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摘要：采用TIG焊以AZ31焊丝作为填充金属对镁和铝进行异种焊接。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）及显微硬度计等试验设备对焊接接头的力学性能进行观察和分析。结果表明，采用AZ31焊丝焊接时，过渡区形成Mg17Al12和Al3Mg2金属间脆性化合物，此金属间化合物的生成使焊接接头的界面容易发生断裂。
关键词：钨极氩弧焊；镁合金；铝合金；扩散
0 序言
在资源匮乏日益严重的今天，镁和铝作为地壳中分布较广的两种元素，以其优秀的金属性能，成为工程结构材料领域关注的焦点，特别是两种金属在焊接领域的研究[1]。与其他金属材料相比，镁和铝及其合金具有无可比拟的巨大优势，铝及其合金具有良好的导电性、耐蚀性、比强度高等优点，镁及镁合金比重轻，具有较高的比强度和比刚度等一系列的优点，被广泛应用到工业生产、国防、航天航空领域[3-4]。如果镁和铝焊接接头结合牢固，性能良好，就能充分发挥镁和铝各自的性能优势，铝合金和镁合金的连接问题将在很长一段时间内成为焊接领域的前沿课题。
本实验采用TIG焊以AZ31焊丝作为填充金属对镁板和铝板进行焊接。对焊接接头的微观组织，力学性能进行观察和分析。填充AZ31焊丝，以研究镁铝异种焊接接头的微观组织和产生缺陷的原因，为镁和铝异种焊接提供理论和实验基础。
1 实验内容
1.1实验材料
实验选用母材为AZ31B镁合金板和纯铝板，其尺寸均为90mm×40mm×5mm，AZ31焊丝的规格为Φ2.5mm。
表1 AZ31B镁合金的化学成份（wt.％）
1.2 试验方法
焊前需要对试样进行预处理，除去表面的氧化皮，本实验采用钨极氩弧焊对镁合金AZ31和纯铝进行添加AZ31焊丝焊接。焊机的型号为WSE-500，工作机理是在惰性气体的保护下，利用钨电极和工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。焊接之后，对焊接接头取样，先用砂纸打磨，然后抛光。通过扫描电子显微镜（SEM，FEI Quanta 600）对熔覆层和焊接接头的微观组织分别进行观察和分析，采用显微硬度计（LECO LM247AT）对焊接试样进行显微硬度测试，采用X射线衍射（XRD，XRD-7000）分析其中的相组成。
2 实验结果和分析
2.2 AZ31焊丝对接焊接
采用填加AZ31焊丝对接焊接的方法研究其界面行为，图1所示为靠近Al侧的显微组织形貌和EDS线扫描图，从图中可以看出，过渡区清晰可见，并包括两层，即图中的区域Ⅱ和区域Ⅲ。经过测量，Ⅱ区和Ⅲ区宽度分别约为40 μm和60 μm，过渡区的总宽度约为100 μm。从线扫描曲线可以看出，过渡区左侧的区域Ⅰ为Al基体侧，在基体与过渡区界面处，Al含量急剧下降，在区域Ⅱ中随离界面距离的增加，Al含量略微降低，相应的Mg含量呈现相反的趋势，在界面处急剧上升后略微增加。在随后的区域Ⅲ中，Al含量继续呈稳步下降趋势，而Mg含量相应地稳步上升，直到区域Ⅳ中Mg和Al元素含量达到相对稳定。另外，靠近Mg基体侧的界面结合良好，未见明显过渡。
（a）AZ31焊丝焊接试样示意图；（b）熔合区侧过渡区断口XRD分析；（c）Al侧过渡区断口XRD分析
根据Mg-Al合金二元相图可知，镁的原子分数在38%~60%之间会完全形成金属间化合物，而对过渡区的EDS分析结果表明，区域Ⅱ和区域Ⅲ中的Mg元素含量正在这个区域中，且Ⅱ区成分接近Al3Mg2，Ⅲ区成分接近Mg17Al12。由相图还可看出，Al3Mg2固溶度很小，而Mg17Al12具有较宽的固溶度范围，这与EDS线扫描的结果一致，即区域Ⅱ中成分含量变化较小，而区域Ⅲ中成分在一定范围内变化。由此基本可以推断，Ⅱ区和Ⅲ区分别可能为Al3Mg2和Mg17Al12金属间化合物。
为进一步确定过渡区组织，将试样沿过渡区破坏，图2（a）为试样示意图。对断面进行XRD分析，图2（b）为焊缝侧过渡区XRD结果，分析表明其主要成分为Mg17Al12。图2（c）为熔合区侧过渡区的XRD分析，除了Al基体的衍射峰外，还出现Al3Mg2的明显的衍射峰。通过分析并结合图1可知，图2（b）中的Mg17Al12金属间化合物对应于区域Ⅲ，图2（c）中的Al3Mg2对应于图1中的区域Ⅱ。这与之前的推断一致。
过渡区的这种金属间化合物组织对焊接接头性能极为不利，Mg17Al12和Al3Mg2均属于低熔点共晶物，在焊接过程中易产生结晶裂纹，很容易导致焊接接头发生开裂。利用显微硬度计对TIG焊接头的母材、过渡区及焊缝区进行显微硬度的测定，显微硬度值的分布如图3所示。对应于图1可知，Ⅰ区的显微硬度的平均值约为HV23，这与熔覆样品Al基体侧硬度一致，Ⅱ区的显微硬度的平均值约为HV211，这与熔覆样品的过渡区基体中硬度接近，Ⅲ区的显微硬度的平均值约为HV115，熔合区约为HV46。Ⅰ区和Ⅱ区由于高硬度的金属间化合物的生成，硬度明显升高，尤其是Ⅱ区，Al3Mg2的显微硬度明显高于Ⅲ区的中的Mg17Al12。对过渡区边界的压痕照片显示，过渡区的金属间化合物中确实更容易出现裂纹，如图中箭头所示。过渡区Ⅱ比Al基体中更早的出现裂纹，并且比过渡区Ⅲ中的裂纹更多更大，即Al3Mg2相比Mg17Al12相硬度更高也更脆，这对焊接接头性能极为不利。
3 结论
（1）采用TIG焊对镁和铝添加AZ31焊丝焊接时，过渡区分两层，总宽度约为100 μm，过渡区靠近熔合区侧形成Mg17Al12，靠近铝基体侧形成Al3Mg2金属间化合物，靠近Mg侧界面结合较好。
（2）焊缝及过渡区中金属间化合物的生成会导致连接变脆，影响焊接接头性能，尤其Al3Mg2高硬化合物，对焊接接头性能极为不利。
参考文献
[1]黄伯云．我国有色金属材料现状及发展［J］．中国有色金属学报，2004，14（1）：122－127．
[2]Cao X，A review of laser welding techniques for magnesium alloys［J］．Welding Research Abroad，2003，49（6）：29－45．
[3]吴安如，夏长清．镁合金焊接技术的研究现状及最新发展［J］．机械，2005，32（4）：1－3．
[4]丁文斌，蒋海燕等．镁合金焊接技术的研究进展［J］．轻合金加工技术，2005，33（8）：1－6．
论文作者:马超
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/22
标签：焊丝论文; 硬度论文; 基体论文; 化合物论文; 金属论文; 镁合金论文; 区域论文; 《基层建设》2018年第4期论文;