AZ31B镁合金薄板的钨极氩弧焊组织与性能研究

作者:杜双明;杨亮 刊名:矿冶工程 上传者:马秀松

【摘要】探讨了2 mm厚的AZ31B镁合金钨极交流氩弧焊焊接的工艺特点,利用金相显微镜、X射线衍射仪、万能拉伸试验机、扫描电子显微镜等手段对焊接接头显微组织、焊缝相组成、接头力学性能、断口形貌特征等进行了分析。结果表明:焊接电流为50 A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,焊接接头的抗拉强度达到210 MPa,约为母材强度的87%,断裂发生在焊缝区,表现为韧-脆混合断裂。焊缝区组织呈细小的等轴晶,主要存在α-Mg和Mg17Al12两种相,热影响区组织较粗大。硬度测试结果显示,焊缝区域的硬度高于母材。

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镁合金具有密度小、比强度比刚度高、尺寸稳定性好、抗冲击、耐腐蚀、耐磨损、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、航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景[1-6]。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,是镁合金焊接最常用方法[7]。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及力学性能。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60mm40mm2mm,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。AZ31B镁合金板材的显微组织为细小的等轴晶,由-Mg和Mg17Al12组成。表1AZ31B镁合金板材的化学成分(质量分数)/%AlZnMnSiFeCuCaMg2.53.50.61.40.21.00.10.0050.050.04余量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,并用丙酮清理表面的油污。焊接时使用99.999%的高纯氩气作为保护气体,对焊接区采用3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30、40、50和60A,焊接速度为150mm/min。1.3测试分析采用日本OLYMPUS公司生产的GX-71型O-LYMpus金相显微镜观察接头的组织形貌;采用美特斯公司生产的CMT5105型微机控制电子万能试验机测试焊接试样的拉伸性能,拉伸试样如图1所示;采用日本JEOL公司生产的JSM-6460LV型扫描电镜分析拉伸试样的断口形貌;采用上海恒一公司生产的MH-5L型维氏硬度计测试接头的显微硬度;采用日本理学公司生产的D/MAX-2400型X射线衍射仪分析金焊接接头的相结构。图1拉伸试样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。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。2.2接头组织特征分析图2为AZ31B母材与AZ31B在焊接电流50A条件下焊接接头的光学显微组织照片。AZ31B母材的晶粒为近等轴状,其尺寸约为520m。AZ31B焊接接头由母材区、热影响区及焊缝区组成,热影响区的宽度约100m,其晶粒较母材粗大;焊缝区未见聚集型气孔,其组织为细小的等轴晶,其晶粒比母材和热影响区的晶粒细小,晶界上有颗粒状的析出相分布。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[8]。由于镁合金的导热系数大,散热快,可以促进焊缝区金属的快速凝固,进而细化晶粒,再加上晶粒细化元素铝等的存在也

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