AZ31B镁合金TIG焊接头的热碾压力学改性实验研究

李晓泉， 初雅杰， 杨宗辉

（南京工程学院材料工程学院，南京 211167）

镁合金作为最轻质的金属结构材料在航空及轨道交通制造中具有广阔的应用前景，但镁合金的可靠焊接是目前制约其应用于重要金属结构的关键问题之一。镁合金适合于用TIG焊、激光焊、搅拌摩擦焊来进行焊接加工，其中以TIG焊最具实用化［1～7］。但由于金属镁在晶体结构及热物理性能方面的一些本征特性，如具有滑移系相对较少的密排六方晶体结构，且热导率高、熔点低、线膨胀系数大，因而熔焊形成的铸态焊缝性能较差。通常焊接接头强度及塑性均较母材金属更为低下，尤其是对于变形镁合金，焊接接头与母材力学性能更难于匹配。从理论角度如果对密排六方结构的金属镁在再结晶温度以上实施一定的塑性变形，使其发生动态回复与再结晶，在细化晶粒的同时还可开通新的滑移系，甚至诱发超塑性机制［8，9］。还有研究指出铸态镁合金组织遵从Hall-Petch公式（σs=σ0+Kd-1/2）中的K值较大，而K值的大小又取决于滑移系的多少。这意味着镁合金强度对其晶粒度具有很强的依赖性，动态再结晶所产生的晶粒细化非常有利于镁合金熔焊接头室温强度的提高，进而达到显著提高强度及塑性的力学改性效果［10，11］。但目前开展的实验研究均是针对镁合金材料而言，对熔焊接头，特别是焊接性能较差的镁合金熔焊接头尚未引入该思路来达到力学改性的目的。据此作者针对Mg-Al-Zn系的AZ31B变形镁合金，用钨极氩弧焊获得焊接接头，然后对接头区域进行局部热碾压力学改性试验，以期能探索出改善镁合金TIG焊接头强度及塑性的有效方法。

1 实验

实验以Mg-Al-Zn系AZ31B变形镁合金为材料，其化学成分见表1所示。用2块尺寸为200mm×60mm×4.6mm板材组成1付对接焊试板，开60°的V型坡口，根部间隙控制在3～4mm范围。采用交流钨极氩弧焊进行焊接，以同质AZ31B镁合金经轧制、拉拔成φ3mm的丝材作为焊接填充材料。焊接前将焊接区域及焊丝经脱脂处理后用砂纸打磨，坡口面经刮削清除氧化膜，正面施焊2层，背面施焊1层，形成具有一定余高的双面焊缝。焊接电流I=110～120A，焊接电压U=21～23V，焊接速度V=8～11mm/s。

表1 AZ31B镁合金的化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of AZ31B magnesium alloy（mass fraction/%）

将焊接后无缺陷的对接试板用线切割方法以焊缝为中心沿垂直焊缝横向截取120mm×24mm尺寸的试验用长条毛坯试样。截取出的试样一部分用作热碾压试验。采用专门制作的陶瓷电加热装置，将试样两端插入加热箱中，中间露出焊缝区域待热碾压变形（图1所示），加热箱用石棉保温以保持温度恒定。试验时通电加热直至热电偶测得焊缝温度升至碾压温度后进行恒温控制。在恒定温度下用CMT-5105型微机控制电子万能试验机对焊缝余高处进行热碾压至与母材平整，热碾压工艺参数见表2所示，并经20分钟保压以继续发生蠕变变形，冷却后再将试样加工成拉伸试样进行拉伸试验和金相分析试验。

表2 热碾压工艺参数Table 2 Parameter of hot rolling

图1 热碾压示意图Fig.1 Schematic diagram of thermal-mechanical

将同一对接焊试板上截取出的另一部分试样焊缝余高打磨至与母材齐平后加工成拉伸试样，直接在CMT-5105试验机上进行常温拉伸试验和金相分析试验。拉伸试样断口在JSM-6360LV扫描电镜上作形貌观察，配合附带能谱仪进行微区成分分析。金相试样用硝酸、酒精按1∶1比例配制成腐蚀液进行浸蚀。

2 结果与分析

2.1 热碾压对焊接接头强度及塑性的改善作用

AZ31B镁合金TIG焊接头的拉伸试验表明（表3所示），无论是焊态试样还是经热碾压试样，拉伸试样均断裂于焊缝边缘靠近熔合区（见图2所示）。对试验用AZ31B母材进行实测，其抗拉强度在230～240MPa范围，而延伸率在18% ～22%之间。根据试验结果，经热碾压的TIG焊接头抗拉强度可达220MPa左右，而未经热碾压的焊态接头的抗拉强度通常在150～180MPa之间。因此经热碾压后，焊接接头的抗拉强度已达到母材金属的90%。而焊态下的接头抗拉强度只能达到母材的60% ～75%。由此可以认为经焊后热碾压，TIG焊接头的强度已基本接近于母材金属的强度水平，热碾压对AZ31B镁合金TIG焊接头强度具有明显的改善作用。

从拉伸试验的延伸率数据来看，经热碾压后的拉伸试样延伸率通常在9% ～11%之间，而焊态下的拉伸试样仅为4% ～7%范围，与母材金属的18%～22%相比尽管还有一些差距，但热碾压对TIG焊接头塑性的改善作用是存在的。

图2 焊接接头断裂照片Fig.2 Fracture photograph of welding joint

表3 力学性能实验结果Table 3 Experimental result of mechanical properties

2.2 热碾压对TIG焊接头组织的影响

图3a，d示出了铸态焊接接头靠近熔合区的金相照片。金相分析显示焊缝为铸态等轴晶组织，与母材组织具有很大的不同之处。断裂部位的金相组织为Al在Mg中形成的固溶体α-Mg基体，同时伴随有Mg与Al形成的金属间化合物析出相β-Mg17Al12。基体组织的晶粒直径约为30～50μm，β-Mg17Al12相几乎全部分布在α相晶界呈网状连续分布态（如图3d所示），而母材中的析出相仍以质点态分布。图3b，e为经350℃热碾压后熔合区附近的金相照片，从中可以看出焊缝组织已明显得到细化，β-Mg17Al12析出相此时主要以弥散质点分布态析出，与母材中的质点分布较为相似。图3e的高倍照片更为清楚地显示出断裂部位晶界的析出相已基本得到消失，晶界完全沟划出α基体晶粒形状，β-Mg17Al12析出相在晶内呈弥散点状分布。此时熔合区基体α-Mg晶粒的最大直径约为20～30μm，焊接接头组织总体上较焊态下的晶粒直径明显有所减小。因此经350℃热碾压可以改变焊缝组织中β-Mg17Al12相在晶界呈网状连续分布状态，促使其固溶后重新在晶内以弥散质点析出，同时还可细化基体组织晶粒。

图3 焊态与热碾压态焊接接头金相组织及拉伸断口SEM形貌对比Fig.3 Microstructure and fracture SEM photo comparasion of as welded joint with hot rolling weld joint（a）microstructure of as welded joint;（b）microstructure of hot rolling weld joint;（c）fracture SEM photo of tensile test with as welded joint;（d）microstructure of fracture section with as welded joint;（e）microstructure of fracture section with hot rolling weld joint;（f）fracture SEM photo of tensile test with hot rolling weld

2.3 热碾压对接头断口形貌的影响

将拉伸断口在扫描电镜下作断口形貌观察，图3c，f示出了焊态断口和焊后经350℃热碾压的断口SEM照片。断口分析发现AZ31B镁合金TIG焊缝断口由形如脚印状的小平台和韧窝混合组成，呈脆性和韧性混合型断裂特征。在小平台内分布有大致平行的断裂裂纹走向沟槽，而沟槽内壁为光凸的表面，表明裂纹扩展较为通畅，为典型的脆性断裂。而韧窝呈无规则地分布在小平台以外的其余部位。对比焊态和焊后经热碾压态的断口SEM照片可以看出，经热碾压后，韧窝所占的比例明显增大，且韧窝大小趋于均匀、密集。而小平台形貌所占的比例大为减小，有相当部分已被韧窝取代。进一步的微区能谱分析表明，脆性断口区域成分中的Al含量高达6% ～8%（图4a，c所示），大大高出AZ31B材质3.1%平均Al含量，而韧窝断裂微区成分中的Al含量仅为2.4%（图4b，d所示），也低于AZ31B材质的Al含量。这充分说明Al的存在形态及其分布对断裂机制存在有较大的影响。

图4 脆断与韧窝微区能谱图比较 （a）脆性断口;（b）韧性断口;（c）脆性断口能谱图;（d）韧性断口能谱图Fig.4 Micro-area energy spectrum comparing of brittle fracture surface with dimple fracture surface（a）brittle fracture surface;（b）dimple fracture surface;（c）brittle micro-area energy spectrum;（d）dimple micro-area energy spectrum

从塑性变形方面来看，金属Mg常温下仅有{0001}基面沿＜20＞方向一个滑移系。同时其位错层错能低，扩展位错宽度大，难以发生滑移，发生塑性变形时多是在孪晶变形协调下进行单滑移。这就使得常温断口在某些小平面内形成一组平行线，此即上述断口形貌观察到的脚印状小平台形成原因，也是造成断裂强度及塑性低的重要原因。焊后对焊缝实施动态热碾压过程中，由于焊缝余高被压缩，势必引起焊缝两侧同时受到挤压变形而处于三向受力状态，此时利用镁合金低层错能及位错宽度大特性，可诱发接头局部区域发生动态再结晶。加上225℃以上加热又可开通{1010}＜10＞棱柱面上的新滑移系，在热-力机械作用下，塑性变形使基体组织晶粒发生重结晶重组。而固溶后的β-Mg17Al12相在随后的近平衡冷却条件下将主要在晶内重新析出。由此通过细化晶粒、诱发晶内弥散强化效应，使AZ31B镁合金TIG焊接接头强度显著提高，塑性也在一定程度上得到改善。

3 结论

（1）AZ31B镁合金TIG焊接头通过热碾压可使其抗拉强度由150～180MPa提高至220MPa左右，从而达到母材金属抗拉强度的90%水平，延伸率也由原先的4% ～7%提高到9% ～11%水平，塑性在一定程度上得到改善。

（2）热碾压可有效改善铸态焊缝中β-Mg17Al12相在α-Mg基体晶界的连续网状分布状态，并使其固溶后在晶内以弥散质点方式析出，由此消除脆性析出相对基体组织的弱化作用。

（3）热碾压可促使铸态焊缝发生动态再结晶，在高温下诱发新滑移系的开通，通过晶粒组织的重构及细化，对强度及塑性的改善起到非常有益的作用。

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