AZ31镁合金氩弧焊接接头组织与力学性能研究

作者:张新恩;周吉学;詹成伟;赵东清;李卫红;唐守秋;杨院生 刊名:山东科学 上传者:黄碧波

【摘要】钨极氩弧焊(TIG)为镁合金焊接中最常用的一种焊接方法。本文采用直流钨极氩弧焊对6.0 mm厚AZ31镁合金挤压板材进行了双面焊接实验。采用光学显微镜、扫描电镜、拉伸试验机考察分析了焊接接头显微组织与力学性能。显微组织分析表明,AZ31镁合金直流TIG焊接头由母材、热影响区、焊缝区组成,焊缝组织呈现焊丝熔化后凝固组织;在母材热影响区与焊缝区之间坡口处形成过渡区,晶粒细小,为母材与焊丝的熔合区。采用AZ31焊丝焊接接头平均抗拉强度为241.0 MPa,延伸率为13.8%,分别达到了母材的86.0%和63.6%。焊接接头的断裂均位于热影响区,断口呈现韧脆混合断裂特征。

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镁合金作为最轻的金属结构材料,具有高的比强度、比刚度和优异的导热、减震、电磁屏蔽等性能,对于减重和节能具有独特的优势,近年来开始替代铝材和钢铁,在交通工具、电子通讯、民用家电、航空航天、国防军工等领域具有极其重要的应用价值,是当今世界发展最快的轻合金,被誉为“21世纪绿色工程材料”[1-6]。目前,镁合金结构件,尤其是型材、板材应用需求不断增加,镁合金连接工艺成为必须解决的问题,而焊接是金属材料连接工艺中最简单普遍的连接方式。相对于钢铁材料及铝合金,镁合金焊接性能较差,焊接问题成为制约其广泛应用的首要问题[7-10]。因此,镁合金焊接技术的开发和应用对镁合金产业化具有重要的现实意义。钨极氩弧焊(TIG)因简单实用成为镁合金焊接中最常用的一种焊接方法,主要是对镁合金进行交流氩弧焊接工艺研究,采用的工艺主要是交流电源,单面焊接等[11-13],但对于结构件中常用的AZ31挤压板材,采用直流电源双面焊接方式的报道并不多见。本文针对AZ31镁合金挤压板材进行直流TIG工艺实验,对焊接接头的显微组织进行了分析研究,并对AZ31挤压板材焊接接头力学性能进行了测试分析。1实验材料与方法焊接实验采用厚度为6mm的AZ31镁合金挤压板材。焊丝为与母材相同化学成分的直径为3mm的AZ31镁合金挤压焊丝。化学成分见表1。表1AZ31镁合金挤压板材和焊丝的化学成分Table1ChemicalcompositionofAZ31magnesiumalloy成分AlZnMnSiCuFeNiMg质量分数/%3.10.70.20.010.050.050.05Bal.表2AZ61镁合金板材直流焊接工艺参数Table2ParametersofTIGwelding钨丝直径/mm焊丝直径/mm焊接电流/A焊接速度/(mms-1)氩气流量/(Lmin-1)23803414图1AZ31镁合金板材焊接方式Fig.1IllustrationofTIGwelding焊接使用奥太WSME-315型氩弧焊机进行直流焊接实验,保护气为纯度99.99%的氩气,具体焊接参数见表2。焊接时采用平板对接,对接方向沿板材挤压方向,如图1所示,焊接过程采用双面填丝焊接工艺。焊前先用丙酮清除其表面油污,然后再用砂纸正反面打磨去除其表面氧化膜。焊接前在母材开60的V形坡口。焊后沿焊缝垂直方向取样,按照GB/T13450-92制备不同参数下的焊接接头拉伸试样,每个工艺参数下制备3个试样,取平均值作为该参数下的测定值。在电子万能试验机上进行常温拉伸实验,拉伸速度为2mm/min。用金相显微镜和扫描电镜(SEM)分别对焊接接头的组织形态、拉伸断口进行观察。图2AZ31镁合金板材焊接接头组织Fig.2Microstructureofweldingjoint2结果与讨论2.1焊接接头组织分析图1为焊接样品外观形貌,焊接接头的焊缝成形美观,为均匀的重叠鱼鳞状,焊缝无明显的下塌。图2为AZ31镁合金板材双面焊接接头组织,可以看出,经过双面焊接,接头组织致密,母材与填充焊丝完全熔合,无明显气孔、裂纹、未熔合等缺陷。AZ31镁合金TIG焊接头由母材、热影响区、焊缝区组成。图3为AZ31挤压板材焊接接头的母材、热影响区、焊缝区组成组织。由图3(a)可以看出,AZ31板材母材组织为具有一定取向的等轴晶组织,母材组织由于在挤压过程中发生了动态再结晶,组织中出现了细小等轴晶,晶粒尺寸约为10m。热影响区组织为均匀等轴晶。这是由于挤压板材在焊接过程中,由于离焊缝较近,受热影响发生了再结晶,形成了等轴晶,同时,相对于母材组织,晶粒有所长大,大约为2

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