AZ31鎂合金CMT堆焊工藝與接頭組織研究

曲宏韜 申俊琦 步賢政 胡 洋

（1.北京航星機器制造有限公司，北京 100013；2.天津大學，天津 300072）

AZ31鎂合金CMT堆焊工藝與接頭組織研究

曲宏韜1申俊琦2步賢政1胡 洋1

（1.北京航星機器制造有限公司，北京 100013；2.天津大學，天津 300072）

本文通過優化工藝參數改善焊縫成形，研究熱輸入對CMT堆焊層組織及性能的影響。研究表明，在pulsed-CMT模式下，送絲速度為4m/min時，焊接過程穩定性好，堆焊層潤濕性好。焊縫區主要由α-Mg和分布于枝晶間的β-Mg17Al12相組成。

鎂合金；堆焊；組織

1 引言

鎂合金有著高比強度、低密度、優良的電磁屏蔽性能、高熱導率和易于回收等特點，在交通運輸、航天航空、軍事領域有著很好的應用前景[1]。但是由于鎂合金較差的耐磨性和較差的耐腐蝕性，使得鎂合金部件容易在服役過程中磨損、腐蝕，因而提早進入報廢期。堆焊作為再制造中一種重要的技術手段[2]，是修復破損零件非常有效的方法，它可以恢復部件的原有形狀和性能，延長產品的服役時間并且節省成本。本文通過優化焊接工藝改善焊縫成形，探究了CMT焊接方法在鎂合金堆焊方面的應用，從而為鎂合金CMT再制造技術奠定工藝基礎。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗所用材料為150mm×50mm×3mm的AZ31B鎂合金板，其化學成分如表1所示。焊接填充材料是直徑1.2mm的AZ31鎂合金，其化學成分與母材相同。

表1 AZ31B鎂合金板的化學成分 %

2.2 試驗方法

CMT焊接選擇pulsed-CMT的模式和4m/min的送絲速度。通過調整焊接速度，探究了不同熱輸入對鎂合金堆焊層的微觀組織和性能的影響，具體焊接參數如表2所示。焊前清理母材表面，用鋼刷除去表面氧化膜，并用無水乙醇去除表面油脂。

表2 焊接參數表

觀測焊后堆焊層截面的幾何尺寸，探究不同焊接速度下焊縫寬度、熔深、余高及接觸角隨熱輸入的變化規律。對堆焊層進行微觀組織分析。沿著垂直于焊縫的方向采用線切割得到金相試樣，由于鎂合金質地較軟，可以將試樣在砂紙上預磨到3000#，然后用金絲絨拋光布拋光至無明顯劃痕，并立即用腐蝕劑（10ml HCl+100ml C2H5OH）腐蝕拋光后的接頭，腐蝕時間為10～20s。用金相顯微鏡（Optical Microscope,OM）和配備有能譜儀（Energy Diffraction System,EDS）的掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope,SEM）觀察腐蝕好的試樣組織。

3 結果分析

3.1 不同熱輸入對鎂合金單道堆焊表面成型及焊縫截面尺寸的影響

圖1是單道堆焊的表面成形。焊縫成形良好，呈現出金屬光澤并且焊縫表面存在均勻的魚鱗紋。此外，隨著焊接速度的增加，魚鱗紋變得更加明顯。

焊接速度和焊縫幾何尺寸的關系如圖2所示。隨著焊接速度的增大，焊縫寬度逐漸減小。

圖3給出了不同焊接速度下的接觸角。可以看出，隨著焊接速度的增加，接觸角出現下降。但是所有試樣的接觸角均保持在115°以上，有利于多道堆焊的進行。

3.2 焊接速度對單道堆焊層組織的影響

光鏡下得到典型的AZ31B鎂合金母材組織如圖4所示。母材組織是由尺寸略有差異的等軸晶和少量的析出物組成，晶粒尺寸的差異主要是在軋制過程中形成的。Al、Zn、Mn等元素都在鑄造的緩冷過程中充分擴散溶進α-Mg的晶格中，起到固溶強化效果。圖4給出了母材的XRD分析結果，可以看出整個衍射譜中只存在α-Mg的衍射峰。

圖5是掃描電鏡下焊縫區的組織形態。可以看出焊縫區主要有兩種組織結構，即柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶及存在于樹枝晶之間的β-Mg17Al12相析出物。在熔合線附近可以觀察到柱狀樹枝晶的凝固組織。柱狀枝晶是垂直于熔合線生長的，這是因為垂直于熔合線方向的過冷度最大，能夠提供最大的結晶驅動力。當到達焊縫中心時，溫度梯度變緩和，形成等軸樹枝晶。

不同焊接速度下焊縫區的微觀組織如圖6所示。隨著焊接速度的增加，焊縫區的晶粒尺寸逐漸變小。晶粒尺寸和焊接熱輸入密切相關。焊接熱輸入的增加，焊接高溫停留時間延長，焊接熔池冷卻速度降低，均會導致焊縫晶粒粗化。焊接熱輸入越大，晶粒尺寸越大；熱輸入越小，晶粒尺寸越小。在較高焊接速度下，較小的熱輸入帶來了較低的焊縫區最高溫度和較高的冷卻速度，這些都導致最終較小的晶粒尺寸[3]。

從圖7a可以看出，焊縫區析出物的數量明顯大于熱影響區。這是因為和Al比較，Mg和Zn的熔沸點較低，在焊接過程中更容易蒸發。Zn可以通過增大Al在鎂合金中的溶解度[4]。所以Mg和Zn元素的損失降低了Al在α-Mg中的溶解度，提高了Al在熔池中的質量百分數，導致了更多的Al元素在晶間聚集，因此在焊縫區存在更多的β相析出物。圖7b和圖7c給出了焊縫區的部分組織和線掃描分析結果。如圖7d所示，黑色區域是α-Mg，灰色區域是共晶α-Mg，白色的島狀物是β-Mg17Al12。線掃描結果顯示Mg元素從α-Mg到共晶α-Mg，再到β-Mg17Al12，呈現遞減的趨勢，而Al元素的分布趨勢卻與Mg元素相反，從α-Mg到共晶α-Mg，再到β-Mg17Al12，呈現遞增趨勢。這是因為在焊接過程中，焊縫區的凝固是一個非平衡過程。α-Mg首先形核并呈樹枝狀生長，將Al、Zn等元素排到晶間液體中。當凝固金屬冷卻到共晶溫度以下，晶間的Al元素含量達到共晶成分時，由于β相較難形核，導致了共晶α-Mg在先結晶的α-Mg上生長，Al元素在晶間液體中繼續堆積。只有當晶間液體充分過冷，β相才最終形核生長[5]。

圖8是不同焊接速度下的熱影響區組織，可以看到，β相多沿晶界分布，隨著焊接速度的增加，熱影響區中的β相減少，并且β相變得更加彌散。此外，焊接速度還影響了熱影響區的寬度。隨著焊接速度的增加，熱影響區寬度逐漸下降。這是由于較高的焊接速度帶來較低的熱輸入和較快的冷卻速度。較快的冷卻速度使得析出物形核與長大的時間減少，導致較少的析出物；而較低的熱輸入縮小了熱影響區寬度[6]。熱影響區的寬度沿著熔合線呈現上窄下寬趨勢，表明堆焊焊縫的底部是受熱積累影響最嚴重的區域。

4 結束語

主要研究了pulsed-CMT模式下，送絲速度為4m/min時，不同焊接速度對堆焊層外觀成形和微觀的影響。獲得主要結論如下：

a.焊縫寬度、接觸角均隨著焊接速度的增加而減小。隨著焊接速度的增加，接觸角出現下降。但是所有試樣的接觸角均保持在115°以上，有利于多道堆焊的進行。

b.焊縫區主要由α-Mg和分布于枝晶間的β-Mg17Al12相組成。隨著焊接速度的增加，焊縫區的晶粒尺寸逐漸變小。

c.隨著焊接速度的增加，熱影響區中的β相減少，并且β相變得更加彌散。

1 訾炳濤，王輝.鎂合金及其在工業中的應用[J].稀有金屬，2004，28(1)：229～232

2 任艷艷，張國賞，魏世忠，等.我國堆焊技術的發展及展望[J].焊接技術，2012，41(6)：1～4

3 張文鉞.焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社，2007

4 Garboggini A,Mcshane H B.Effect of Zn and Si additions on structure and properties of rapidly solidified Mg-Al alloys[J].J.Mater.Sci.Technol. 1994(9):763～769

5 Zhu Tianping,Chen Zhan W,Gao We.Microstructural formation in partially melted zone during gas tungsten arc welding of AZ91 Mg cast alloy[J]. Mater.Charact.2008,59:1550～1558

6 Min Dong,Shen Jun,Lai Shiqiang,et al.Effect of heat input on the microstructure and mechanicalproperties oftungsten inertgas arc butt-welded AZ61 magnesium alloy plates[J].Mater.Charact.2009,60: 1583～1590

Study on Cladding Process and Microstructure of MagnesiumAlloys Employing CMT Welding

Qu Hongtao1Shen Junqi2Bu Xianzheng1Hu Yang1
(1.Beijing Hangxing Machinery Manufacturing Corporation,Beijing 100013；2.Tianjin University,Tianjin 300072)

The effects of CMT welding parameters on welding stability were investigated in this paper,and the effects of heat input on the microstructures and properties of cladding were studied.The results showed that under pulsed-CMT mode,WFS of 4 m/min could obtain stable welding process and favorable wetting condition of claddings.The weld zone(WZ)consisted of α-Mg and β-Mg17Al12.

AZ31 magnesium alloy；CMT cladding；microstructures

曲宏韜（1989-），碩士，材料加工工程專業；研究方向：有色金屬焊接。

2017-01-09