，隨著磁場電流的增加，焊縫成形系數變化較為平緩.當磁場電流為1.5 A時，成形系數達到最大值.由圖2b可見，當磁場頻率低于30 Hz時，隨著磁場頻率的增加，焊縫成形系數先增加后減小.當磁場頻率為50 Hz時，焊縫成形系數達到最大值.由圖2c可見，隨著焊接電流的增加，焊縫成形系數變化不大，曲線趨于平緩.當焊接電流為85 A時，焊縫成形系數達到最大值.由圖2d可見，隨著活性劑涂覆量的增加，焊縫成形系數開始急劇增大，當涂覆量為2 mg/cm2時，成形系數達到最大值，此后，焊縫成形系數逐漸降低.

由正交因數指標曲線可知，當磁場電流為1.5 A，焊接電流為85 A，磁場頻率為50 Hz，涂覆量為2 mg/cm2時，焊縫成形系數相對較大.成形系數過大或過小都會造成焊縫成形性較差.當成形系數在最大值與最小值之間且滿足A-TIG焊成形系數標準時，為最佳成形系數.結合焊后焊縫表面成形狀態可知，當成形系數處于4.5～5之間時，焊縫成形性良好.

2.2 工藝參數對焊接接頭性能的影響

采取正交試驗對焊接電流、磁場電流、磁場頻率和涂覆量進行優化，得到焊縫硬度的正交因數曲線，結果如圖3所示.

由圖3a可見，隨著焊接電流的增加，焊縫硬度曲線整體呈現先增大后減小的趨勢.當焊接電流為80 A時，焊縫硬度達到最大值68.88 HV.當焊接電流高于80 A時，焊縫硬度整體呈下降趨勢，但當焊接電流為90 A時，焊縫硬度曲線出現了上翹現象.這是因為當焊接電流較小時，熱輸入過低，不利于合金元素的固溶，固溶強化效果較差，因而焊接接頭性能偏低.隨著焊接電流的增加，晶粒得到細化且固溶強化效果明顯，從而可以提高焊接接頭性能.但隨著焊接電流的進一步增加，熱輸入隨之增加，熔池高溫停留時間變長，晶粒生長時間過長，導致組織粗大，因而焊接接頭性能偏差.由圖3b可見，隨著磁場電流的增加，焊縫硬度先減小后增大再減小.當磁場電流為1.5 A時，焊縫硬度能夠達到最大值68.02 HV.這是因為合適的磁場所產生的電磁攪拌作用使得焊縫處的晶粒得到細化，因而焊縫性能得到提升.然而隨著磁場電流的增加，磁場強度也隨之增大.此時在電磁阻尼作用下熔池的運動方式發生改變，使得焊縫區組織變得粗大，從而降低了焊縫的力學性能.由圖3c可見，焊縫硬度隨著磁場頻率的增加先增加后減小，當磁場頻率為30 Hz時，焊縫硬度達到最大值68.62 HV.由圖3d可見，焊縫硬度隨活性劑涂覆量的增加呈現先減小后增大再減小的變化趨勢.觀察圖3d可知，當涂覆量為3 mg/cm2時，焊縫硬度達到最大值67.84 HV.由于氧化物活性劑會改變焊接熔池的流動方式，使得熔池金屬從表面向中心流動，當活性劑涂覆量過大時，會增加焊接熱輸入，從而造成焊縫組織粗大，因而會降低焊接接頭的力學性能.

圖2 焊縫熔深、熔寬與成形系數的正交因數指標曲線Fig.2 Orthogonal factor index curves of weld penetration，weld width and forming factor

圖3 焊縫硬度的正交因數指標曲線Fig.3 Orthogonal factor index curve of hardness of welded seam

由焊縫硬度的正交因數曲線可以得到在最佳焊接工藝參數下磁場電流為1.5 A，磁場頻率為30 Hz，焊接電流為80 A，涂覆量為3 mg/cm2.經試驗可知，在最佳焊接工藝參數下焊縫硬度最大值為68.88 HV.

2.3 電弧形態與活性劑作用形式

由于高速攝影機的拍攝幀數為2 000幀，而交流鎢極氬弧焊的工作頻率為50 Hz，因此，在一個0.02 s的電弧周期內高速攝影機能夠拍攝到40張圖像，在每個電弧周期內選取間隔相同的8張照片進行分析，并按照照片張數進行編號.為了分析焊接工藝參數對電弧形態的影響，選取3組工藝參數進行分析.第1組參數中磁場電流為1.5 A，磁場頻率為10 Hz，焊接電流為70 A，活性劑涂覆量為1 mg/cm2；第2組參數為最佳焊接工藝參數；第3組參數中磁場電流為5.5 A，磁場頻率為40 Hz，焊接電流為80 A，活性劑涂覆量為2 mg/cm2.

不同工藝參數下的電弧形態如圖4所示.由圖4可見，在3組工藝參數下電弧均發生了旋轉，這是縱向磁場對電弧施加的洛倫茲力所致.圖4中不同參數下的拍攝條件完全一致，都是對移動電弧進行靜態拍攝，但不同焊接參數下電弧形態不盡相同.由圖4a可見，當磁場強度較小時，電弧弧柱區較寬，電弧收縮并不明顯.由圖4b可見，在最佳工藝參數下電弧的旋轉半徑最小，電弧的挺度最高，且陽極斑點偏移最小.由圖4c可見，隨著磁場電流的增大，電弧的偏移程度逐漸加劇，電弧陽極斑點也隨著漂移，這種變化使得電弧整體旋轉半徑變大[7]，同時焊接試板上實際施焊區域隨之增大，單位面積吸收熱量減少，焊接接頭熔寬變大、熔深變小，從而導致外加磁場的作用無法起到正向作用.

液態金屬在熔池中的流動方式對熔池的形成具有極大影響，而熔池金屬流動方式主要由表面張力梯度決定[8].圖5為表面張力系數對熔深的影響.由圖5a可見，當在A-TIG焊過程中熔池表面張力系數為負值時，即焊接金屬熔化狀態下的表面張力具有負的張力梯度時，熔池表面金屬從焊縫中心向四周流動，因而形成了寬且淺的焊接形貌.由圖5b可見，當選用TiO2為活性劑時，熔池表面張力系數為正值，活性劑中含有的O元素為Mg的活性元素，能夠使得液態熔池由自中心向邊緣的流動方式轉變為由邊緣向中心的流動方式，從而將電弧更多的熱量傳遞到熔池底部，使得用于熔化熔深方向的熱量增加，因而焊縫的熔深增加.

圖4 不同工藝參數下的電弧形態Fig.4 Arc morphologies under different technological parameters

圖6為焊縫截面的實測圖(單位：mm).由圖6可見，焊縫形貌不是普通的弧形而是上下幾乎呈直線形貌，這也證明了TiO2作用于熔池表面可以增加熔深.

2.4 顯微組織分析

通常認為，顯微組織的變化會引起材料力學性能的變化.圖7為不同焊接工藝參數下焊縫的顯微組織.由圖7可見，在活性劑和縱向交流磁場的聯合作用下，鎂合金焊縫組織發生了顯著變化.由圖7a可見，母材組織呈亮白色，且未發現黑色析出相.由圖7b、c可見，焊縫組織由亮白色初生相和黑色第二相組成，晶界處存在網狀第二相聚集的現象，基體被分割成塊狀.非最佳焊接工藝下焊縫組織中的黑色析出相較少.其中：在第1組非最佳焊接工藝中磁場電流為2.5 A，磁場頻率為40 Hz，焊接電流為90 A，活性劑涂覆量為1 mg/cm2；在第2組非最佳焊接工藝中磁場電流為4.5 A，磁場頻率為50 Hz，焊接電流為80 A，活性劑涂覆量為1 mg/cm2.由圖7d可見，在最佳焊接工藝參數下，焊縫組織中的黑色析出相明顯增多，焊縫組織得到明顯細化，此時焊縫硬度達到最大值.此外，共晶組織數量也明顯增多且呈顆粒狀均勻分布在晶界處，從而進一步提高了焊縫的力學性能，此時焊縫成形系數為4.62，焊縫成形性良好.由于在縱向交流磁場作用下，在原有沿焊接方向上的熔池流動速度的基礎上，附加了一個側向速度，因此，焊接熔池的總流動速度大于未施加磁場時的熔池流動速度.另外，隨著熔池邊界與熱源距離的變小，固液界面前沿的溫度梯度也會增加[9].冷卻速度由于電弧的旋轉而顯著增加，因而在磁場作用下晶粒可以得到細化.

圖5 表面張力系數對熔深的影響Fig.5 Effect of surface tension coefficient on penetration

圖6 焊縫截面的實測圖Fig.6 Actual measurement image of section of welded seam

圖7 不同焊接工藝參數下焊縫的顯微組織Fig.7 Microstructures of welded seam under different welding technological parameters

圖8為最佳焊接工藝參數下焊接接頭的SEM形貌.由圖8可見，熱影響區的晶粒尺寸明顯大于焊縫區的晶粒尺寸.這是因為熱影響區在焊接過程中不發生相變，吸收的大量熱量多用于晶粒生長，因而晶粒尺寸較大.

圖8 最佳焊接工藝參數下焊接接頭的SEM形貌Fig.8 SEM images of welded joints under optimal welding technological parameters

為了確定焊縫中的物相組成，對焊縫縱截面進行了XRD分析，結果如圖9所示.由圖9可見，焊縫區的物相由α-Mg固溶體和β-Al12Mg17金屬間化合物構成.根據合金元素組成及衍射峰特點，可以判定β-Al12Mg17為第二相.

圖9 焊縫的XRD圖譜Fig.9 XRD spectrum of welded seam

3 結 論

通過以上分析可以得到如下結論：

1) 在縱向磁場和氧化物活性劑聯合作用下，AZ91鎂合金焊接接頭的顯微組織得到明顯細化，力學性能得到提高.在最佳焊接工藝參數中磁場電流為1.5 A，磁場頻率為30 Hz，焊接電流為80 A，涂覆量為3 mg/cm2，且此時焊縫硬度最大值為68.88 HV，焊縫成形系數為4.62.

2) 當TiO2活性劑作用于熔池時，焊縫熔深得到增加.施加縱向磁場會使電弧發生旋轉，對焊接熔池起到電磁攪拌作用，晶粒細化效果明顯，但磁場過大會影響電弧穩定性，進而影響焊縫成形性及組織性能.