AZ31鎂合金板材自動(dòng)氬弧焊接工藝研究

周吉學(xué)，莊海華，馬百常，劉洪濤*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院新材料研究所，山東省汽車用鎂合金輕量化示范工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

鎂合金是目前世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，是輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料的典型代表，具有密度低、比強(qiáng)度高及阻尼性能好等特點(diǎn)，特別適合用于新能源車制造，可以有效降低能源消耗[1]，在汽車工業(yè)減重降耗和性能改善中發(fā)揮著重要的作用[2-4]。鎂合金焊接技術(shù)是鎂合金工程應(yīng)用過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)，由于鎂合金的化學(xué)性質(zhì)活潑、熔沸點(diǎn)較低、表面張力小、熱膨脹系數(shù)大等物化特性，導(dǎo)致在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)氣孔、氧化物夾雜、蒸發(fā)、過(guò)燒、焊縫下塌及焊后殘余熱應(yīng)力等焊接缺陷，嚴(yán)重制約了鎂合金的應(yīng)用[5-8]。

AZ31鎂合金是目前應(yīng)用最為廣泛的鎂合金，在焊接過(guò)程中，由于AZ31鎂合金中Al和Zn元素的存在，使得結(jié)晶溫度區(qū)間增大，共晶金屬間化合物的數(shù)量增多，容易造成應(yīng)力集中，裂紋產(chǎn)生的幾率增大[9]。因此，需要精準(zhǔn)調(diào)控AZ31鎂合金的焊接參數(shù)，從而得到高質(zhì)量的焊接接頭。目前，鎂合金氬弧焊主要以手工焊為主，關(guān)于鎂合金自動(dòng)氬弧焊接工藝的研究報(bào)道較少[10]。鎂合金手工氬弧焊在焊接過(guò)程中存在易受人為因素影響、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接過(guò)程人體遭受焊接煙塵及高溫輻射損傷、焊接效率低等諸多問(wèn)題。因此，開展鎂合金的自動(dòng)氬弧焊接工藝研究，可充分發(fā)揮焊接機(jī)器人的焊接穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，提高焊接質(zhì)量，對(duì)于拓展鎂合金的工程應(yīng)用具有重要意義。

本文采用六軸焊接機(jī)器人對(duì)AZ31鎂合金的自動(dòng)氬弧焊接工藝進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，得到質(zhì)量可靠的焊接接頭。焊后利用金相顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等先進(jìn)手段對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀組織表征和力學(xué)性能測(cè)試，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)AZ31鎂合金焊接接頭的可靠性。

1 材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為2.6 mm厚的AZ31鎂合金軋制板材。自動(dòng)氬弧焊接實(shí)驗(yàn)所填焊絲是與母材同質(zhì)的AZ31擠壓態(tài)焊絲，焊絲直徑為1.2 mm。焊接母材與所填焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 AZ31鎂合金板材及所填焊絲化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the AZ31 magnesium alloy plates and filling wire

焊接實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為松下YA-1RAR61C00型焊接機(jī)器人及YC-300WX型氬弧焊機(jī)。焊接之前用砂紙將板材待焊區(qū)打磨光亮，去除氧化物，然后用酒精清洗，去除油污等雜質(zhì)。

焊后對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行微觀組織觀察，在焊縫區(qū)域進(jìn)行取樣，先用SiC砂紙打磨至2000號(hào)，之后用粒徑2.5 μm的金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，最后采用苦味酸4.2 g、冰醋酸10 mL、蒸餾水10 mL、乙醇70 mL組成的苦味酸溶液對(duì)試樣腐蝕5～10 s。將腐蝕好的試樣放入ZEISS2000-C型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察。采用型號(hào)為Philips PW170的X射線衍射儀對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行物相分析，掃描范圍為20°～90°。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》[11]，對(duì)AZ31鎂合金焊接接頭進(jìn)行取樣，使焊縫區(qū)位于拉伸試樣中部，在拉伸速率1 m/min下測(cè)試其力學(xué)性能。采用JSM-6460型掃描電子顯微鏡觀察拉伸之后的斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接參數(shù)分析

對(duì)AZ31鎂合金焊接工藝進(jìn)行探索、優(yōu)化，具體焊接參數(shù)如表2所示。所有焊接均采用平板對(duì)焊的形式，填充焊絲采用與母材材質(zhì)相同的AZ31焊絲，對(duì)待焊板材的上下表面均進(jìn)行氣體保護(hù)。氬氣摩爾質(zhì)量(40 g·mol-1)是空氣(29 g·mol-1)的1.38倍，用作保護(hù)氣體不易飄散，鎢極針易引燃且能量平穩(wěn)，焊接過(guò)程熱輸入量的變化較小，此外，氬弧還具有比較好的陰極清理作用，比較適合鎂合金焊接，故本研究采用純度為99.9%的氬氣進(jìn)行氣體保護(hù)。

表2 AZ31鎂合金板材自動(dòng)焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of the AZ31 magnesium alloy plates

根據(jù)表2焊接參數(shù)對(duì)AZ31鎂合金進(jìn)行焊接，得到焊縫的表面宏觀形貌圖，如圖1所示。

a～e分別為在焊接工藝1～5條件下得到的焊接接頭宏觀形貌圖圖1 AZ31鎂合金板材焊接表面形貌圖Fig.1 Surface topography of AZ31 magnesium alloy welded joints

圖1a ～e分別為按照焊接工藝1～5進(jìn)行AZ31鎂合金自動(dòng)氬弧焊接，得到的焊接接頭宏觀形貌圖。在圖1a中，焊縫正表面大約有3 mm的熔高，而焊縫背面并未焊透，這主要是由于焊接工藝條件1所用焊接電流較小(150 A)，而焊接速度相對(duì)較快(0.5 m/min)，焊接過(guò)程沒(méi)有足夠的熱輸入，從而導(dǎo)致板材未焊透。在圖1b中，則出現(xiàn)了焊縫下榻，焊縫上表面凹陷。這是由于在焊接工藝2條件下，焊接電流過(guò)高(180 A)，焊接熱輸入大幅增加，而焊縫背面保護(hù)氣體流量較小(19 L/min)，對(duì)熔池沒(méi)有起到足夠的支撐作用，結(jié)果導(dǎo)致焊縫下榻。在圖1c中，則出現(xiàn)了焊縫前半段未焊透，后半段焊縫下榻的現(xiàn)象?？赡苁怯捎谠谇鞍攵?，雖然焊接電流相對(duì)較高(170 A)，但鎢極針與板材距離相對(duì)較遠(yuǎn)(1.5 mm)，導(dǎo)致前半段熱輸入不足，出現(xiàn)了未焊透現(xiàn)象。而在焊縫的后半段，則由于焊接過(guò)程前半段的熱量傳導(dǎo)和累積，待焊板材燒損、蒸發(fā)嚴(yán)重，而填絲速度較低(0.55 m/min)，背面保護(hù)氣體流量較小(20 L/min)，從而導(dǎo)致了后半段焊縫下榻。在圖1d中，已經(jīng)顯示出了相對(duì)較好的焊接結(jié)果，只在焊接前期一小段出現(xiàn)了未焊透現(xiàn)象，后半段焊接質(zhì)量良好。因此在焊接工藝4的基礎(chǔ)上，加以改進(jìn)，將前半段鎢極針與板材距離稍微減小至0.5 mm，即可在焊接初始時(shí)獲得足夠熱輸入，將板材焊透。最終通過(guò)焊接工藝5，實(shí)現(xiàn)了AZ31鎂合金的一次焊接兩面成形，焊縫的外觀形貌良好。之后，對(duì)在焊接工藝5條件下獲得的焊接接頭進(jìn)行微觀組織觀察和拉伸性能測(cè)試，進(jìn)一步確定焊接接頭的可靠性。

2.2 焊接接頭微觀組織分析

選用焊接宏觀形貌良好的5號(hào)樣品，對(duì)其進(jìn)行微觀組織觀察。其金相組織照片如圖2所示，從圖中可以看出，焊接接頭可以清晰地分為母材區(qū)(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)和熔化區(qū)(FZ)。焊后在FZ出現(xiàn)的是細(xì)小的等軸晶，這是因?yàn)殒V合金具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，散熱速度快，焊后焊縫組織能夠快速凝固，導(dǎo)致焊縫晶粒較細(xì)，并且在AZ31鎂合金中含有約3%的Al，Al元素同樣具有非常明顯的細(xì)化晶粒效果，因此最終導(dǎo)致在FZ出現(xiàn)了細(xì)小的等軸晶，焊接質(zhì)量良好。本實(shí)驗(yàn)所用材料為Mg合金軋制板材，板材經(jīng)軋制變形，晶粒會(huì)變得不穩(wěn)定，受熱易急劇長(zhǎng)大，因此HAZ區(qū)域受焊接熱輸入的影響，晶粒明顯長(zhǎng)大。

從圖2還可以看出，在HAZ和FZ均出現(xiàn)了大量的沉淀相。利用XRD對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行物相鑒定，XRD圖譜如圖3所示。在圖3中出現(xiàn)了較強(qiáng)的α-Mg衍射峰與較弱的β-Mg17Al12衍射峰，這是由于與Mg基體相比，AZ31板材中Al含量相對(duì)較低，因此焊接過(guò)程形成的β-Mg17Al12沉淀相數(shù)量較少，衍射峰峰強(qiáng)較弱。通過(guò)XRD結(jié)果可以判定，在HAZ和FZ區(qū)出現(xiàn)的沉淀相為β-Mg17Al12沉淀相。根據(jù)Mg-Al合金相圖[12]，Al在Mg中的最大固溶度為12.6%，在平衡凝固過(guò)程中，只有超過(guò)該限度才會(huì)有沉淀相產(chǎn)生。而在本實(shí)驗(yàn)中，所焊板材和填充焊絲均為AZ31鎂合金，所用材料的Al含量約為3%，遠(yuǎn)小于12.6%。因此，可以確定β-Mg17Al12沉淀相的出現(xiàn)，是由于焊接過(guò)程中在FZ固溶形成α-Mg相，促使殘余的Al往晶間區(qū)域聚集，發(fā)生非平衡態(tài)的凝固共晶反應(yīng)，形成β-Mg17Al12的硬脆性沉淀相[13-14]。雖然在HAZ也出現(xiàn)了大量β-Mg17Al12相，但其形成機(jī)制與FZ不同。HAZ沉淀相的出現(xiàn)是由于在焊接過(guò)程中，該區(qū)域離焊接熔池較近，焊接熱輸入使得HAZ溫度明顯升高，超過(guò)了Mg-Al共晶反應(yīng)溫度(約為723 K)，最終導(dǎo)致了HAZ中β-Mg17Al12相的出現(xiàn)[15]。

圖2 AZ31鎂合金焊接接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of AZ31 Mg alloy joint

圖3 AZ31鎂合金樣品焊接接頭焊縫區(qū)XRD圖譜Fig.3 XRD pattern obtained from the weld seam of AZ31 Mg alloy joint

2.3 焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)母材和焊接接頭進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了222 MPa，相當(dāng)于AZ31鎂合金母材(274 MPa)的81.02%。對(duì)焊接接頭的拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，在斷口觀察到了大量的解離面和韌窩的存在，呈現(xiàn)出脆性斷裂與韌性斷裂相結(jié)合的混合斷裂特征。張鐵磊等[16]在對(duì)ZM6鎂合金的TIG焊后組織性能研究中，觀察到了相似的結(jié)果。上述研究結(jié)果表明，該焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異，完全滿足工程需要。

圖4 AZ31樣品拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile stress-strain cure of the AZ31 specimens

a 解離面；b 韌窩。圖5 焊接接頭拉伸試樣斷口形貌圖Fig.5 Fracture surface of the welded joint tensile specimen

3 結(jié)論

本文利用六軸焊接機(jī)器人對(duì)厚度為2.6 mm的AZ31鎂合金板材自動(dòng)氬弧焊接工藝進(jìn)行了研究，焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行了微觀組織表征及力學(xué)性能測(cè)試，得到了以下結(jié)論：

(1)在焊接電流160 A、焊接速度0.45 m/min、填絲速度0.6 m/min、鎢極針與板材距離0.5 mm(前半段)和2.0 mm(后半段)、保護(hù)氣體流量16 L/min(正面)和21 L/min(背面)的焊接工藝條件下，可得到外觀形貌良好、質(zhì)量可靠的AZ31鎂合金焊接接頭。

(2)AZ31鎂合金焊縫區(qū)微觀組織可清晰地分為BM、HAZ和FZ。焊接過(guò)程在FZ區(qū)域出現(xiàn)了大量的β-Mg17Al12沉淀相，表明在焊接過(guò)程中發(fā)生了非平衡態(tài)凝固過(guò)程。

(3)AZ31鎂合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的81.02%，表明該焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異。在焊接接頭拉伸試樣斷口觀察到了大量的解離面和韌窩的存在，斷口呈現(xiàn)出脆性斷裂與韌性斷裂相結(jié)合的混合斷裂特征。