AZ61A镁合金等离子焊接头组织与性能

吴晓明，陈丽园，景 锋，田忠利，高梓朝

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

AZ61A镁合金等离子焊接头组织与性能

吴晓明1，陈丽园1，景 锋1，田忠利1，高梓朝2

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

通过拉伸、硬度、弯曲试验和金相组织分析，研究AZ61A镁合金等离子焊接头的拉伸性能、硬度、弯曲性能和金相显微组织。结果表明，拉伸试件的断裂处均位于焊缝区，抗拉强度值分别为220MPa和223MPa，且Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，满足试验要求；所有弯曲试件均未出现断裂，弯曲性能良好；等离子焊所获得的接头热影响区窄且晶粒粗大，焊缝区晶粒细小，组织由α相及其上弥散分布着的灰色点状物Mg17Al12组成；焊缝区整体硬度高于热影响区和母材，热影响区基本未发生软化。

镁合金；等离子焊；组织与性能

0 前言

镁及镁合金具有密度小、比强度和比刚度高，阻尼性和导热性优良、尺寸稳定、价格低廉、可回收再生利用等优点，作为重要的工程材料应用于高速轨道交通装备制造是未来发展的必然趋势。由于镁合金具有熔点低、线膨胀系数和导热率高、与氧、氮亲和力强的特点，焊接时容易出现氧化燃烧、裂纹、气孔、热影响区过宽、接头软化、焊后变形较大等问题，使焊接接头的力学性能下降。因此，镁合金结构件以及镁合金与其他材料结构件之间的焊接成为制约镁合金应用的技术瓶颈和亟待解决的关键技术之一[1]。

等离子焊作为一种能量密度大、焊接热输入小、焊接速度快的高效焊接方法，其适应性广、熔深大、焊缝窄、热影响区小，并且与电子束焊和激光焊相比具有成本优势，越来越多地应用于现代化、高质量、高精密设备的焊接，是一种理想的提高镁合金焊接质量的方法[2]。

在此系统研究6 mm厚AZ61镁合金等离子焊接头的组织和性能，为镁合金的推广及应用提供经验积累和技术支持。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验材料为6 mm厚AZ61A镁合金板材，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

表1 AZ61A镁合金的化学成分Table 1 Chemical composition of AZ61A magnesium alloy %

表2 AZ61A镁合金的力学性能Table 2 Mechanical properties of AZ61A magnesium

1.2 试验方法

试验采用尺寸300mm×300mm×6mm的AZ61A镁合金板材及直径φ1.6 mm的AZ61焊丝进行PF（立焊）位置的等离子焊接，焊接坡口装配如图1所示，焊接工艺参数见表3。焊后试件均进行外观（ISO 17637）、渗透（ISO23277）和射线（ISO17636）检查。

图1 焊接坡口装配Fig.1 Welding groove assembly drawing

表3 等离子焊接工艺参数Table 3 Plasma welding process parameters

分别按照ISO4136-2001标准和ISO5173标准在WDW-300KN型微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验和弯曲试验，弯曲试验采用2个面弯试样和2个背弯试样，压头直径70 mm。

硬度试验选用维氏硬度，根据GB/T4342-1991《金属显微维氏硬度标准》，利用FM-700型显微硬度仪测量焊接接头表面（包括母材和热影响区）的维氏硬度分布，并使用ORIGIN75软件绘制硬度图，显微硬度仪的参数设置为：载荷200 gf（1.96 N），保持时间15 s，步长200 μm；采用Neophot-32数码金相显微镜观察焊接接头的焊缝区、热影响区和母材的显微组织。金相腐蚀液为苦味酸等的混合溶液。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验

按照ISO4136-2001标准对AZ61A镁合金等离子焊接接头进行室温拉伸试验，试验结果如表4所示。参考ISO15614-2标准，其焊接接头的抗拉强度 Rm（W）应满足要求：Rm（W）≥Rm（pm）×T。其中，Rm（W）为焊接接头的抗拉强度，Rm（pm）为有关标准中所要求的母材抗拉强度的最低规定值，T为焊接接头强度系数。因镁合金与铝合金相似，参考铝合金取 T=0.6，由表 2 可知，Rm（pm）=310 MPa，故 Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，满足相关标准要求，并且均断于焊缝区。

表4 拉伸试验结果Table 4 Tensile test results

2.2 硬度试验

接头区域硬度试验结果如图2所示。可以看出，焊缝区的平均硬度值略高于热影响区和母材，围绕一个稳定值上下波动较小，HAZ区出现一个略微的下降后又上升，母材区趋于稳定。与TIG焊相比，等离子焊由于电流较小和焊接速度较大，热输入大大减小，使得热影响区的软化现象不明显。随着焊接热输入的减小，焊缝金属冷却速度加快，焊接接头中所有组织的晶粒尺寸随之减小，使得焊缝区的晶粒尺寸小于母材。因此，焊缝区硬度增加。此外，由于镁的沸点低，在焊接电弧的高温作用下，镁的蒸发问题严重，导致接头处的镁含量低于母材，Al、Zn的含量则高于母材，而Al、Zn含量的相对增加，尤其是Al含量的增加，也是导致焊缝区硬度增加的原因之一[2]。HAZ区硬度略有下降的原因则是在冷却过程中析出的β-Mg17Al12是一种脆性相，且熔点低，其存在使热影响区更易产生热裂纹[3]。

图2 接头区的硬度分布Fig.2 Joint hardness distribution

2.3 弯曲试验

AZ61A镁合金等离子焊接头弯曲试验结果如表5所示。所有试件的弯曲均未出现断裂，弯曲性能良好。

表5 弯曲试验结果Table 5 Bending test results

2.4 显微组织分析

AZ61A镁合金等离子焊显微组织如图3所示。母材显微组织如图3a所示，晶粒大小不均匀，组织由α相和沿晶界分布的β相组成；焊缝显微组织如图3b所示，晶粒为细小等轴晶，组织由α相和其上弥散分布的灰色点状物Mg17Al12组成，这是由于镁合金的导热系数大、散热快，焊后焊缝金属快速凝固，可细化晶粒，同时合金中的Al也会促使晶粒细化[4]；热影响区显微组织如图3c所示，在焊接热循环的作用下，热影响区晶粒有所长大，呈粗大晶粒状，组织由粗大的α-Mg和分布其间的α+Mg17Al12组成。熔合区同时有细小和粗大的晶粒，这是熔合区在快速熔化后又快速冷却凝固结晶造成的[5]。

图3 焊接接头显微组织Fig3 Welded joint microstructure

3 结论

（1）AZ61A镁合金等离子焊接接头Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，拉伸性能良好且在焊缝处断裂。

（2）AZ61A镁合金等离子焊接接头弯曲试件的面弯和背弯均未出现断裂，弯曲性能良好。

（3）AZ61A镁合金等离子焊接接头焊缝区的硬度值总体上高于热影响区和母材，且热影响区基本没有发生软化。

（4）AZ61A镁合金等离子焊接接头母材区显微组织为α相和沿晶界分布的β相；焊缝区显微组织为细小均匀的等轴晶，由α相及其上弥散分布着的灰色点状物Mg17Al12组成；热影响区显微组织为长大的晶粒，其组织由粗大的α-Mg和分布其间的α+Mg17Al12组成。

[1]张津，章宗和.镁合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]刘黎明，沈勇，张兆栋.镁合金变极性等离子弧焊接头的微观组织分析[J].机械工程学报，2006，42（5）：198-202.

[3]姚军，魏鑫.AZ31B镁合金焊接接头组织特征及力学性能[J].焊接技术，2012，4（1）：17-19.

[4]范伟光，刘家斌，朱义新.AZ31B镁合金氩弧焊接头性能分析[J].电焊机，2009，39（9）：72-74.

[5]蒋健博，张兆栋，沈勇，等.镁合金变极性等离子缝焊接头微观组织分析[J].电焊机，2006，36（2）：18-21.

Microstructure and properties of plasma welded joints of AZ61A magnesium alloy

WU Xiaoming1，CHEN Liyuan1，JING Feng1，TIAN Zhongli1，GAO Zichao2
（1.CRRC TANGSHAN Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

The plasma welded joints of AZ61A magnesium alloy are studied by tensile，hardness and bending tests and metallographic structure analysis respectively.The results show that all the fractures of the tensile specimens are in the weld zone，the tensile strength values are 220 MPa and 223 MPa respectively，and Rm（W）/Rm（pm）＞0.7，which meets the test requirements；No fracture is found in any bending specimens，and the bending property is good；The heat affected zone of the joints obtained by plasma welding is narrow，and its grains are coarse，while the grains of the weld zone are fine，the microstructure is constituted by α phase and diffuse gray Mg17Al12distributed on α phase；The overall hardness of the weld zone is higher than that of the heat affected zone and base metal，and the heat affected zone does not soften basically.

magnesium alloy；plasma welding；organization and performance

TG457.19

A

1001-2303（2017）10-0050-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.10

本文参考文献引用格式：吴晓明，陈丽园，景锋，等.AZ61A镁合金等离子焊接头组织与性能[J].电焊机，2017，47（10）：50-52+57.

2017-07-10

吴晓明（1981—），女，高级工程师，主要从事焊接工艺及体系管理工作。E-mail：wuxiaoming@tangche.com。

高梓朝（1995—），男，在读硕士。E-mail：19189032@qq.com。