AZ31B镁合金TIG焊接接头中显微组织分析检测方案(金相显微镜)

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AZ31B 镁合金 TIG焊接接头显微组织分析 杨亮，唐江，郭可敬，，田健 (西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安710048) 摘要：探讨了2mm 厚的 AZ31B 镁合金钨极交流氢弧焊焊接的工艺特点，利用金相显微镜对焊接接头显微组织进行了分析。结果表明：随着焊接电流的增大，焊件的收缩率和焊缝的熔宽表现出先增大后减小的趋势。当焊接电流为50A时，外观成型良好，焊缝质量高，内部几乎无气孔和裂纹等缺陷。焊缝区组织呈细小的等轴晶，晶界上均匀分布着颗粒状的析出相，热影响区组织较粗大。 关键词： AZ31B镁合金； TIG焊接；显微组织 Microstructure Analysis of AZ31B Magnesium Alloys Joints WeldedWith TIG Welding Yang Liang， Tang Jiang， Guo Kejing， Tian Jian (College of Material Science and Engineering， Xi'an University of Technology， Xi'an 710048， China) Abstract： The technical characteristics of argon tungsten arc welding for AZ31B magnesiumalloy plates with 2 mm thickness were discussed. The microstructure was investigated with opticalmicroscopy (OM). The results show that， along with the increase of welding current， the shrinkagerate and fusion width are increase firstly， and then decrease. At 50 A welding currents， the weldedjoint can get good weld formation and high welding quality， with no pore and crack inside. Themicrostructure is fine equiaxed grain in welded zone and the granular precipitated phases appearin weld grain boundary.The microstructure of heat affected zones is coarser. Key words： AZ31B magnesium alloy； TIG welding； Microstructure 0前言 镁合金具有密度小、比强度比刚度高、尺寸稳定性、抗冲击、耐蚀性、耐磨性、衰减性、切削加工性、热成形性好及易于回收的优点，越来越受到人们的关注，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军工领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景1-9]。随着镁合金结构件应用范围的扩大，解决其焊接问题变得日趋重要。由于镁合金熔点低、导热率高、热膨胀系数大，与氧、氮的亲和力强，使得镁合金的焊接较一般的钢材更加困难，对焊接工艺的要求也更高。目前，钨极氩弧焊由于设备简单、价格便宜、保护性好、电弧稳定、可进行全位置焊接、焊缝成型美观、焊接接头质量高等优势，被认为是镁合金焊接最常用方法[10]尽管材料研究者通过调整焊接顺序、采用大电流、快速焊接和刚性固定等措施在一定程度上减少了焊接时的变形、热应力及焊后的弧坑、裂纹、气孔等缺陷，但未能从根本上解决问题。对此，本文主要针对AZ31B镁合金，研究其钨极交流氩弧焊的工艺特点，分析其焊接接头的微观组织。 ( 作者简介： ) ( 杨亮(1987- ) ，男，陕西洛川人，硕士研究生。主 要 从事焊接材料及金属焊接性研究，电话：159917 6 2108； E-mail：yangliang20110862@163.com ) 1 实验材料与方法 1.1实验材料 实验母材选用热挤压AZ31B镁合金板材，尺寸规格为60mmx40mm×2mm， 其主要化学成分如表1所示。AZ31B镁合金板材的抗拉强度为235MPa，延伸率为12%，显微硬度为60HV。 表1 AZ31B 镁合金板材的化学成分(wt%) Table 1 Chemical composition of magnesium alloy AZ31B (mass fraction， %) 合金牌号 Al Zn Mn Si Fe Cu Ca Mg AZ31B 2.5-3.5 0.6-1.4 0.2-1.0 0.1 0.005 0.05 0.04 Bal. 1.2焊接工艺 采用TDI-500交直流脉冲焊机(最大输出电流500A)对AZ31B镁合金板材进行对接焊接试验，接头间隙0.1mm，单面焊双面成型。焊前打磨试样表面的氧化物，并用丙酮清理了表面的油污。焊接时使用99.999%的高纯氩气作为保护气体，对焊接区采用三个喷枪分别从底面、侧面和正面进行保护，其中底面和侧面保护的气流量为20L/min，正面保护的气流量为15L/min。焊接电流分别为30A、40A、50A、60A，焊接速度为150mm/min。 1.3测试分析 用焊接专用检测尺测定收缩率、熔宽及焊高，用日本OLYMPUS公司生产的GX-71型OLYMpus金相显微镜观察接头的组织形貌。 2 结果与分析 2.1焊缝成形特点 焊接电流对焊缝成形有重要影响。如图1所示，焊接电流为30A时，正面焊缝成形不完整，背面焊缝有明显未焊透现象；焊接电流为40A时，正面焊缝成形连续完整，但背面焊缝局部未焊透现象；当焊接电流增大至50A时，正面焊缝连续、光滑，，鱼鳞状特征明显，背面焊缝平整，成形良好；当焊接电流达到60A时，焊缝表面下塌，出现弧坑、咬边、甚至烧穿等现象。 图1不同焊接电流的焊接接头宏观照片 Fig.1 Macro-photographs of welded joint under different welding current(a)-30A；(b)-40A；(c)-50A；(d)-60A 用焊接专用检测尺测定收缩率、熔宽及焊高，每个参量测三个值，测定结果取三个值的平均值。测定结果如表2所示。 表2收缩率、熔宽和余高的测试结果 Table 2 Determination results of shrinkage rate， fusion width and reinforcement Sample 收缩率(%) 熔宽(mm) 余高 成形性评分 No. 横向(总长80mm) 纵向(总长60mm) 正面 反面 (mm) (100) 0.65 0.667 4.95 4.78 0.41 70 2 1.275 0.283 5.79 6.29 0.23 80 3 1.513 0.250 6.07 7.29 0.11 85 4 4.013 0.717 6.25 6.35 0.28 55 由表2可以明显看出，随着焊接电流的增大，焊件的收缩率整体表现出增大的趋势，即母材变形越严重。当电流为30A时，电流比较小，熔宽小。当电流增大时，焊缝熔宽整体也随着增大。当焊接电流达到60A时，电流过大，焊接的熔宽虽大，但母材出现了较大的变形。本次试验余高基本持平，没有太大的变化。 根据电弧的输入能量表达式(1-1)可知[]： 当焊接速度v一定时，随着焊接电流Ⅰ的增加，q值也增大。随着电弧能量输入的增大，电弧对熔池的力越大，造成熔池形状和焊件尺寸变化越严重。 同时由表2，还可以看出，当焊接电流为50A时，焊缝成形最好，可高达85分。 2.2接头组织特征分析 在光学显微镜下观察焊接接头的组织特征，图2(a)为AZ31B 母材组织，可以看出母材晶粒为近等轴状，其尺寸约为 15um-50um。图2(b)-图2(h)为不同焊接电流条件下 AZ31B板材焊接接头横截面形貌图。焊接电流较小时(30A)，焊接接头热影响区的宽度较大，如图2(b)所示，热影响区(HAZ)的晶粒粗大，同时在拉伸试样断口中发现有未熔合的现象；随着焊接电流的增大(40A、50A)，焊接接头热影响区的宽度减小，热影响区的晶粒较小，且母材、焊缝及热影响区3个区域界限较为明显，如图2(c)所示；随着焊接电流的进一步增大(60A)，焊缝晶粒粗大，且含气孔较多，如图2(d)所示。 图2(e)、图2(f)是电流为50A时焊接接头的显微组织。由图可以看出，焊缝区组织为细小的等轴晶，属铸造急冷组织，其晶粒比母材和热影响区的晶粒细小，晶界上均匀分布着颗粒状的析出相。出现以上组织特征主要与氩弧焊热循环过程和镁合金的物理特性有关[12]。分析其原因在于，一方面，由于熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，造成成分过冷后的分布不同，因此，焊缝各部位会出现不同的结晶形态。在焊缝边界，即焊接熔池开始结晶处，由于熔合线上的温度梯度大，结晶速度小，很难形成成分过冷。随着晶粒逐渐远离边界向焊缝中心生长，温度梯度逐渐变小，结晶速度逐渐加快，熔质的质量分数逐渐增高，成分过冷区也逐渐增大。晶体生长到焊缝中心时，温度梯度最小，结晶速度最大、溶质的质量分数最高，成分过冷区大，最终生成等轴晶。镁合金的导热系数大，散热快，采用大功率高速焊，因此促进了焊缝区金属的快速凝固，使晶粒得到细化；另一方面，在高速焊接条件下，从理论上讲，在热源运动方向已无温度梯度存在，只在焊缝轴线的垂直方向上有温度梯度存在。当液相中温度梯度很小时，在液相中形成很宽的成分过冷区。这时不仅在结晶前沿形成等轴晶，同时也能在液相的内部生核，产生新的晶粒，晶粒的四周不受阻碍同时长大，形成等轴晶。镁合金导热快，氩弧焊焊接时加热源功率大，热影响区吸收的热量大，容易产生晶粒粒大；同时，经过较大的轧制变形后，产生高位错密度，以及轧制引起的残余应力而在板材中 产生较高的畸变能，轧制板材的晶粒不稳定，在吸热过程中晶粒容易长大也是导致热影响区晶粒粗大的原因。 图 2 AZ31B焊弧焊焊接接头显微组织 Fig.2 Microstructure of welded AZ31B magnesium alloy joint (a) Base metal； (b)30A； (c)40-50A； (d) 60A WZ； (e) 50A WZ； (f) 50A HAZ； (g) 60A WZ； (h) 60A HAZ 图2(g)、图2(h)是电流为60A时焊接接头的显微组织。与图2(e)、图2(f)相比较，焊缝区的晶粒明显长大，且晶界上的析出相呈连续的网状分布，而热影响区较窄，且晶粒长大不如50A下的明显。原因在于：焊接电流较大时，热输入大，相应的冷却速度较慢，导致焊缝晶粒粗大；同时，热源热量集中，焊接速度快时，热影响区就小[13]。脆性析出相的网状分布降低了焊缝的性能。以上原因导致了拉伸断裂易发生在焊缝区。 3 结论 (1)采用氩弧焊焊接AZ31B镁合金薄板时，焊接电流对焊缝成型质量有很大影响。当电流为50A时，焊缝外观成型良好，焊缝质量高，内部几乎无气孔和裂纹的焊接接头。 (2)随着焊接电流的增大，焊件的收缩率和焊缝的熔宽整体表现出增大的趋势，但增大到一定程度又会减小。 (3) AZ31B氩弧焊接头的热影响区和焊缝分界明显，热影响区晶粒较粗大，焊缝为细小的等轴晶，晶界上均匀分布着颗粒状的析出相。 ( 参考文献 ) ( [1] Munitz A ， C otler C ， Stern A， et a1. 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