十一、AM50鎂合金TIG焊接過(guò)程中如何選取焊接工藝規(guī)范？

焊接過(guò)程中，焊接工藝規(guī)范對(duì)焊接接頭的外觀成型和后續(xù)的接頭顯微組織特征及其對(duì)力學(xué)性能有顯著影響。那么，AM50鎂合金TIG焊的焊接過(guò)程中，究竟如何選取焊接工藝規(guī)范才能確保焊縫成型良好，焊縫的微觀組織和力學(xué)性能達(dá)到最佳效果呢？針對(duì)AM50鎂合金TIG焊，在確保焊縫成型性良好，無(wú)宏觀缺陷的基礎(chǔ)上，有研究者通過(guò)試驗(yàn)研究制定出適當(dāng)?shù)墓に囈?guī)范，得到了質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)的焊縫，顯著提高了焊接接頭的力學(xué)性能。

焊接試驗(yàn)選用供貨狀態(tài)為擠壓成型厚度為6mm的AM50鎂板作為母材，焊絲與母材同一材質(zhì)，焊絲規(guī)格為5mm×3mm×2mm，合金成分見(jiàn)表2-22。

焊接用純度為99.9％的氬氣作保護(hù)氣體，選用非熔化極鈰鎢極，直徑為2mm。焊接設(shè)備采用交流鎢極氬弧焊機(jī)，焊機(jī)型號(hào)為NSA-500-1。焊炬裝夾在小車(chē)上，通過(guò)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)焊槍移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接。整個(gè)焊接過(guò)程為半自動(dòng)化，手動(dòng)送絲。為防止焊接過(guò)程中溫度過(guò)高燒毀槍體，采用水冷系統(tǒng)，并用石棉包住焊炬下部以實(shí)現(xiàn)絕熱。

為得到高質(zhì)量的焊縫，避免將雜質(zhì)帶入焊縫，焊前應(yīng)將鎂合金表面的氧化膜和油污進(jìn)行徹底清理，使母材坡口周?chē)秃附z露出白色金屬光澤。為防止和減小焊接變形，試件兩端用夾具固定，焊件下面放置冷卻墊板。焊接采用對(duì)接方式對(duì)鎂板實(shí)現(xiàn)TIG焊接，初選工藝參數(shù)見(jiàn)表2-23。

焊接實(shí)踐證明，當(dāng)焊接電流過(guò)小時(shí)，由于能量不集中，電弧發(fā)散，致使試件焊不透。電流小，液態(tài)熔池流動(dòng)緩慢，焊縫成型性較差；同時(shí)，電流過(guò)小，熱量小，如抬高焊炬得不到有效的焊接熔池；如降低焊炬，就勢(shì)必會(huì)造成填絲困難；而且，焊炬與工件間的距離過(guò)小，焊接過(guò)程中還容易產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象。隨著電流逐漸增大，焊縫成型性變好，能量集中，試件熔化加快。由于鎂合金焊接過(guò)程中看不到熔池的顏色變化，電流過(guò)大，焊接過(guò)程不好控制，容易燒穿，且熱影響區(qū)寬度增加，易產(chǎn)生熱裂紋等缺陷。圖2-57、圖2-58是研究者選擇的焊接速度為6mm/s、氬氣流量為7L/min條件下焊接電流對(duì)AM50與AZ31鎂合金熔深、熔寬的影響。通過(guò)相同條件下AM50與AZ31鎂合金熔深、熔寬的對(duì)比可以看出，隨著焊接電流的增加，兩種材料焊縫的熔寬、熔深均增大，而且AM50鎂合金的熔寬、熔深增加的速度更快一些，這說(shuō)明AM50鎂合金對(duì)電流增減的敏感性更強(qiáng)一些，因此AM50鎂合金焊接過(guò)程中更容易產(chǎn)生熱裂紋。

研究還表明，當(dāng)焊接速度較小時(shí)，隨著焊接電流的逐漸增大，由于沒(méi)有顯著的顏色變化，熔池在液態(tài)停留時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致焊接接頭軟化而產(chǎn)生下塌現(xiàn)象，所以應(yīng)適當(dāng)減小電流；當(dāng)焊接速度很大時(shí)，焊接熱源在試件同一位置停留時(shí)間變短，此時(shí)如果焊接電流不夠大，試件無(wú)法充分吸收熱量，熔池還沒(méi)完全形成，熱源已經(jīng)被移走，試件出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。因此焊接速度與所選擇的焊接電流有交互作用，考慮到鎂合金散熱快的特點(diǎn)，必然有一部分能量要發(fā)生損耗，所以在焊接時(shí)要采用較大的焊接電流，并有較大的焊接速度與之相匹配。

圖2-59和圖2-60是研究者在采用焊接電流為90A、氬氣流量為6L/min條件下提供的焊接速度對(duì)AM50與AZ31鎂合金熔寬及熔深的影響分析。

由圖2-59和圖2-60可以看出，隨著焊接速度的增大，焊縫的熔寬和熔深均有明顯降低。這個(gè)結(jié)果與普通電弧焊接相類似，主要是因?yàn)樵谕缓附与娏飨码S著速度的增加，焊接熱源在試件同一位置停留時(shí)間變短，試件無(wú)法充分吸收熱量所致。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接速度大于8mm/s時(shí)，兩種合金的成型性與焊接速度的變化趨勢(shì)基本處于重合；而焊接速度小于8mm/s時(shí)，AM50焊縫的熔寬和熔深變化的趨勢(shì)要更大一些，這也說(shuō)明AM50的成型性易受到焊接速度的影響，對(duì)熱源敏感性大。

下面考察氬氣流量對(duì)焊接質(zhì)量的影響。當(dāng)氬氣流量很小時(shí)，對(duì)熔池的保護(hù)作用很小，不能有效的保護(hù)熔池，在焊接高溫下易形成氧化鎂和氧化氮等高熔點(diǎn)雜質(zhì)，使接頭性能變壞；當(dāng)氬氣流量很大時(shí)，焊接過(guò)程中易產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，使部分空氣被卷入氬氣中，降低氬氣的純度，致使焊接的保護(hù)效果減弱，焊縫表面被氧化。因此，焊接時(shí)應(yīng)選擇適中的氬氣流量。

焊接接頭抗拉強(qiáng)度與焊接電流的關(guān)系如圖2-61所示。從圖2-61可以看出，在焊接速度為6mm/s、氣流量為7L/min條件下，AM50鎂合金隨著焊接電流的增大，試件的抗拉強(qiáng)度明顯增加，但是當(dāng)電流達(dá)到一定值后，抗拉強(qiáng)度開(kāi)始減小。這是因?yàn)樵龃箅娏骺梢蕴岣呷鄢氐睦鋮s速度，增加過(guò)冷度，使接頭組織得到細(xì)化，晶界增多，有效地抑制了位錯(cuò)，所以抗拉強(qiáng)度提高。但根據(jù)研究者試驗(yàn)，當(dāng)電流超過(guò)100A時(shí)，由于焊接接頭產(chǎn)生過(guò)熱，焊縫組織晶粒變得粗大，同時(shí)焊接熔池中的鎂元素嚴(yán)重?zé)龘p，抗拉性能開(kāi)始下降。

抗拉強(qiáng)度與焊接速度的關(guān)系如圖2-62所示。從圖中可以看出，在焊接電流為90A、氬氣流量為6L/min條件下，當(dāng)焊接速度小于7mm/s時(shí)，AM50鎂合金的抗拉強(qiáng)度隨著焊接速度的增加而逐漸增加，但是焊接速度超過(guò)7mm/s后，其焊接接頭的抗拉強(qiáng)度明顯下降。當(dāng)焊接速度超過(guò)8mm/s時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度急劇下降。所以，焊接時(shí)選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣葘?duì)焊縫組織的細(xì)化可以起到促進(jìn)作用。但是當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，可使焊接接頭處產(chǎn)生熔合不良，造成焊接接頭力學(xué)性能?chē)?yán)重下降。在研究者給出的試驗(yàn)條件下，AM50鎂合金母材的抗拉強(qiáng)度為236MPa，而焊接接頭的抗拉強(qiáng)度稍低于母材，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的72.1％。

研究斷裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣斷裂多發(fā)生在熱影響區(qū)附近，分析認(rèn)為這與熱影響區(qū)的晶粒粗大和接頭的應(yīng)力集中等因素有關(guān)。影響焊接接頭力學(xué)性能的主要原因有以下兩個(gè)方面：

（1）焊接熱輸入。焊接熱輸入的變化必然影響到焊接接頭組織的晶粒度和熱影響區(qū)的寬度。當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)，熔池中液態(tài)金屬高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，接頭晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，不利于焊縫力學(xué)性能的提高。另外，由于焊接熱輸入增大可能造成鎂合金強(qiáng)化相脫溶析出，使之失去共格聯(lián)系從而失去了強(qiáng)化作用。焊接熱輸入過(guò)小時(shí)，熔池中液態(tài)金屬停留時(shí)間過(guò)短，易造成未焊透、咬邊等焊接缺陷，也降低了接頭的機(jī)械力學(xué)性能。

（2）鎂合金的物理性質(zhì)。由于鎂的沸點(diǎn)較低（1100℃），隨著熱輸入增加，液態(tài)金屬在電弧高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，鎂元素的氧化、蒸發(fā)問(wèn)題嚴(yán)重，因此影響焊接接頭性能的提高。

因此，在焊接鎂合金時(shí)，應(yīng)注意選擇合適的焊接規(guī)范，即保證在焊透的前提下，盡可能選擇小的焊接熱輸入，提高焊接速度，改善焊接接頭質(zhì)量。

從研究者對(duì)焊接接頭硬度的分析看（見(jiàn)表2-24），AM50鎂合金焊接接頭的最大硬度出現(xiàn)在母材上，焊縫和熱影響區(qū)的硬度略低于母材。這種焊接接頭的“不等強(qiáng)性”，說(shuō)明焊接接頭發(fā)生了某種程度的軟化。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱輸入減小時(shí)，接頭處各部位硬度均有所增加。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)鎂合金焊接接頭硬度與平均晶粒直徑的關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)接頭硬度與其平均晶粒直徑的平方根成反比。因此，隨著熱輸入的降低，接頭各部位的晶粒變細(xì)，硬度增加。

綜合焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成型性和力學(xué)性能兩方面的因素，研究者確定的最佳焊接規(guī)范見(jiàn)表2-25。其中噴嘴直徑、鎢極直徑由母材厚度決定。為了充分發(fā)揮交流TIG焊的陰極霧化作用，電弧長(zhǎng)度應(yīng)控制在3mm以下。