2 mm厚AZ31B鎂合金TIG焊接工藝研究

任海軍

摘 要：文章采用鎢極氬弧焊（TIG）對接頭焊接方式焊接厚度為2.0 mm的AZ31B鎂合金，并對AZ31B鎂合金相關焊接工藝進行研究，并就焊接成型和焊接接頭力學性能所受到的焊接工藝參數，例如焊接電流和焊接速度等原因的影響規律進行了探討，利用萬能拉伸試驗機對焊接接頭的力學性能進行了分析。試驗結果表明，在焊接AZ31B鎂合金TIG時，焊縫表面形狀與焊縫成形質量都受到焊接工藝參數的顯著影響。焊接電流對AZ31B鎂合金薄板力學性能影響很大，電流太大或太小，都會使接頭力學性能下降。若設定焊接電流80 A，6 mm/s焊接速度，正面氬氣流量設為12 L/min，背面氬氣流量約為1.5 L/min時，焊接板厚為2.0 mm的AZ31B鎂合金能獲得焊縫成形良好、接頭力學性能優良的焊接接頭。在該工藝參數下，接頭的抗拉強度、伸長率分別達到了母材的88.6%和75.3%。

關鍵詞：薄板鎂合金；TIG焊；焊接工藝

中圖分類號：TG444.74 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）32-0004-02

密度小、比強度高、減震性好以及機械加工性能好等都是鎂合金的優點，并且鎂合金在諸如機械、化工、交通、航天航空、核工業、石油設備等領域應用廣泛，是優良的環保、節能材料，符含當今時代的發展要求，備受人們的關注，所以其應用領域也越來越廣。我國鎂的產量和儲藏量位列前茅，所以是理所當然的鎂出口大國，全球有40%的原鎂為我國產，且出口量達80%以上。但是，諸如生產規模小、技術含量低、質量不穩定等都是我國鎂工業發展存在的問題，所以在迫切尋求如何將我國的資源優勢轉化為技術優勢、產品優勢，以此促進我國鎂合金產業的發展。沒有加工之前，再好的材料也沒有用處，而加工過程中，焊接在結構件成型中所占比例重大。但是鎂本身就有焊接性差的問題，此外人們對于鎂合金認識太過膚淺，很少研究鎂合金焊接性及焊接工藝。當前我國鎂合金應用的瓶頸就是鎂合金焊接問題，并且世界各國都在高度重視這一問題。

1 試驗方法及設備

本文旨在對AZ3lB鎂合金薄板鎢極交流氬弧焊的焊接工藝進行研究，并且首先從從焊接電流、焊接速度參數等方面入手，深入對AZ31B鎂合金薄板鎢極交流氬弧焊以及焊縫成型特點和焊接質量的影響因素進行分析研究，從理論基礎上對鎂合金薄板鎢極交流氬弧焊焊接工藝進行優化。

在本次試驗中，采用交流鎢極氬弧焊來進行AZ31B鎂合金的焊接，使用的焊機為美國米勒Miller焊機Dynasty700鎢極氬弧焊機，米勒焊機生產已有70多年的歷史，技術成熟，焊機質量穩定，專業性強，在同類產品中處于領先地位。因為鎂合金在焊接過程中很容易被周圍空氣中的氧氣氧化，所以為了減少鎂合金焊接時被氧化，保證焊接質量，焊接時應采用氬氣雙面保護工藝。另外，為了防止焊接變形，需要將焊件兩端用夾具固定好，同時用銅為墊板。

以熱擠壓加工后的AZ31B鎂合金板材作為試驗的母材，試板尺寸為100 mm×50 mm×2 mm；添加的焊絲是與母材材質相同的Φ2.0 mm AZ31鎂合金焊絲。

2 試驗結果分析

焊縫的熔透狀態是衡量多數焊接接頭焊接成形質量最重要和最根本的指標，同時也使用適度的熔透對鎢極交流氬弧焊焊接質量提供最基本的保證，但應避免未焊透和燒穿。本實驗探討AZ31B鎂合金氬弧焊焊縫熔深、熔寬、深/寬比及力學性能與工藝參數間關系。

2.1 AZ31B鎂合金焊縫成形的影響因素

焊縫熔深H，焊縫寬度B、余高a及深寬比H/B是進行衡量所使用的最常用的焊縫形狀和尺寸。多種因素影響焊接形狀尺寸（H、B、a）這3個參數，其中，焊接工藝規范參數對其影響最大，與之相關的有焊接電流、焊接速度。本實驗使用的是手工填絲，當時，可以人為的針對焊接電流和焊接速度變化對焊縫余高進行控制，所以焊縫余高基本相同。采用單面焊可以在對AZ31B薄板進行鎢極交流氬弧焊時獲得雙面成形良好的焊縫。

根據電弧的輸入能量表達式：

E=UI/V （1）

可知，焊接電流I增加或焊接速度V減少，E值增大，熔深和熔寬均會增加。電弧除了熱源之外，還可以對熔池施力。電弧焊接過程中電弧形態和電弧壓力分布都會因為鎢極端部形狀在燒損變形而發生變化，進而對焊縫熔深、熔寬及深寬比產生影響。

日常生產中，焊縫的熔寬窄、熔深大和焊接高效率都是我們所期待的。焊縫的成形受到材料的性質、表面狀態、焊接電流、焊接速度、保護氣體流量、有無填充焊絲的影響。由于焊縫成型主要由焊接電流和焊接速度影響，由于時間和能力的關系，這里不便同時討論，下面主要探討焊縫成形受到焊接電流影響，從而獲得2 mm厚的AZ31B鎂合金薄板在其他焊接焊接參數一定的情況下的最佳焊接電流。

2.2 焊接電流對焊縫成形的影響

本實驗是在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下，研究有填充焊絲時焊接電流（70～85 A）對焊縫成形的影響。采用無填充焊絲進行焊接時，隨著焊接電流的增加，焊縫熔深和熔寬逐漸增加。當焊接電流為70 A時，焊縫熔深和熔寬最小，分別為1.5 mm和4.0 mm，焊縫未熔透；焊接電流增大到75 A時，熔深和熔寬都有所增加，分別為1.7 mm和5.0 mm，焊縫背面局部熔透；焊接電流為80 A時，焊縫熔深熔寬繼續增加，分別為2.0 mm和6.5 mm，焊接過程中觀察到焊接熔池運動穩定，焊絲流動性好，無飛濺現象，形成良好焊縫背面，表面上魚鱗紋焊縫良好。當焊接電流達到85 A時，焊縫熔寬最大達到8.0 mm，焊縫熔透，所以熔深不變，為2.0 mm。所以，若使用有填充焊絲進行焊接，需保證焊接質量焊接電流≥70 A。

通過試驗數據可以得出，焊接電流增大，其他條件不變，焊縫的熔深和熔寬先增加，當焊接電流達到80 A時，焊縫的熔深已達到最大，熔寬繼續增大，而深/寬比減小，原因是焊接電流增大后，也增大了作用在工件上的電弧力以及電弧對工件的熱輸入，導致熱源位置向下。對熱量深度傳導較為有利，熔深增大；此外，電流增大到80 A后，弧柱直徑增大促進熔寬增加，熔深因為焊件已完全熔透而不再增加。深/寬比減小是因為，隨著焊接電流的增大，熔深和熔寬都增大，但熔深增大的幅度小于熔寬增大的幅度，所以深/寬比減小。

借助TIG焊工藝試驗對AZ31B鎂合金薄板進行焊接，實現了表面波紋均勻、正面熔寬和背面熔透均勻一致的高質量焊縫。以下為通過試驗研究得到的關于焊接電流對焊縫成型的影響的結論：

①在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下，焊接電流為80 A時，焊縫熔透，焊縫背面成形良好，焊縫表面魚鱗紋較好。

②在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下，隨著焊接電流的增加，熔深和熔寬都增加，但深/寬比減小。

2.3 焊接電流對焊接接頭力學性能的影響

在TIG焊中，焊接電流是重要的工藝參數之一，對焊接接頭力學性能具有明顯的影響。本試驗是在焊接速度為6 mm/s，氬氣流量為12 L/min的條件下進行，對有填充焊絲時焊接電流（70～85 A）對焊接接頭力學性能的影響規律進行研究。

在有填充焊絲條件下拉伸測試成形較好的TIG焊焊接接頭，拉伸試驗機的夾具夾住試樣，記錄試樣斷裂時候所需拉力，參照試件的截面積以及相關抗拉強度對斷裂位置進行分析，進而對焊縫的性能進行分析，衡量母材與其間強度差距。拉伸試驗前須用銼子、砂子將焊接接頭的上下表面磨平，保證與母材部分平齊，避免因為接頭應力集中造成錯誤的測試結果。選擇同個焊接電流下的兩個不同部位焊縫進行拉伸試樣試驗，以取其平均，選擇的部分焊接接頭作拉伸試樣的拉伸。

從實驗數據可以看出，焊接接頭的抗拉強度與伸長率的變化隨焊接電流的增加而趨勢相似，都是先增后降。當焊接電流為80 A時，出現最大的抗拉強度和伸長率為224.69 MPa和8.7%，分別達到母材的88.6%和75.3%，焊接接頭力學性能較好。但當焊接電流增大到85 A時，抗拉強度和伸長率均下降，分別為195.06 MPa和4.8%，由此可見，焊接電流為80 A時為最佳電流。

3 結 語

本論文通過對板厚2.0 mm的AZ31B鎂合金鎢極氬弧焊工藝的研究，分析了焊接因素（焊接電流、焊接速度等）對焊縫成型和焊接力學性能的影響規律。通過以上的研究，可以得出以下結論：

①當焊接電流約為80 A，焊接速度約為6 mm/s、正面氬氣流量約為12 L/min、背面氬氣流量約為1.5 L/min時，焊接板厚為2.0 mm的AZ31B鎂合金能獲得焊縫成形良好，接頭力學性能優良的焊接接頭。該工藝參數下接頭的抗拉強度、伸長率分別達到母材的88.6%和75.3%左右，該工藝參數為最佳工藝參數。

②AZ31B鎂合金鎢極氬弧焊時的焊縫表面形狀和焊縫質量收到焊接工藝參數的很大的影響。焊縫的熔寬和熔深隨焊接電流的增大而增大；焊縫的熔寬和熔深隨焊接速度的增大而減小。表面無咬邊、弧坑、未焊透等焊縫形狀缺陷、外觀成形良好、內部無氣孔無裂紋的焊接接頭可以通過合適的焊接參數實現。

③在進行與母材同質的焊絲焊接時，焊接速度不變的基礎上，焊接接頭的抗拉強度和伸長率都隨著焊接電流的增加而先升后降；焊接接頭的性能在焊接電流不變狀態下隨著焊接速度的增加先增后降。

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