预处理对WE43A稀土镁合金铸件焊补接头的影响

2022-04-15管晓光王淑花盖志宏

黑龙江科技大学学报 2022年2期

管晓光, 王淑花, 李航, 李冬, 盖志宏

(1.黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150022； 2.庆安交通运输局庆安 152400； 3.浙江省慈溪市汇丽机电股份有限公司, 浙江慈溪 315333)

0 引言

镁合金作为21世纪最具潜力的绿色工程材料，具有比强度高、电磁屏蔽性好等优势，在航空、航天等领域应用广泛。但稀土镁合金塑性成形、焊接性较差，存在晶粒粗大、裂纹等问题，成为制约镁合金焊接构件生产的技术难题。镁合金的焊接尤以焊补问题最为突出。有研究表明，热处理可以有效提高焊接接头的质量[1-2]。从国内外研究[3-7]来看，研究多集中在焊接裂纹或残余应力分析、稀土镁合金复合材料制备工艺、多角度挤压方式、轧制工艺变化、位错诱导等对稀土镁合金组织和塑性性能的作用机制等方面。笔者以有代表性的稀土镁合金WE43A为研究对象，研究焊前预处理对WE43A镁合金TIG焊法焊补接头组织及性能的影响，为稀土镁合金焊接及其批量化生产提供一定的借鉴依据。

1 实验

母材WE43A铸造稀土镁合金及焊丝的化学成分见表1。焊接时使用直径φ为6 mm的WE43A焊丝，其化学成分与母材相同。

表1 WE43A铸造稀土镁合金化学成份

将WE43A镁合金铸锭铣成100 mm×55 mm×6 mm的试样，共12块,刨孔后施焊，刨孔如图1所示。

图1 刨孔尺寸Fig. 1 Schamatic dimensions of digging up holes

焊前热处理工艺如图2所示，分未预处理、预热、预热+T4、预热+T6四种，选用钨极氩弧焊焊接。工艺参数：焊接电流200 A，焊接速度8 mm/s，氩气流量14 L/min。经过预处理的焊件，自下而上顺时针旋转快速一次性补焊。

图2 预处理工艺Fig. 2 Schematic of pretreatment processes

2 结果与分析

补焊后发现未进行预处理的200 A下WE43A焊补出现少量裂纹。图3为焊接电流为200 A时焊补接头焊缝区的X射线衍射分布曲线。由图3可知，WE43A镁合金TIG焊接接头物相为α-Mg固溶体和Mg41Nd5、Mg12Y5等析出相。

图3 焊缝区的X射线衍射分布曲线Fig. 3 X-ray distribution curve of weld zone

2.1 预处理对显微组织的影响

WE43A镁合金铸件母材显微组织如图4所示。其组织为等轴晶，平均晶粒尺寸大约为60 μm。由图4可以看出，显微组织中颜色较深的为基体α-Mg，沿晶界分布的亮色部分为合金凝固过程中形成的二次相Mg41Nd5，在晶界内部呈细颗粒状分布Mg12Y5。

图4 WE43A母材显微组织Fig. 4 Microstructure of WE43A base metal

不同预处理工艺下的WE43A铸件焊补接头的焊缝区和熔合区的显微组织如图5、6所示。

图5 不同焊前预处理方式的焊缝区显微组织Fig. 5 Microstructure of weld zone under different pretreatment methods before repair welding

由图5可知，焊缝区处的晶粒由等轴晶组成。其中，预热+T6处理的焊缝区的组织最为细小，最细可达42 μm。分析原因是经过预处理的铸件组织变得更为均匀，补焊时的温度差变小，去除了部分热应力，经T4或T6处理，析出物变多，钉扎作用加强。在补焊焊接过程中，Mg合金自身有热传导速度快，母材吸收大量的热而熔化，促进了焊缝区金属的快速凝固结晶，二者共同作用促进异质形核颗粒增多，加之高熔点的稀土化合物析出钉扎作用促进了晶粒细化。由图6可知，与焊缝区相比，热影响区晶粒粗大且较宽，这是镁合金的熔点低、导热快、热量不断向母材传递，促使热影响组织热量过多，稀土化合物对晶界的钉扎作用降低，晶粒变得粗大。由于不同预处理工艺的作用，其对焊缝区与熔合区的作用和影响趋势类似。

图6 不同焊前预处理方式的熔合区显微组织Fig. 6 Microstructure of fusion zone under different pretreatment methods before repair welding

2.2 预处理对显微硬度的影响

图7为不同预处理对WE43A铸件焊补接头显微硬度的影响。由图7可知，焊补接头焊缝区显微硬度最高、热影响区最低。分析原因是焊补过程中冷却速度极快，异质形核颗粒增多，促使晶粒细化，加之冷却过程中Y、Nd等稀化合物的钉扎和Zr的异质形核的共同作用促使晶粒细化和强化，使焊缝区硬度值高于母材。热影响区过大的热输入，晶粒粗化，弥散强化作用很弱，基体α-Mg质软，导致该区域显微硬度值最低。其组织变化从图5、图6焊缝区及熔合区显微形貌可以得到证实。

图7 不同预处理方式的补焊接头显微硬度曲线Fig. 7 Microhardness curves of repair welding joints under different pretreatment methods

与未进行预处理焊补接头相比，预处理工艺不同时，焊补接头中产生了内应力以及变形能。变形能量的输入促使基体中产生亚晶组织，细化晶粒。部分变形能促使焊接接头内能升高，处于亚稳定态，促使第二相粒子必然沿着位错线及晶界析出，促使显微硬度大于未进行预处理的焊补接头。从焊缝区显微硬度变化来看，预热+T6处理WE43A铸件焊补接头显微硬度最高达870 MPa，未处理的WE43A铸件焊补接头显微硬度最低为600 MPa，预热+T4的WE43A铸件焊补接头显微硬度和预热处理的WE43A铸件补焊接头显微硬度都好于未预处理的WE43A铸件焊补接头显微硬度。预热+T4处理的要高于WE43A铸件焊补接头的显微硬度。可能原因是，不同预处理工艺促使晶界或晶内第二相粒子的析出逐渐变多，组织更加均匀所致。从图5、图6熔合区未预处理、预热、预热+T4和预热+T6的铸件焊补接头的显微组织也进一步证实了这点。因此，预处理工艺为预热+T6时，焊补接头各区域的显微硬度较其他工艺有所提升，预处理工艺较为理想。

2.3 预处理对热裂纹倾向的影响

图8为盲孔法贴应力片测试补焊电流为200 A时不同预处理工艺对WE43A铸件焊补接头焊缝区头残余应力的影响。由图8可知，与未进行预处理的焊补件的残余应力σ相比，经预处理之后，焊缝中心区残余应力均有不同程度的降低。这说明焊前预处理确实可以减少焊补接头的焊后残余应力。预热+T6处理的试件残余应力值最低达40 MPa。

图8 不同预处理下的焊补接头焊缝区的残余应力曲线Fig. 8 Residual stress curves in weld zone of repair welding joints under different pretreatment methods

图9为未预处理WE43A焊补件裂纹附近线扫结果。从不同预处理的焊补件看，发现200 A电流下未预处理的焊补件出现少量裂纹。可能是未进行预处理，镁合金的冷却过程中组织不均匀性提高，不连续的网状析出物Mg41Nd5沿晶界析出不均匀，促使塑形降低，低熔点共晶相仍处于液态且存在时间较其他预处理时间长，在拉应力的作用下液膜收缩受到抑制，其它液相来不及补充，液相凝固产生了热裂纹。未进行焊前预处理的焊补件组织不均匀，出现的二次析出物较多，残余应力比其他预处理大，从而出现热裂纹倾向最大，因此未预处理件最容易产生裂纹。