四、焊接中如何通過改變工藝參數調節鎂合金焊接接頭的力學性能？

鎂合金的導熱系數及線膨脹系數大，熱強度低，在焊接過程中易出現熱裂紋、氣孔及接頭軟化等現象。這些缺陷的出現大都與焊接工藝有關，因此通過研究焊接工藝，確定合適的工藝參數，對鎂合金焊接技術的推廣和應用有很大的實際意義。

在通過焊接工藝參數調節鎂合金接頭力學性能方面，有研究者采用擠壓成型的5mm厚AZ31鎂板作為母材，采用鎢極氬弧焊進行焊接，焊機型號為WSE-500，手動送絲。所用焊絲與母材同一材質，即從母材上通過機械加工而得，焊絲規格為150mm×80mm×5mm。焊接工藝參數見表2-9。

為了使我們了解如何通過調整焊接工藝參數達到調整焊縫力學性能的目的，首先讓我們通過研究者的試驗考察一下焊接電流對接頭成型系數有哪些影響。焊縫成型系數（B）是指在單道焊縫橫截面上焊縫寬度（C）與焊縫計算厚度（S）的比值。焊縫成型系數是焊接接頭的一個基本參數，通過對其大小的分析可以了解焊接接頭性能的變化情況，也就是說可以通過變化焊縫成型系數來改變焊接接頭的力學性能。

不同焊接電流下焊接接頭的成型系數變化曲線如圖2-17所示。由圖可看出，隨著焊接電流的增大，焊縫的熔寬、熔深大體上都呈現出上升的趨勢，這與傳統焊接理論相吻合，因為隨著焊接電流的增大，焊接接頭所吸收的熱量增加，使得焊縫的熔寬、熔深都有所增大，但是兩者之間變化的步伐并不一致，這點從成型系數的曲線可以發現。在圖2-17中，成型系數曲線并不與焊接電流呈現單值關系，雖然成型系數總體上是隨著焊接電流的增大而減小，但是在焊接電流為90A時出現了奇異點，這些現象與基本理論相吻合。

其次，讓我們再來分析焊接電流對接頭拉伸性能有哪些影響。焊接接頭拉伸性能隨焊接電流的變化曲線如圖2-18所示。由圖可看出，隨著焊接電流的增加，焊接接頭的抗拉強度也在增加，并在焊接電流為70A時達到最大值，隨后焊接電流進一步增大，則接頭的抗拉強度反而減小。相似的規律在焊接接頭的伸長率和斷面收縮率上也出現了，只是其最大值并沒有出現在70A處，而是出現在80A處。此外，拉伸試件的斷裂位置也有一定的變化，當電流較小（<70A）時，焊接接頭大多斷裂于熱影響區（HAZ），但當電流較大（>90A）時，斷裂則出現在焊縫，這主要與焊接接頭的組織有關。

第三，考察焊接電流對接頭硬度的影響可看出，隨著焊接電流的增大，焊縫和HAZ的硬度都發生了一定的變化，但是兩者的變化規律不盡相同，如圖2-19所示。焊縫硬度隨著焊接電流的增大是先增大后減小，在焊接電流為70A時達到最大值；而HAZ的硬度雖然也是隨著焊接電流的增大先增大后減小，但其變化的幅度明顯沒有焊縫硬度大。這是因為HAZ在焊接過程中基本都處于固相狀態，不發生相應的相變，所以對熱量的敏感性沒有液態熔池大，進而硬度的變化幅度也沒有焊縫大。

顯微組織是材料宏觀力學性能的微觀表征。因此，要研究不同焊接電流下鎂合金焊接接頭拉伸性能和硬度性能的差別，必須對不同焊接電流下焊接接頭的顯微組織進行分析。圖2-20為研究者提供的不同焊接電流下鎂合金焊接接頭的顯微組織。當焊接電流較小時（60A），焊縫金屬所吸收的熱量較小，這樣焊縫冷卻速度相對較快，晶粒長大時間較短，相對比較細小，如圖2-20（a）所示；當焊接電流適當增加時（70A），焊縫金屬組織仍以細小等軸晶為主，但晶界第二相的分布形態卻有了明顯的變化，由于焊接電流的增大，焊縫金屬高溫停留時間有所延長，促進了合金元素向基體中固溶，進而使第二相呈細小彌散分布，如圖2-20（b）所示；但當焊接電流繼續增大時，焊接接頭的顯微組織卻呈現出增大的趨勢，而且焊接電流越大，增大的趨勢越明顯，如圖2-20（c）、（d）所示；當焊接電流達到100A時，鎂合金焊接接頭的組織已經很粗大，如圖2-20（e）所示。產生這種現象的原因是：隨著焊接電流的增大，鎂合金焊接接頭吸收的熱量增多，這些熱量將使液態熔池金屬處于高溫的時間延長，進而增大了晶粒生長時間；而且由鎂合金相圖可知，鎂合金在高溫情況下沒有相變發生，這就更加加劇了鎂合金焊接接頭的晶粒長大的趨勢，產生了粗晶區，進而使材料的力學性能下降。微觀組織變化及力學性能發生變化也可從上面對抗力強度和硬度的分析中得到印證。

不同焊接電流的焊縫外觀相貌如圖2-21所示。由圖2-21可見，合適的焊接電流焊縫外觀美觀整齊（如圖2-21（b）所示），電流過小或過大都致使焊縫成型不好（如圖2-21（a）、（c）、（d）所示），影響焊接接頭質量。

從焊接工藝參數對焊接接頭性能的作用機理方面分析，在電弧電壓、焊接速度保持不變的情況下，焊接電流是決定焊接線能量的主要因素。鎂合金接頭熔池金屬的結晶、形核主要取決于線能量。根據金屬學理論，金屬的結晶形核方法分為均質形核和異質形核兩種方式，但無論哪種形核方式，金屬在結晶形核的過程中都需要一定的成分起伏、結構起伏、能量起伏和過冷度。對于本試驗所采用的擠壓成型5mm厚的AZ31鎂合金板而言，它是在Mg中加入一定量的固溶強化元素Al、Zn等經過冶煉而成的，因此焊接過程中熔池的結晶方式將以異質形核方式進行，這將使結晶所需形核能大大降低，明顯低于均質形核。當焊接電流較小（60A）時，焊接接頭吸收的熱量較小，熔池高溫停留時間較短，晶粒長大的趨勢較弱，進而晶粒尺寸相比較小，但溫度過低不利于合金元素的固溶，使鎂合金的固溶強化效果減弱，進而影響鎂合金的力學性能。在合適的焊接電流下，熔池晶粒細小，而且大量固溶強化元素充分的融入Mg基體內部，使得晶界強化和固溶強化得到良好的匹配，進而使力學性能達到最佳。但是焊接電流過大時，焊接接頭的力學性能反而變差，其原因是：一方面，焊接電流過大，焊接接頭吸收的熱量增多，使得鎂合金熔池高溫停留時間增長，晶粒長大趨勢明顯，形成粗晶區；另一方面，由于鎂合金中所添加的元素本身的熔、沸點都不是很高，過大的電流將使鎂合金熔池金屬中大量合金元素產生燒損現象，這也對焊接接頭的力學性能造成不良影響。因此，焊接過程中選擇合適的焊接電流（如本例的焊接電流70A）時，焊接接頭的力學性能才能達到最佳值。所以，焊接鎂合金可以通過調整合適的焊接電流使焊接接頭在焊接過程中獲得合適的焊接線能量，使焊縫液態金屬高溫停留時間改變，進而影響焊縫金屬的結晶過程，使焊接接頭的力學性能得到改善。上例中研究者采用70A焊接電流焊接時，鎂合金焊接接頭的力學性能達到最佳值，此時焊接接頭的成型系數為3.51，抗拉強度為201.7MPa，斷面收縮率為8.4％，伸長率為12.18％，硬度為62.3HV。