十、如何改善AZ91鎂合金的焊接性，提高焊接接頭的力學性能？

鎢極氬弧焊（TIG）是目前廣泛采用的鎂合金焊接方法，氬弧焊本身具有焊縫成型良好、鎢極電弧穩定、氬弧焊設備簡單、價格便宜等優點。但鎢極氬弧焊單道熔深較淺，生產效率低，而且鎂合金熱膨脹系數大，容易產生焊接裂紋、焊后變形等缺陷。另外，鎢極氬弧焊的焊接參數對接頭影響較大，電流太小或太大都會在焊縫處產生一定的缺陷。如果能找到一種方法改變鎂合金在焊接過程中熔池的結晶特性，就可能使鎂合金的焊接性得到改善，使其力學性能得到提高。

電磁作用焊接技術是近年來發展完善起來的一種新型焊接技術，應用也日趨廣泛。實踐表明：利用外加磁場可對熔滴過渡、熔池金屬的流動、熔池的結晶形核及結晶生長等過程進行有效地干預，使焊縫金屬的一次結晶組織細化，減小化學成分的不均勻性，從而提高焊縫金屬的強度，降低裂紋和氣孔的敏感性，改善焊接接頭的質量。在采用磁控技術改善鎂合金焊接接頭性能方面，國內外學者進行了大量研究。其中，國內高校也做了不少研究工作。例如，在對鎂合金進行TIG焊時加入與電弧軸向垂直的橫向磁場，研究外加磁場對焊接接頭組織及性能的影響中，研究者采用規格為100mm×65mm×5mm的軋制態AZ91合金母材，化學成分Al、Zn、Mn、Cu的質量分數分別為8.9％、0.77％、0.35％、0.03％，其余為Mg。采用與母材化學成分相同的350mm×3mm×2.5mm焊絲，焊接設備為WSE-500型交流脈沖氬弧焊機，焊接工藝參數為：焊接電流Ic=80A，氬氣流量為7～9L/min，磁場頻率為10Hz，鎢極直徑為2mm，噴嘴直徑為10mm。外加橫向磁場對其AZ91鎂合金試件進行了焊接。

焊接時，該磁場由安裝在工件下面的線圈產生，磁場的電流和頻率可以調節，產生的磁力線與電弧軸線垂直。為了避免電流過大時導線絕緣層被擊穿，線圈繞制過程中每繞一層就用絕緣紙隔開。

根據研究者試驗，不同磁場電流Im作用下焊縫的顯微組織如圖2-54所示。焊縫組織由細小的等軸晶α-Mg及β-Al12Mg17共晶體組成，其中β-Al12Mg17共晶體呈網狀偏聚分布于晶界。當磁場電流Im在0.5～1.5A范圍內逐漸增加時，焊縫晶粒尺寸逐漸變細，共晶組織生成的數量明顯增多，呈條狀斷續分布于晶界；當磁場電流Im為1.5A時，焊縫晶粒尺寸最細小，如圖2-54（b）所示。在一定范圍內的磁感應強度有助于晶粒細化，晶粒越細晶界的面積就越大，晶界對位錯的阻礙作用也就越大，從而使強度提高；同時晶界面積增加使雜質濃度減少，避免產生延晶脆性斷裂。晶粒越細，在一定體積內晶粒的數目越多，在同樣的變形量下，變形量分散在更多的晶粒內進行。當磁場電流Im大于1.5A時，則隨著磁場電流Im的增大，晶粒變得粗大，接頭的性能下降。磁場電流Im=2.5A時的焊縫組織如圖2-54（c）所示。

圖2-54　不同磁場電流Im作用下焊縫的顯微組織

焊接接頭的抗拉強度隨磁場電流Im的變化曲線如圖2-55所示。由圖可看出，磁場電流Im在0～1.5A之間時，抗拉強度隨著磁場電流Im的增加呈現上升趨勢，當磁場電流Im達到1.5A時，抗拉強度達到最大值325.2MPa。磁場電流Im大于1.5A時，焊接接頭的抗拉強度出現下降趨勢，這是因為磁場電流Im越大，電磁力越大，因而波動越激烈，晶粒細化效果越顯著，組織越致密，抗拉強度越高；但是隨著磁場電流Im增加的同時，相應地會在熔池凝固體系內增大了熱效應，磁場對金屬流的滯止力增大，抗拉強度逐漸下降。此外，由圖2-55還可看出，在有外加磁場作用下試件的抗拉強度整體上高于無磁場的情況，且在磁場電流Im為1.5A時最明顯。

圖2-55　焊接接頭的抗拉強度隨磁場電流Im的變化曲線

接頭硬度隨磁場電流Im的變化如圖2-56所示。由圖可知，磁場作用下焊接接頭中焊縫及熱影響區的硬度要高于無磁場的情況；當磁場電流Im達到1.5A時，焊縫及熱影響區的硬度分別達到最大值為85.27HV和94.13HV；當磁場電流Im在0～1.5A之間時，焊縫和熱影響區（HAZ）的硬度隨著磁場電流Im的增加而逐漸增大；當磁場電流Im在1.5～2.5A之間時，焊縫的硬度隨著磁場電流Im的增加而逐漸減小，HAZ變化不明顯；磁場電流Im為2.5A時，HAZ硬度為77.8MPa，沒有呈現規律性，這種情況也可能是由于試件內部的缺陷或是由試驗誤差引起。觀察圖2-56還可以發現，熱影響區的硬度大多數低于焊縫的硬度，但高于母材的硬度。由此可見，焊接過程中施加磁場對母材的硬度基本沒有影響。這主要是由于母材處于固態，焊接過程中施加磁場對其影響作用不大。

圖2-56　接頭硬度隨磁場電流Im的變化

通過以上研究可見，在對AZ91鎂合金的TIG焊焊接過程中，外加橫向磁場可使其電弧穩定性提高，焊接電弧熱量集中，熔池攪拌均勻，焊縫金屬的結晶形態得到改善，增加形核率，細化晶粒，且在合適的焊接工藝參數下，可以顯著改善鎂合金的焊接性，提高焊接接頭的力學性能。