九、如何采用TIG焊進(jìn)行AZ91鎂合金焊接？

AZ91鎂合金是商業(yè)應(yīng)用最廣泛的鎂合金之一，其鑄態(tài)組織由α-Mg基體和非平衡結(jié)晶導(dǎo)致的離異共晶β-Mg17Al12相組成。目前，對于AZ91鎂合金的研究大多集中在壓鑄工藝及隨后的固溶和時效處理上，而關(guān)于AZ91鎂合金板材焊接的研究非常少。為了研究AZ91鎂合金焊接接頭的組織及力學(xué)行為，某高校科研人員以供貨狀態(tài)軋制成型的AZ91板材作為母材，采用TIG焊接方法對其5mm×65mm×100mm的試件進(jìn)行了雙面焊接。焊接前，試件開V型坡口，選用規(guī)格為2.5mm的焊絲，焊絲化學(xué)成分與母材相同，具體成分見表2-20。AZ91板材抗拉強度為280MPa，斷后伸長率為8％。

在鎂合金的TIG焊中采用交流電源，半自動焊接，手動送絲，以充分利用交流電源對氧化膜的“陰極破碎”作用。焊接功率的選擇根據(jù)研究者先期焊接試驗所得出的規(guī)律，試驗過程中固定氬氣流量為12L/min，鎢極直徑為2mm，噴嘴直徑為10mm，焊接速度為70cm/min。為了保證焊接質(zhì)量，焊前應(yīng)仔細(xì)去除焊件表面氧化膜及雜質(zhì)，以使焊接過程順利進(jìn)行，并使分離的母材形成完整的接頭。

在焊接過程中，焊接電流是工藝參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，焊接電流主要取決于鎢極的種類和規(guī)格，還與被焊工件的厚度有關(guān)。其他工藝參數(shù)的不變情況下，不同焊接電流焊接的焊縫成型情況如圖2-49所示。從圖2-49中可以看出，當(dāng)焊接電流為90A時，焊縫表面成型不良，局部出現(xiàn)凸起現(xiàn)象；當(dāng)焊接電流為100A時，焊縫表面波紋整齊平直，形成魚鱗狀波紋連續(xù)且均勻，沒有出現(xiàn)凸起與咬邊等明顯焊接缺陷；當(dāng)焊接電流為130A時，焊接接頭出現(xiàn)輕微變形，焊道兩側(cè)出現(xiàn)咬邊，局部表面焊縫區(qū)域出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。以上現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與焊接過程中采用的焊接電流大小有關(guān)。焊接電流大小不同，焊接接頭獲得的熱能不同。焊接過程中，當(dāng)焊接電流較小時，焊接設(shè)備提供給焊接過程的熱量小，能量不集中，電弧發(fā)散，電弧對焊絲的熔化效果不好。焊接提供的熱能小，焊絲以較大的熔滴形式向熔池過渡，造成焊絲的熔敷不連續(xù)，導(dǎo)致試件不容易被焊透，焊縫成型性較差。而當(dāng)焊接電流增大后，焊絲熔化的熔滴可被鎢極表面的高能量和較大的電弧力打散，以細(xì)小的熔滴向熔池過渡，焊縫表面成型會得到改善；隨著焊接電流的繼續(xù)增加，焊接熱輸入增大；當(dāng)焊接電流過大時，焊接接頭就會出現(xiàn)變形和焊縫下塌的現(xiàn)象。

焊接電流與焊接接頭顯微組織形貌如圖2-50所示。AZ91鎂合金焊縫在不同焊接電流作用下，焊縫組織由初生相α-Mg及第二相α-Mg與β-Al12Mg17共晶體組成。焊接電流對焊縫組織具有明顯的影響。當(dāng)焊接電流較小時，焊接接頭的組織較細(xì)小，如圖2-50（a）、（b）所示；當(dāng)焊接電流增大時，焊接接頭的顯微組織呈現(xiàn)出粗化的趨勢，而且焊接電流越大，焊接接頭的顯微組織粗化的趨勢越明顯，如圖2-50（c）、（d）所示。出現(xiàn)焊接接頭顯微組織粗化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(tài)熔池金屬處于高溫的時間延長，進(jìn)而增大了晶粒生長時間，而且根據(jù)鎂合金相圖可知，鎂合金在高溫情況下沒有相變發(fā)生，這就更加加劇了鎂合金焊接接頭晶粒的長大。

焊接電流為100A時，焊縫區(qū)X射線衍射譜如圖2-51所示。從圖2-51中可以看出，焊縫的相組成主要為α-Mg固溶體和β-Al12Mg17金屬間化合物，β-Al12Mg17金屬間化合物衍射峰較弱，說明焊縫是由大量的α-Mg和少量的β-Al12Mg17組成的。X射線衍射分析與研究者實際焊接情況基本相符，AZ91鎂合金中Al元素的含量為9％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右，大部分Al原子都溶入基體鎂中形成α-Mg固溶體，只有隨溫度降低才有少量β-Al12Mg17析出。

抗拉強度作為材料的一個基本力學(xué)性能指標(biāo)，可以衡量材料在使用過程中所能承受的外力情況。AZ91鎂合金焊接接頭的拉伸性能隨焊接電流的變化曲線如圖2-52所示。從圖2-52（a）中可以看出，隨著焊接電流的提高，接頭處的抗拉強度也隨之增大，并在焊接電流為100A時達(dá)到最大值（252MPa），但隨著焊接電流的進(jìn)一步增加，接頭的抗拉強度反而減小。圖2-52（b）為焊接接頭斷后伸長率及斷面收縮率隨焊接電流的變化曲線，與抗拉強度的變化規(guī)律相似，都是隨著焊接電流的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是由于，當(dāng)焊接電流較小（90A）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(jìn)而晶粒尺寸相比較小，但是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(jìn)而使鎂合金焊接接頭的抗拉強度降低。在合適的焊接電流下，熔池晶粒細(xì)小，而且大量固溶強化元素充分的溶入鎂基體內(nèi)部，使得晶界強化和固溶強化得到良好的匹配，進(jìn)而抗拉強度達(dá)到最佳。但是焊接電流過大時，焊接接頭的拉伸性能反而變差。其原因：一方面，焊接電流過大，熱輸入大，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(qū)；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(chǎn)生燒損現(xiàn)象，這也對焊接接頭性能產(chǎn)生不良影響。

焊接電流為130A時焊縫處裂紋斷口形貌如圖2-53所示。由圖2-53可見，斷口上密排著枝晶端頭顆粒狀凸起，表面上覆蓋著很薄的連續(xù)分布的薄膜，液態(tài)薄膜沿晶界分布。根據(jù)有關(guān)研究，焊接電流對裂紋產(chǎn)生的影響主要是隨著焊接電流的增加，焊接熱輸入增加，焊縫金屬的冷卻速度降低，α-Mg晶粒粗化，促進(jìn)了Al、Zn、Mn等元素在晶界處的偏析，進(jìn)一步降低了晶間液態(tài)膜的熔點。研究者的EDS分析表明，金屬橋上的小褶皺的Al、Zn和Mn元素含量分別為8.74％、1.02％和0.89％，均高于焊縫金屬平均的Al、Zn和Mn元素含量，見表2-21。因此，過大的焊接電流增加了焊縫結(jié)晶裂紋的敏感性。

理論分析與實踐表明，對于AZ91鎂合金的焊接，在確保焊縫成型良好的情況下，盡量選擇小的焊接電流。否則，隨著焊接電流的增加，焊縫的晶粒逐漸粗化，并且使接頭合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能降低。同時焊接電流過大也會增加焊縫熱裂紋的敏感性。

采用TIG焊進(jìn)行AZ91鎂合金焊接時，只要焊接電流合適（如本例中的100A），可以使焊縫成型好，可以使焊接接頭的抗拉強度達(dá)到252MPa（約為母材抗拉強度的85％），斷后伸長率達(dá)到6.9％，斷面收縮率達(dá)到15.2％，可以使焊接接頭力學(xué)性能滿足使用性能要求。