焊接工艺与组织性能研究范文

《特种铸造及有色合金杂志》2016年第三期

摘要

研究了焊接电流、焊接速度和氩气流量对AZ31合金TIG焊接接头力学性能与显微组织的影响。结果表明，当焊接电流为160A，焊接速度为4mm／s，氩气流量为10L／min时，焊接接头具有最佳的强度与塑性，焊接接头的抗拉强度达到母材的97％，屈服强度达到母材的98％。随着焊接热输入的增加，热影响区的平均晶粒尺寸增大，但是热影响区的宽度都比较窄，这可能与母材中弥散分布的第二相粒子有关。

关键词

AZ31合金；焊接工艺；力学性能；组织

AZ31镁合金由于具有比强度、比刚度高，良好的阻尼减振性和容易切削加工等特点而被广泛应用于汽车、飞机、船舶等领域。然而由于工业化生产中镁合金结构件之间的焊接处理容易产生热裂纹、气孔、焊缝区软化等问题，极大地限制了镁合金的应用［1］。随着PLC控制在冶金、建筑等行业的成功应用，对于某些具有精度要求高、工作量大的焊接结构件的连接，采用PLC控制系统对焊接工艺参数进行在线控制，可以极大提高焊接件的焊接质量和焊接效率［2，3］。本课题采用PLC控制TIG（惰性气体钨极保护焊）焊接工艺参数，研究了焊接工艺参数对焊接接头组织与力学性能的影响，以期为AZ31合金的焊接工业化应用提供参考。

1试验材料与方法

选用AZ31热挤压镁合金板材为研究对象，焊丝材质为AZ31镁合金，直径为2mm。试验合金的主要成分（质量分数，下同）为：3．4％的Al、0．60％的Zn、0．18％的Mn、0．001％的Cu、0．002％的Fe、0．003％的Si，余量为Mg。采用WP－400型交流／直流TIG焊机对试验合金进行焊接。PLC控制系统具有操作方便、位置控制精度高等优点。焊接过程的在线PLC控制按照TIG焊接规范执行［4］，焊接电流分别为100、140、160、180、200A；PLC控制的焊接速度分别为2、4、6、8mm／s，氩气流量分别为6、8、10、12和14L／min，控制电弧长度在2mm左右，钨极直径为2．5mm，喷嘴直径为8mm。按照国标GB2649的标准对不同焊接试样进行拉伸试验［5］，在MTS－810型电子万能拉伸机上进行，速率为2mm／min，测得试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率；焊接试样经过砂纸打磨、机械抛光后采用5％的草酸溶液进行腐蚀处理，在ZEISS－3型金相显微镜下观察焊接接头不同区域的微观组织，并用自带的分析软件对不同区域的晶粒尺寸分布进行统计分析。

2结果与分析

2．1焊接电流对焊接接头力学性能旳影响表1为焊接电流对焊接接头力学性能的影响，其中，焊接速度为4mm／s，氩气流量为10L／min。从表1可以看出，随着焊接电流的增加，焊接接头的屈服强度和抗拉强度都表现为先增加而后降低，且断后伸长率也表现为先增加而后降低。当焊接电流为160A时，屈服强度、抗拉强度和伸长率都取得最大值。焊接接头的断裂位置都处于靠近热影响区的部分，且焊接接头的伸长率较母材更低。造成这种现象的原因在于焊接热循环过程中焊缝区和热影响区的晶粒尺寸分布不均匀，而热影响区的晶粒相对粗大［6］，因此焊接接头的强度和塑性略低于母材。对不同焊接电流下的焊接接头的焊缝区和热影响区的晶粒尺寸进行了统计分析，结果见表2。可以看出，随着焊接电流的增加，焊缝区和热影响区的平均晶粒尺寸逐渐增大；焊缝区与热影响区的晶粒尺寸差别较大。随着焊接电流的增加，焊缝区的晶粒尺寸增长幅度较小，而热影响区的晶粒尺寸增幅较大。这是由于焊缝区的冷却速度较快，形成了细小等轴晶，而热影响区的冷却速度相对较慢，导致晶粒尺寸更为粗大。

2．2焊接速度对接头组织和力学性能旳影响表3为焊接速度对焊接接头力学性能的影响，其中，焊接电流为160A，氩气流量为10L／min。从表3可以看出，随着焊接速度增加，焊接接头的屈服强度和抗拉强度总体变化幅度不大，而断后伸长率表现为先增加而后降低，当焊接速度为4mm／s时，焊接接头可以取得最佳的综合力学性能。与焊接电流对焊接接头伸长率和断裂位置的影响类似，在不同的焊接速度下，焊接接头的伸长率都低于母材，且都在焊缝接近热影响区的位置断裂。这是由于母材是经过挤压＋热轧变形后得到的，具有较高的强度和塑性，而在焊接热循环的作用下，焊接接头的强度和塑性略有降低，此外，焊接电流对强度与塑性的影响相对于焊接速度更为敏感。不同焊接速度下的焊接接头的平均晶粒尺寸见表4。可以看出，随着焊接速度的增加，焊缝区和热影响区的平均晶粒尺寸都逐渐减小，且热影响区的降低幅度要高于焊缝区。由此可见，在同样的焊接电流和氩气流量下，较快的焊接速度有助于减小热影响区晶粒尺寸的粗化。但是如果焊接速度过快，也可能导致由于焊接热输入较低而产生未焊透的现象。综合而言，当焊接电流为160A，氩气流量为10L／min时，适宜的焊接速度为4mm／min，此时焊接接头可以获得较好的微观组织。

2．3氩气流量对接头组织和力学性能旳影响表5为氩气流量对焊接接头力学性能的影响，其中，焊接电流为160A，焊接速度为4mm／s。从表5可以看出，氩气流量的变化对屈服强度、抗拉强度和伸长率的影响较大。当氩气流量为10L／min时，焊接接头的屈服强度和抗拉强度与母材相当。当氩气流量较小时，由于焊接保护气体的不足，可能使得熔池保护效果恶化，在焊接接头中出现了一定数量的气孔、夹杂等缺陷，见图1a，图1b；当氩气流量过大时，过多的氩气会使得熔池中的紊流区扩大，使得空气卷入其中，从而造成气孔等缺陷，见图1c和图1d。当氩气流量在10L／min时，保护气体流量适当，焊缝可获得较好的成形质量，焊接接头断裂在焊缝靠近热影响区处。表6为不同氩气流量下焊接接头的平均晶粒尺寸。可以看出，随着氩气流量的增加，焊接接头焊缝区和热影响区的晶粒尺寸变化不大，与焊接电流和焊接速度对焊接接头晶粒尺寸的影响类似，焊缝区的晶粒尺寸要小于母材，而热影响区的晶粒尺寸大于母材。由此可见，在焊接电流和焊接速度一定前提下，氩气流量对焊缝区和热影响区的晶粒尺寸的影响不大。综合而言，当PLC控制焊接电流为160A，焊接速度为4mm／s，氩气流量为10L／min时，焊接接头可以得到最佳的强度与塑性。其中，焊接接头的抗拉强度达到母材的97％，屈服强度达到母材的98％。图2为最优焊接工艺下的焊接接头的显微组织。可以发现，焊缝区和热影响区之间的界限较为清晰，其中，焊缝区组织为细小等轴晶组织，且存在相当数量的第二相粒子，而热影响晶粒组织较为粗大。这种粗大的晶粒组织是由于热量输入致使靠近重熔的焊缝区的母材组织过热造成的。图3为不同焊接电流下的AZ31合金焊接接头的拉伸断口形貌。对于AZ31合金母材而言，拉伸断口中的第二相尺寸较小，分布较为均匀，见图3a；对于焊接电流为155A的焊接接头拉伸断口，断口中存在着较多的夹杂等缺陷，第二相尺寸较为粗大，见图3b；当焊接电流增加至175A时，断口中未发现明显夹杂等缺陷，粗大第二相数量较小，见图3c；焊接电流继续增加至195A，断口中第二相的数量明显增多，且尺寸分布不均匀，部分第二相尺寸达到25μm，见图3d。对焊接电流为155A和195A时的焊接接头断口的纵剖面进行扫描电镜观察可见，组织中存在较多的夹杂物缺陷和粗大第二相，这些粗大第二相在拉伸过程中会产生局部应力集中而萌生裂纹与扩展，并使得焊接接头的力学性能降低。

3结论

（1）随着焊接电流的增加，焊接接头的屈服强度和抗拉强度都表现为先增加而后降低，且断后伸长率也表现为先增加而后降低。当焊接电流为160A时，屈服强度、抗拉强度和伸长率都取得最大值。（2）随着焊接速度的增加，焊接接头的屈服强度和抗拉强度总体变化幅度不大，而断后伸长率表现为先增加而后降低，当焊接速度为4mm／s时，焊接接头具有理想的综合力学性能。（3）Ar气流量的变化对屈服强度、抗拉强度和伸长率的影响较大。当Ar气流量为10L／min时，焊接接头的屈服强度和抗拉强度与母材相当。

作者：阎竞实 徐志成 张莹 单位：长春职业技术学院 浙江大学