鎂合金DE-GMAW焊接過程影響因素分析

徐 釗

（衡水學(xué)院物理與電子信息系，河北 衡水 053000）

鎂合金是一種比鋼、鋁密度更低的金屬物質(zhì)，鎂合金具有高抗腐蝕性、高抗電磁輻射性[1]，以及鑄造加工性能更佳的特點(diǎn)。近年來，鎂合金材料在航空、電子、汽車等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，成為了當(dāng)下最具有發(fā)展力的金屬材料。因此，對(duì)鎂合金材料的焊接工作開始逐漸成為一項(xiàng)研究重點(diǎn)[2]。隨著鎂合金焊接的專業(yè)研究人員越來越多，很多焊接方法被提出應(yīng)用，例如：激光焊接、雙弧焊接等。這些焊接方法的提出進(jìn)一步促進(jìn)了鎂合金焊接的研究，但是截至目前研究出的焊接方式難以滿足鎂合金材料焊接質(zhì)量要求。雙熔化極單電弧氣體保護(hù)焊工藝開始被提出，也就是DE-GMAW焊接工藝，從根本上將焊接效率進(jìn)行了提升[3]。并且通過電弧燃燒的穩(wěn)定性提高了材料焊接質(zhì)量。在材料焊接時(shí)，過程中的很多因素都會(huì)造成焊接質(zhì)量的變化。針對(duì)鎂合金DE-GMAW焊接過程影響因素分析，了解焊接過程中的決定性影響因素，才能更好地優(yōu)化鎂合金焊接方法，促進(jìn)鎂合金材料在良好應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及成分

文中采用的鎂合金材料為AZ31B鎂合金板材，材料尺寸為130mm×110mm×1.5mm，并且使用1.2mm的焊絲，具體的試驗(yàn)材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

通過準(zhǔn)備完成的試驗(yàn)材料，進(jìn)行試驗(yàn)分析鎂合金DEGMAW焊接過程影響因素。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用試驗(yàn)材料使用DE-GMAW焊接方法進(jìn)行平板堆焊。焊接過程中使用MIG焊機(jī)，并且選擇了與電機(jī)匹配的YW-35KB送絲設(shè)備，選取TIG焊槍作為旁路電流提供者。焊接材料到導(dǎo)電嘴、焊絲末端、鎢極末端的距離分別為15mm、4mm、4mm，將焊槍夾角設(shè)置為35°。此外，試驗(yàn)開始之初將主路電流和焊接電壓分別設(shè)置為220A、22V。焊接工作開始之前通過打磨的方式將材料表面的氧化膜清除，利用丙酮清理其余雜質(zhì)，將高純氫氣作為焊接過程中的保護(hù)氣體。分別在不同旁路電流、不同焊接參數(shù)、不同焊絲間距的條件下完成焊接。針對(duì)焊接完成后鎂合金材料獲取焊縫橫截面信息，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)程序完成打磨、拋光與腐蝕。將處理過的樣品依靠光學(xué)顯微鏡分析組織變化。同時(shí)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同旁路電流下焊接結(jié)果

在不同旁路電流條件下進(jìn)行鎂合金材料焊接，獲得如圖1所示焊縫截面。

圖1 不同旁路電流下焊縫截面圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)伴隨著旁路電流的增大，產(chǎn)生較大焊縫變化。在140A時(shí)無(wú)法形成穩(wěn)定焊縫，并且部分區(qū)域出現(xiàn)下榻和燒穿現(xiàn)象。電流增加至150A、160A才可以形成穩(wěn)定焊縫，伴隨著明顯的魚鱗紋出現(xiàn)。當(dāng)電流為170A的條件下焊縫出現(xiàn)偏移現(xiàn)象造成熔寬穩(wěn)定度較差。在旁路電流不斷升高的情況下，材料焊接后的熔寬呈現(xiàn)平緩的降低改變。熔深大幅度降低而余高則開始提升。

2.2 不同脈沖參數(shù)焊接結(jié)果

DE-GMAW焊接工藝主要應(yīng)用的脈沖MIG焊是依靠脈沖參數(shù)控制焊接質(zhì)量。因此，脈沖參數(shù)合理選擇的重要性是不言而喻的。針對(duì)不同脈沖參數(shù)進(jìn)行了MIG焊實(shí)驗(yàn)，根據(jù)脈沖參數(shù)中脈沖峰值電流的大小，探討焊接結(jié)果。選取100A、180A、260A、340A、420A這5個(gè)峰值電流進(jìn)行測(cè)試。

面對(duì)應(yīng)用不同脈沖參數(shù)條件下完成的焊接材料，進(jìn)行拉伸性能的測(cè)試,隨著脈沖峰值電流的變化，焊接材料的抗拉伸性能也處于不斷變化的狀態(tài)。從材料的伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率三方面進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著峰值電流的增長(zhǎng)，三方面性能都處于先上升后下降的趨勢(shì)。其中，在180A～260A的峰值電流范圍內(nèi)，焊接的拉伸性能最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了198MPa，伸長(zhǎng)率、斷面收縮率的最高數(shù)值分別為12.85%、12.30%。

2.3 不同焊絲間距的焊接結(jié)果

將一些試驗(yàn)參數(shù)固定，將焊接總電流和旁路電流設(shè)置為170A、120A，電壓固定為24V，焊絲的間距分別依據(jù)2mm、3mm、4mm條件下進(jìn)行焊接主路電弧穩(wěn)定性測(cè)試。不同焊絲間距下，主路電弧變化情況如圖2所示。

如圖2所示，當(dāng)焊絲間距為2mm和4mm時(shí)，主路電弧的偏移量有所減小但是電弧穩(wěn)定性不足。間距為3mm時(shí)主路電弧燃燒穩(wěn)定，提升焊接穩(wěn)定性。

圖2 不同焊絲間距焊絲間距對(duì)主路電弧的影響

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

鎂合金材料焊接過程中DE-GMAW應(yīng)用時(shí)，焊縫的成型很大部分取決于旁路電流。

旁路電流從140A開始逐漸增大，而焊接中材料電流開始減小，熱輸入逐漸降低，使得焊縫熔深也處于不斷變化的狀態(tài)。旁路電流保持在160A的情況下，焊接過程中鎂合金材料的電流作用最佳，呈現(xiàn)出熔透效果良好、電弧穩(wěn)定且焊縫成型。超過這個(gè)范圍就會(huì)造成熱輸入缺乏，導(dǎo)致焊縫發(fā)生偏移。在鎂合金DE-GMAW焊接過程中，旁路電流是重要影響因素之一。

從脈沖參數(shù)方面來看，當(dāng)脈沖峰值電流達(dá)到70A后，焊接材料呈現(xiàn)出較好的拉伸性能。此時(shí)，抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率分別為198MPa、12.85%、12.30%。脈沖峰值電流的不合理應(yīng)用會(huì)造成焊接接頭斷裂，影響焊接效果。

從焊絲間距來分析，焊絲間距影響著焊接主路電弧穩(wěn)定性。焊絲間距越小，送絲速度隨之增大，造成電弧穩(wěn)定性提高最終減少焊縫偏移情況。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)間距為3mm情況下，焊接的送絲速度與焊絲的熔化速度最為合適。當(dāng)間距進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，電弧穩(wěn)定性急劇下降，無(wú)法得到良好的焊縫。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以鎂合金DE-GMAW焊接為主要研究?jī)?nèi)容，通過試驗(yàn)的方法分析焊接過程影響因素。通過本文的研究，有利于DE-GMAW焊接工藝的快速發(fā)展，從而促進(jìn)鎂合金材料在各個(gè)行業(yè)的有效應(yīng)用。