AZ31B镁合金TIG焊接接头组织与性能

2018-04-17吴晓明陈丽园马永志郭瑞青

电焊机 2018年3期

吴晓明，陈丽园，景锋，马永志，郭瑞青

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

0 前言

镁合金因密度低、比刚度强、比强度高以及易于机械加工等优点，在航空航天、汽车和轨道等领域具有广阔的应用前景[1]，但是它也有抗腐蚀性差、化学性质较活泼等缺点[2]。镁合金的开发与应用已被科技部列为国家“十五”重大专项。高速轨道交通装备制造技术中，镁合金的结构件在工程材料实际应用中必须采用连接结构，但传统的弧焊方法很容易产生气孔、裂纹、夹渣、飞溅等焊接缺陷[3]，因此在实际应用中镁合金的连接工艺成为必须解决的问题[4]。TIG焊是目前镁合金常用的焊接方法。在此系统研究4mm AZ31B镁合金TIG焊焊接接头组织与性能。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为4 mm厚AZ31B镁合金，其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。

表1 AZ31B镁合金的化学成分Table 1 Chemical composition of AZ31B Mg alloy%

表2 AZ31B镁合金的力学性能Table 2 Mechanical properties of AZ31B Mg alloy

焊接材料为φ3.2mm的WE-33M镁合金焊丝，焊接材料熔敷金属的化学成分如表3所示。

表3WE-33M焊丝熔敷金属的化学成分%Table 3 Chemical composition of WE-33M wire welding

1.2 试验方法

4 mm AZ31B镁合金对接试板尺寸为300 mm×300 mm×3 mm，焊接电流打底层为 90～110 A，盖面层为70～90 A，焊后进行外观检测和渗透检测。

分别按照ISO4136-2001标准和ISO5173标准在WDW-300KN微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验和弯曲试验。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母材、焊缝区、熔合线区及热影响区的显微组织。金相腐蚀液为苦味酸、冰醋酸、乙醇与蒸馏水的混合溶液。

2 试验结果和分析

2.1 拉伸试验

按照ISO4136-2001标准对4 mm AZ31B镁合金TIG焊接接头进行室温拉伸试验，试验结果见表4。母材抗拉强度为246.7MPa，断后伸长率为9.7%，由表4可知，焊接接头平均抗拉强度为217 MPa，伸长率为4%，分别达到母材的87.96%和41.2%，参考ISO15614-2标准，其焊接接头的抗拉强度Rm（W）应满足要求

式中 Rm（W）为焊接接头的抗拉强度；Rm（pm）为相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=0.6，4mm镁合金的强度系数远大于0.6，可见镁合金具有良好的拉伸性能。拉伸试件断于焊接热影响区，这是因为焊接热循环作用导致AZ31B镁合金的焊接热影响区存在软化现象，HAZ为焊接接头较薄弱环节，所以试件断于此处。

表4 拉伸试验结果Table 4 Result of tensile test

2.2 硬度试验

4 mm AZ31B镁合金硬度曲线如图1所示。焊核区的硬度分布近似为均值73 HV，由焊核区向右侧硬度值逐渐降低，当达到热影响区时，硬度降到最低值54 HV，然后逐渐增加最终达到与母材等同水平。4 mm AZ31B镁合金硬度在热影响区有软化现象。焊缝的硬度高于母材，这可能与采用的焊丝有关，此外焊缝区晶粒细小，具有细晶强化作用；热影响区受高温热作用，硬度降低。

图1 4 mm AZ31B镁合金硬度曲线Fig.1 Hardness test result of 4 mm AZ31B

2.3 弯曲试验

4 mm AZ31B镁合金TIG焊接接头弯曲试验结果如表5所示。对接接头面弯和背弯试件均合格，且试件的弯曲角达到180°，试件未出现裂纹，接头的弯曲性能良好。

表5 弯曲试验结果Table 5 Result of bending test

2.4 金相组织

AZ31B镁合金TIG焊显微组织如图2所示。由图2a可知，母材基体组织为α-Mg固溶体，晶界弥散分布着黑色β-Mg17Al12沉淀相，晶粒为等轴晶，大小不均匀，这是板材挤压成形后动态再结晶的结果。由图2b可知，焊缝处晶粒相对热影响区更加细小，这是因为镁合金比热容小且凝结潜热低，无法吸收过多热量，使得提供晶粒的热源少，晶粒还来不及长大熔池已迅速冷却凝固[5]，组织主要是α-Mg固溶体，黑点为β-Mg17Al12相，呈弥散分布。由图2c可知，热影响区晶粒粗大，这是因为热影响区吸收了来自焊缝的热量，晶粒较母材有所长大，温度梯度小，晶粒易长大。由图2d可知，焊缝组织和热影响区组织差异明显，热影响区分布更加连续而且比焊缝处形成更大的β相，所以更易产生裂纹，力学性能较差。

图2 焊接接头显微组织Fig.2 Microstructure of welded joints

2.5 疲劳结果及分析

按常规方法确定中值S-N曲线和由升降法确定1×107次循环下的中值疲劳极限，最终确定4 mm AZ31B镁合金TIG焊对接接头（去掉余高）脉动拉伸疲劳（应力循环比R=0.1）的中值S-N曲线如图3所示，对接接头指定寿命为1×107次循环下的中值疲劳极限为70 MPa。对接接头脉动拉伸疲劳试件宏观形貌如图4所示。