摘要：為了研發(fā)鎂合金新的焊接技術(shù)，采用冷金屬過渡循環(huán)步進(jìn)（CMT Cycle Step）工藝，以AZ81 為焊絲焊接AZ31B 鎂合金擠壓板材，通過光學(xué)顯微鏡、維氏硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析等手段，研究了焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能及元素分布。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫表面形成了均勻且規(guī)則的魚鱗紋；焊縫區(qū)主要由α-Mg 相和晶界處不連續(xù)的共晶組織組成，Zn 元素在母材、熔合區(qū)及焊縫區(qū)沒有明顯的濃度差異，Al 元素在焊縫區(qū)域的濃度明顯高于母材；焊縫區(qū)域硬度最高，熱影響區(qū)（HAZ）中出現(xiàn)了硬度明顯降低的軟化現(xiàn)象；焊接接頭抗拉強(qiáng)度接近母材；拉伸斷裂于熱影響區(qū)，為純剪切斷口，斷口形貌表現(xiàn)出韌性斷裂特征。

關(guān)鍵詞：鎂合金 CMT Cycle Step工藝 金相組織 力學(xué)性能 斷口形貌

 

 

1 前言

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的阻尼性能、可循環(huán)再利用性、較好的電池屏蔽性和優(yōu)異的加工性能，在航空航天、交通運(yùn)輸、3C 電子、軍工和能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。然而，鎂合金在焊接過程中易產(chǎn)生氧化物夾雜、焊縫下榻及微裂紋等缺陷，嚴(yán)重制約了鎂合金的推廣[4]。冷金屬過渡焊（Cold Metal Transfer，CMT）技術(shù)是以熔滴短路過渡為基礎(chǔ)的改進(jìn)型熔化極氣體保護(hù)焊，具有熱輸入量低、熔敷率高以及焊接穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在有色金屬焊接中應(yīng)用廣泛[5]。

吳曉明[6]等對(duì)AZ31B 鎂合金進(jìn)行了鎢極惰性氣體保護(hù)（Tungsten Inert Gas，TIG）焊研究，發(fā)現(xiàn)焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到217 MPa，為母材的87.96%，且焊接接頭彎曲性能良好。Hu[7]等利用電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)及電信號(hào)采集系統(tǒng)研究了AZ31B 焊絲CMT 電弧特性，揭示了焊接電弧在熔池和熔滴之間呈不對(duì)稱的鐘形，以及直流（Direct Current，DC）-CMT 不同送絲速度下的穩(wěn)定焊接條件。穆森[8]等采用交流CMT 焊接AZ31B軋制板材，以直徑為1.2 mm 的AZ31 作為填充焊絲，獲得了平直均勻的焊縫，并通過高速攝像機(jī)與焊接信號(hào)采集系統(tǒng)觀察了焊接過程，發(fā)現(xiàn)交流CMT 焊接為短路過渡，且熔化等量焊絲時(shí)負(fù)半波能量?jī)H為正半波能量的36%。

冷金屬過渡循環(huán)步進(jìn)（CMT Cycle Step）工藝作為一種在傳統(tǒng)CMT 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的技術(shù)，不僅能夠精確控制Cycle Step 內(nèi)CMT 循環(huán)熔滴的數(shù)量，還能設(shè)置熔滴間的間隔時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)極低的熱輸入[9]。目前，將該技術(shù)應(yīng)用于鎂合金焊接的報(bào)道較少，本文擬采用CMT Cycle Step 工藝，以Al 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的AZ81 為焊絲，研究對(duì)AZ31B 鎂合金的焊接效果，探討AZ31B 鎂合金焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能。

 

 

2 試驗(yàn)材料與方法

本文焊接設(shè)備采用Fronius 公司的TPS 400i 焊機(jī)且具備CMT Cycle Step 工藝許可，配套使用Yaskawa 公司的AR2010 型焊接機(jī)器人系統(tǒng)。在焊接過程中，采用純度為99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體，流量為24 L/min，以充分保護(hù)焊縫區(qū)域，避免氧化和污染，確保焊接質(zhì)量。

試驗(yàn)材料選用尺寸為200 mm×100 mm×4.2 mm的擠壓態(tài)AZ31B 鎂合金板材，填充焊絲選用AZ81 焊絲，直徑為1.2 mm，構(gòu)成母材及填充焊絲的化學(xué)元素如表1 所示。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，首先對(duì)2 片板料的拼接處進(jìn)行機(jī)加工，形成70°的V 形坡口。去除板料距離拼接部位20 mm 內(nèi)的表層氧化皮，并用酒精擦拭去除雜質(zhì)，確保焊接質(zhì)量。為減小變形并更加精確地控制焊縫間隙，采用自制試驗(yàn)夾具，將2 片板料固定成對(duì)接接頭，確保焊縫間隙精確控制在1.2 mm。在對(duì)接焊接時(shí)，焊縫長(zhǎng)度方向與板料的擠壓方向保持一致。

表1 AZ31B母材及AZ81焊絲化學(xué)元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

 

通過大量工藝調(diào)試試驗(yàn)，確定了表2 所示的工藝參數(shù)，獲得了單面焊接雙面成型的良好效果。焊接完成后，去除焊接過程中產(chǎn)生的焊渣和飛濺物。為對(duì)焊接接頭的組織進(jìn)行金相分析，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)焊縫進(jìn)行腐蝕，然后使用基恩士VHX-7000 金相顯微鏡進(jìn)行觀察。硬度測(cè)試采用Buehler VH1102 維氏硬度機(jī)，載荷為1.96 N，保持時(shí)間為10 s。

 

表2 CMT Cycle Step工藝焊接參數(shù)

采用Zwick Z100 材料試驗(yàn)機(jī)，以1 mm/min 的拉伸速率對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以評(píng)估焊接接頭的力學(xué)性能。試樣拉伸斷裂后，采用蔡司熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SIGMA 500 對(duì)斷口形貌進(jìn)行分析，同時(shí)，為精確分析化學(xué)成分，采用EDAX EDS 設(shè)備進(jìn)行焊縫的能譜分析。

 

 

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 接頭組織分析

焊縫的外觀形貌如圖1a 所示，表面形成了較為規(guī)則的魚鱗紋，無咬邊、氣孔、裂紋等明顯缺陷，圖1b 為焊縫截面，焊縫背呈水滴狀隆起。

圖1 CMT Cycle Step焊縫

圖2 為AZ31B 的CMT Cycle Step 焊接接頭金相顯微組織，其中，圖2a 為焊縫中心區(qū)域，其放大圖像如圖2b 所示。在焊縫區(qū)域中，可觀察到細(xì)小且均勻的等軸晶，此外，焊縫中心區(qū)域還存在大量共晶組織，多以不連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沿等軸晶的晶界處分布，這與Liu[10]所研究的情況相吻合。同時(shí)，焊縫區(qū)還散布有細(xì)小的顆粒狀析出相，零星分布在晶粒內(nèi)部或晶界處。

圖2 AZ31B CMT Cycle Step焊接接頭金相顯微組織

在焊接過程中，由于冷卻速度非?？?，合金以較高速度結(jié)晶，導(dǎo)致結(jié)晶過程為非平衡狀態(tài)，最終形成了遠(yuǎn)離平衡態(tài)的組織結(jié)構(gòu)。特別是在L 相到ɑ 相的轉(zhuǎn)變過程中，ɑ-Mg 中的Al 元素未能擴(kuò)散均勻，在尚未凝固的液相中富集，并超過了溶解度極限，進(jìn)而在凝固組織中形成共晶結(jié)構(gòu)。

圖3 為熔合區(qū)顯微組織，其左側(cè)為熱影響區(qū)，右側(cè)為焊縫區(qū)。在熔合區(qū)附近的焊縫中，未觀察到明顯的柱狀晶組織，在左側(cè)的熱影響區(qū)內(nèi)，可明顯觀察到晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)第二相顆粒也出現(xiàn)了粗化的跡象。這是由于焊接熱循環(huán)中，組織受過熱影響，其溫度遠(yuǎn)高于母材的再結(jié)晶溫度，導(dǎo)致晶界發(fā)生遷移，進(jìn)而長(zhǎng)大。

圖3 熱影響區(qū)及熔合區(qū)

圖4 為AZ31B 母材的顯微組織，母材為熱擠壓的AZ31B 型材，其微觀組織均勻，晶粒尺寸約為20～50 μm。母材的晶粒內(nèi)以ɑ-Mg 為基體，第二相顆粒β-Mg17Al12相彌散分布在晶粒內(nèi)部和晶界處。

圖4 AZ31B母材顯微組織

當(dāng)焊縫中熔池凝固時(shí)，晶粒形核首先以非自發(fā)方式依附于熔合區(qū)附近加熱至半熔化狀態(tài)的母材晶粒表面。由于使用了AZ81 焊絲，其較高的Al含量使焊絲熔滴與母材混合后形成的熔池具有更高的溶質(zhì)濃度，導(dǎo)致固-液界面前的液相出現(xiàn)更大的成分過冷。同時(shí)，鎂合金的高熱導(dǎo)率促使焊接產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)，熔池中形成更高的冷卻速率，從而促使結(jié)晶形態(tài)向等軸晶轉(zhuǎn)變。

圖5 為焊縫區(qū)共晶組織及基體元素分布情況，共晶組織中Mg 元素濃度相對(duì)較低，Al 元素濃度相對(duì)較高，Zn 元素在共晶組織與基體中的濃度沒有明顯差別。Liu 對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行了分析，認(rèn)為該共晶組織主要為Mg17Al12相[11]。

圖5 共晶組織主要元素濃度分布

圖6 為焊縫熔合區(qū)能譜儀（Energy-Dispersive x-ray Spectroscopy，EDS）面掃描分析結(jié)果，可知Mg、Al 及Zn 元素在熔合區(qū)的濃度。Mg 元素和Zn元素在母材、熔合區(qū)及焊縫區(qū)濃度沒有明顯差異。Al 元素在焊縫區(qū)域的濃度顯著高于母材，母材中存在零星高亮的Al 元素聚集區(qū)，結(jié)合圖4a 分析，該高亮的聚集區(qū)很可能為β-Mg17Al12 析出相顆粒。

圖6 熔合區(qū)EDS面掃描結(jié)果

3.2 焊接接頭的硬度分布

圖7 為焊接接頭的硬度分布，由圖7 可知，焊縫中心區(qū)域的硬度最高，平均硬度為62.8 HV，隨著位置逐漸靠近熔合區(qū)，硬度值急劇下降。在靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了1 個(gè)硬度明顯降低的軟化區(qū)，其硬度值約為45.4 HV，明顯低于母材（52.3 HV）。整體而言，焊接接頭的硬度分布呈中間焊縫區(qū)高、兩邊低的趨勢(shì)。焊縫區(qū)獲得了更加細(xì)小的等軸晶組織，由于鎂合金強(qiáng)度對(duì)晶粒尺寸非常敏感，且Hall-Petch 關(guān)系式中鎂合金具有較高的晶界強(qiáng)化系數(shù)，因此，晶粒的細(xì)化有效提高了焊縫區(qū)的強(qiáng)度[12]。相反，在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的晶粒發(fā)生粗化，局部區(qū)域強(qiáng)度降低，從而出現(xiàn)焊接接頭軟化區(qū)。此外，焊接過程中熱輸入量對(duì)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒尺寸的大小有影響[13]。

圖7 AZ31B CMT Cycle Step 焊接接頭硬度分布

3.3 焊接接頭拉伸性能

圖8 為AZ31B 母材及焊接接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其拉伸性能數(shù)據(jù)如表3 所示。采用CMT Cycle Step 工藝焊接AZ31B 鎂合金，并以AZ81為填充焊絲，所得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為264.4 MPa，母材抗拉強(qiáng)度為266.4 MPa，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的99.2%，與母材幾乎相當(dāng)。此外，焊接接頭的屈服強(qiáng)度為99.6 MPa，延伸率為12.8%。

圖8 AZ31B母材及焊接接頭應(yīng)力-應(yīng)變曲線

 

表3 AZ31B母材及焊接接頭力學(xué)性能

3.4 斷口形貌分析

對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，斷裂發(fā)生在焊接接頭焊縫附近的熱影響區(qū)，如圖9a 所示，在熱影響區(qū)的斷裂部位觀察到明顯的頸縮紋理，斷口面與拉伸軸向約成45°，如圖9b 所示。試樣表面斷口處的明顯頸縮是塑型變形的重要標(biāo)志。由于鎂合金具有較低的抗剪切強(qiáng)度極限，在拉伸力作用下，45°平面上的切應(yīng)力達(dá)到最大，因此，斷裂沿此平面發(fā)生，形成純剪切斷口。拉伸斷裂出現(xiàn)在熱影響區(qū)，說明該區(qū)域?yàn)楹附咏宇^的薄弱位置，焊接熱循環(huán)是導(dǎo)致熱影響區(qū)成為薄弱位置的根本原因。

圖9 拉伸斷裂試樣

圖10a 為焊接接頭拉伸試樣斷裂后的斷口，存在大量被拉斷的纖維“小峰”形貌，在纖維“小峰”頂部觀察到的韌窩如圖10b 所示，可觀察到明顯的韌性斷裂特征，韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形時(shí)產(chǎn)生的顯微空洞，這些空洞經(jīng)過形核、長(zhǎng)大和聚集，最終相互連接導(dǎo)致斷裂，并在斷口表面留下的痕跡。韌窩特征的形成機(jī)理為空洞聚集，即材料內(nèi)部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長(zhǎng)大并與其他空洞連接，形成韌窩斷口。纖維“小峰”的腰部或底部觀察到的臺(tái)階紋理是在應(yīng)力作用下滑移系滑移的結(jié)果，如圖10c 所示。

圖10 拉伸試樣斷口形貌

 

 

4 結(jié)論

a.AZ31B 鎂合金采用CMT Cycle Step 工藝焊接后，接頭焊縫區(qū)呈現(xiàn)細(xì)小的等軸晶組織，且存在大量共晶組織，這些共晶組織多以不連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布于等軸晶晶界處。同時(shí)，焊接接頭的熱影響區(qū)晶粒出現(xiàn)明顯的粗化現(xiàn)象。

b.元素分布方面，Zn 元素在母材、熔合區(qū)及焊縫區(qū)之間的濃度無明顯差異，而Al 元素在焊縫區(qū)域的濃度顯著高于母材。

c.焊縫中心區(qū)域的硬度最高，平均硬度達(dá)到62.8 HV，隨著靠近熔合區(qū)，硬度值急劇下降。熱影響區(qū)出現(xiàn)了硬度明顯降低的軟化區(qū)，其硬度值約為45.4 HV，明顯低于母材（52.3 HV）。

d.采用CMT Cycle Step 工藝，以AZ81 作為填充焊絲焊接AZ31B 鎂合金，所得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為264.4 MPa，強(qiáng)度達(dá)到母材的99.2%。

e.焊接接頭在拉伸試驗(yàn)中于熱影響區(qū)發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為純剪切斷裂模式，斷口存在大量被拉斷的纖維“小峰”形貌，其頂部布滿大量韌窩，顯示出明顯的韌性斷裂特征，此外，在纖維“小峰”的腰部或底部觀察到斷裂臺(tái)階紋理。