焊接工藝與組織性能研究范文

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《特種鑄造及有色合金雜志》2016年第三期

摘要

研究了焊接電流、焊接速度和氬氣流量對(duì)AZ31合金TIG焊接接頭力學(xué)性能與顯微組織的影響。結(jié)果表明，當(dāng)焊接電流為160A，焊接速度為4mm／s，氬氣流量為10L／min時(shí)，焊接接頭具有最佳的強(qiáng)度與塑性，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的97％，屈服強(qiáng)度達(dá)到母材的98％。隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸增大，但是熱影響區(qū)的寬度都比較窄，這可能與母材中彌散分布的第二相粒子有關(guān)。

關(guān)鍵詞

AZ31合金；焊接工藝；力學(xué)性能；組織

AZ31鎂合金由于具有比強(qiáng)度、比剛度高，良好的阻尼減振性和容易切削加工等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船舶等領(lǐng)域。然而由于工業(yè)化生產(chǎn)中鎂合金結(jié)構(gòu)件之間的焊接處理容易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、焊縫區(qū)軟化等問題，極大地限制了鎂合金的應(yīng)用［1］。隨著PLC控制在冶金、建筑等行業(yè)的成功應(yīng)用，對(duì)于某些具有精度要求高、工作量大的焊接結(jié)構(gòu)件的連接，采用PLC控制系統(tǒng)對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行在線控制，可以極大提高焊接件的焊接質(zhì)量和焊接效率［2，3］。本課題采用PLC控制TIG（惰性氣體鎢極保護(hù)焊）焊接工藝參數(shù)，研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭組織與力學(xué)性能的影響，以期為AZ31合金的焊接工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)材料與方法

選用AZ31熱擠壓鎂合金板材為研究對(duì)象，焊絲材質(zhì)為AZ31鎂合金，直徑為2mm。試驗(yàn)合金的主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：3．4％的Al、0．60％的Zn、0．18％的Mn、0．001％的Cu、0．002％的Fe、0．003％的Si，余量為Mg。采用WP－400型交流／直流TIG焊機(jī)對(duì)試驗(yàn)合金進(jìn)行焊接。PLC控制系統(tǒng)具有操作方便、位置控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。焊接過程的在線PLC控制按照TIG焊接規(guī)范執(zhí)行［4］，焊接電流分別為100、140、160、180、200A；PLC控制的焊接速度分別為2、4、6、8mm／s，氬氣流量分別為6、8、10、12和14L／min，控制電弧長(zhǎng)度在2mm左右，鎢極直徑為2．5mm，噴嘴直徑為8mm。按照國(guó)標(biāo)GB2649的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)［5］，在MTS－810型電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行，速率為2mm／min，測(cè)得試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率；焊接試樣經(jīng)過砂紙打磨、機(jī)械拋光后采用5％的草酸溶液進(jìn)行腐蝕處理，在ZEISS－3型金相顯微鏡下觀察焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織，并用自帶的分析軟件對(duì)不同區(qū)域的晶粒尺寸分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2．1焊接電流對(duì)焊接接頭力學(xué)性能旳影響表1為焊接電流對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響，其中，焊接速度為4mm／s，氬氣流量為10L／min。從表1可以看出，隨著焊接電流的增加，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加而后降低，且斷后伸長(zhǎng)率也表現(xiàn)為先增加而后降低。當(dāng)焊接電流為160A時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都取得最大值。焊接接頭的斷裂位置都處于靠近熱影響區(qū)的部分，且焊接接頭的伸長(zhǎng)率較母材更低。造成這種現(xiàn)象的原因在于焊接熱循環(huán)過程中焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒尺寸分布不均勻，而熱影響區(qū)的晶粒相對(duì)粗大［6］，因此焊接接頭的強(qiáng)度和塑性略低于母材。對(duì)不同焊接電流下的焊接接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。可以看出，隨著焊接電流的增加，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸逐漸增大；焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的晶粒尺寸差別較大。隨著焊接電流的增加，焊縫區(qū)的晶粒尺寸增長(zhǎng)幅度較小，而熱影響區(qū)的晶粒尺寸增幅較大。這是由于焊縫區(qū)的冷卻速度較快，形成了細(xì)小等軸晶，而熱影響區(qū)的冷卻速度相對(duì)較慢，導(dǎo)致晶粒尺寸更為粗大。

2．2焊接速度對(duì)接頭組織和力學(xué)性能旳影響表3為焊接速度對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響，其中，焊接電流為160A，氬氣流量為10L／min。從表3可以看出，隨著焊接速度增加，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度總體變化幅度不大，而斷后伸長(zhǎng)率表現(xiàn)為先增加而后降低，當(dāng)焊接速度為4mm／s時(shí)，焊接接頭可以取得最佳的綜合力學(xué)性能。與焊接電流對(duì)焊接接頭伸長(zhǎng)率和斷裂位置的影響類似，在不同的焊接速度下，焊接接頭的伸長(zhǎng)率都低于母材，且都在焊縫接近熱影響區(qū)的位置斷裂。這是由于母材是經(jīng)過擠壓＋熱軋變形后得到的，具有較高的強(qiáng)度和塑性，而在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性略有降低，此外，焊接電流對(duì)強(qiáng)度與塑性的影響相對(duì)于焊接速度更為敏感。不同焊接速度下的焊接接頭的平均晶粒尺寸見表4。可以看出，隨著焊接速度的增加，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸都逐漸減小，且熱影響區(qū)的降低幅度要高于焊縫區(qū)。由此可見，在同樣的焊接電流和氬氣流量下，較快的焊接速度有助于減小熱影響區(qū)晶粒尺寸的粗化。但是如果焊接速度過快，也可能導(dǎo)致由于焊接熱輸入較低而產(chǎn)生未焊透的現(xiàn)象。綜合而言，當(dāng)焊接電流為160A，氬氣流量為10L／min時(shí)，適宜的焊接速度為4mm／min，此時(shí)焊接接頭可以獲得較好的微觀組織。

2．3氬氣流量對(duì)接頭組織和力學(xué)性能旳影響表5為氬氣流量對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響，其中，焊接電流為160A，焊接速度為4mm／s。從表5可以看出，氬氣流量的變化對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響較大。當(dāng)氬氣流量為10L／min時(shí)，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)。當(dāng)氬氣流量較小時(shí)，由于焊接保護(hù)氣體的不足，可能使得熔池保護(hù)效果惡化，在焊接接頭中出現(xiàn)了一定數(shù)量的氣孔、夾雜等缺陷，見圖1a，圖1b；當(dāng)氬氣流量過大時(shí)，過多的氬氣會(huì)使得熔池中的紊流區(qū)擴(kuò)大，使得空氣卷入其中，從而造成氣孔等缺陷，見圖1c和圖1d。當(dāng)氬氣流量在10L／min時(shí)，保護(hù)氣體流量適當(dāng)，焊縫可獲得較好的成形質(zhì)量，焊接接頭斷裂在焊縫靠近熱影響區(qū)處。表6為不同氬氣流量下焊接接頭的平均晶粒尺寸。可以看出，隨著氬氣流量的增加，焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒尺寸變化不大，與焊接電流和焊接速度對(duì)焊接接頭晶粒尺寸的影響類似，焊縫區(qū)的晶粒尺寸要小于母材，而熱影響區(qū)的晶粒尺寸大于母材。由此可見，在焊接電流和焊接速度一定前提下，氬氣流量對(duì)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒尺寸的影響不大。綜合而言，當(dāng)PLC控制焊接電流為160A，焊接速度為4mm／s，氬氣流量為10L／min時(shí)，焊接接頭可以得到最佳的強(qiáng)度與塑性。其中，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的97％，屈服強(qiáng)度達(dá)到母材的98％。圖2為最優(yōu)焊接工藝下的焊接接頭的顯微組織。可以發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)之間的界限較為清晰，其中，焊縫區(qū)組織為細(xì)小等軸晶組織，且存在相當(dāng)數(shù)量的第二相粒子，而熱影響晶粒組織較為粗大。這種粗大的晶粒組織是由于熱量輸入致使靠近重熔的焊縫區(qū)的母材組織過熱造成的。圖3為不同焊接電流下的AZ31合金焊接接頭的拉伸斷口形貌。對(duì)于AZ31合金母材而言，拉伸斷口中的第二相尺寸較小，分布較為均勻，見圖3a；對(duì)于焊接電流為155A的焊接接頭拉伸斷口，斷口中存在著較多的夾雜等缺陷，第二相尺寸較為粗大，見圖3b；當(dāng)焊接電流增加至175A時(shí)，斷口中未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜等缺陷，粗大第二相數(shù)量較小，見圖3c；焊接電流繼續(xù)增加至195A，斷口中第二相的數(shù)量明顯增多，且尺寸分布不均勻，部分第二相尺寸達(dá)到25μm，見圖3d。對(duì)焊接電流為155A和195A時(shí)的焊接接頭斷口的縱剖面進(jìn)行掃描電鏡觀察可見，組織中存在較多的夾雜物缺陷和粗大第二相，這些粗大第二相在拉伸過程中會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而萌生裂紋與擴(kuò)展，并使得焊接接頭的力學(xué)性能降低。

3結(jié)論

（1）隨著焊接電流的增加，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增加而后降低，且斷后伸長(zhǎng)率也表現(xiàn)為先增加而后降低。當(dāng)焊接電流為160A時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都取得最大值。（2）隨著焊接速度的增加，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度總體變化幅度不大，而斷后伸長(zhǎng)率表現(xiàn)為先增加而后降低，當(dāng)焊接速度為4mm／s時(shí)，焊接接頭具有理想的綜合力學(xué)性能。（3）Ar氣流量的變化對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響較大。當(dāng)Ar氣流量為10L／min時(shí)，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)。

作者：閻競(jìng)實(shí) 徐志成 張瑩 單位：長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江大學(xué)