本站小編為你精心準備了焊接工藝與組織性能研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《特種鑄造及有色合金雜志》2016年第三期

摘要

研究了焊接電流、焊接速度和氬氣流量對AZ31合金TIG焊接接頭力學性能與顯微組織的影響。結果表明，當焊接電流為160A，焊接速度為4mm／s，氬氣流量為10L／min時，焊接接頭具有最佳的強度與塑性，焊接接頭的抗拉強度達到母材的97％，屈服強度達到母材的98％。隨著焊接熱輸入的增加，熱影響區的平均晶粒尺寸增大，但是熱影響區的寬度都比較窄，這可能與母材中彌散分布的第二相粒子有關。

關鍵詞

AZ31合金；焊接工藝；力學性能；組織

AZ31鎂合金由于具有比強度、比剛度高，良好的阻尼減振性和容易切削加工等特點而被廣泛應用于汽車、飛機、船舶等領域。然而由于工業化生產中鎂合金結構件之間的焊接處理容易產生熱裂紋、氣孔、焊縫區軟化等問題，極大地限制了鎂合金的應用［1］。隨著PLC控制在冶金、建筑等行業的成功應用，對于某些具有精度要求高、工作量大的焊接結構件的連接，采用PLC控制系統對焊接工藝參數進行在線控制，可以極大提高焊接件的焊接質量和焊接效率［2，3］。本課題采用PLC控制TIG（惰性氣體鎢極保護焊）焊接工藝參數，研究了焊接工藝參數對焊接接頭組織與力學性能的影響，以期為AZ31合金的焊接工業化應用提供參考。

1試驗材料與方法

選用AZ31熱擠壓鎂合金板材為研究對象，焊絲材質為AZ31鎂合金，直徑為2mm。試驗合金的主要成分（質量分數，下同）為：3．4％的Al、0．60％的Zn、0．18％的Mn、0．001％的Cu、0．002％的Fe、0．003％的Si，余量為Mg。采用WP－400型交流／直流TIG焊機對試驗合金進行焊接。PLC控制系統具有操作方便、位置控制精度高等優點。焊接過程的在線PLC控制按照TIG焊接規范執行［4］，焊接電流分別為100、140、160、180、200A；PLC控制的焊接速度分別為2、4、6、8mm／s，氬氣流量分別為6、8、10、12和14L／min，控制電弧長度在2mm左右，鎢極直徑為2．5mm，噴嘴直徑為8mm。按照國標GB2649的標準對不同焊接試樣進行拉伸試驗［5］，在MTS－810型電子萬能拉伸機上進行，速率為2mm／min，測得試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率；焊接試樣經過砂紙打磨、機械拋光后采用5％的草酸溶液進行腐蝕處理，在ZEISS－3型金相顯微鏡下觀察焊接接頭不同區域的微觀組織，并用自帶的分析軟件對不同區域的晶粒尺寸分布進行統計分析。

2結果與分析

2．1焊接電流對焊接接頭力學性能旳影響表1為焊接電流對焊接接頭力學性能的影響，其中，焊接速度為4mm／s，氬氣流量為10L／min。從表1可以看出，隨著焊接電流的增加，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度都表現為先增加而后降低，且斷后伸長率也表現為先增加而后降低。當焊接電流為160A時，屈服強度、抗拉強度和伸長率都取得最大值。焊接接頭的斷裂位置都處于靠近熱影響區的部分，且焊接接頭的伸長率較母材更低。造成這種現象的原因在于焊接熱循環過程中焊縫區和熱影響區的晶粒尺寸分布不均勻，而熱影響區的晶粒相對粗大［6］，因此焊接接頭的強度和塑性略低于母材。對不同焊接電流下的焊接接頭的焊縫區和熱影響區的晶粒尺寸進行了統計分析，結果見表2。可以看出，隨著焊接電流的增加，焊縫區和熱影響區的平均晶粒尺寸逐漸增大；焊縫區與熱影響區的晶粒尺寸差別較大。隨著焊接電流的增加，焊縫區的晶粒尺寸增長幅度較小，而熱影響區的晶粒尺寸增幅較大。這是由于焊縫區的冷卻速度較快，形成了細小等軸晶，而熱影響區的冷卻速度相對較慢，導致晶粒尺寸更為粗大。

2．2焊接速度對接頭組織和力學性能旳影響表3為焊接速度對焊接接頭力學性能的影響，其中，焊接電流為160A，氬氣流量為10L／min。從表3可以看出，隨著焊接速度增加，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度總體變化幅度不大，而斷后伸長率表現為先增加而后降低，當焊接速度為4mm／s時，焊接接頭可以取得最佳的綜合力學性能。與焊接電流對焊接接頭伸長率和斷裂位置的影響類似，在不同的焊接速度下，焊接接頭的伸長率都低于母材，且都在焊縫接近熱影響區的位置斷裂。這是由于母材是經過擠壓＋熱軋變形后得到的，具有較高的強度和塑性，而在焊接熱循環的作用下，焊接接頭的強度和塑性略有降低，此外，焊接電流對強度與塑性的影響相對于焊接速度更為敏感。不同焊接速度下的焊接接頭的平均晶粒尺寸見表4。可以看出，隨著焊接速度的增加，焊縫區和熱影響區的平均晶粒尺寸都逐漸減小，且熱影響區的降低幅度要高于焊縫區。由此可見，在同樣的焊接電流和氬氣流量下，較快的焊接速度有助于減小熱影響區晶粒尺寸的粗化。但是如果焊接速度過快，也可能導致由于焊接熱輸入較低而產生未焊透的現象。綜合而言，當焊接電流為160A，氬氣流量為10L／min時，適宜的焊接速度為4mm／min，此時焊接接頭可以獲得較好的微觀組織。

2．3氬氣流量對接頭組織和力學性能旳影響表5為氬氣流量對焊接接頭力學性能的影響，其中，焊接電流為160A，焊接速度為4mm／s。從表5可以看出，氬氣流量的變化對屈服強度、抗拉強度和伸長率的影響較大。當氬氣流量為10L／min時，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度與母材相當。當氬氣流量較小時，由于焊接保護氣體的不足，可能使得熔池保護效果惡化，在焊接接頭中出現了一定數量的氣孔、夾雜等缺陷，見圖1a，圖1b；當氬氣流量過大時，過多的氬氣會使得熔池中的紊流區擴大，使得空氣卷入其中，從而造成氣孔等缺陷，見圖1c和圖1d。當氬氣流量在10L／min時，保護氣體流量適當，焊縫可獲得較好的成形質量，焊接接頭斷裂在焊縫靠近熱影響區處。表6為不同氬氣流量下焊接接頭的平均晶粒尺寸。可以看出，隨著氬氣流量的增加，焊接接頭焊縫區和熱影響區的晶粒尺寸變化不大，與焊接電流和焊接速度對焊接接頭晶粒尺寸的影響類似，焊縫區的晶粒尺寸要小于母材，而熱影響區的晶粒尺寸大于母材。由此可見，在焊接電流和焊接速度一定前提下，氬氣流量對焊縫區和熱影響區的晶粒尺寸的影響不大。綜合而言，當PLC控制焊接電流為160A，焊接速度為4mm／s，氬氣流量為10L／min時，焊接接頭可以得到最佳的強度與塑性。其中，焊接接頭的抗拉強度達到母材的97％，屈服強度達到母材的98％。圖2為最優焊接工藝下的焊接接頭的顯微組織。可以發現，焊縫區和熱影響區之間的界限較為清晰，其中，焊縫區組織為細小等軸晶組織，且存在相當數量的第二相粒子，而熱影響晶粒組織較為粗大。這種粗大的晶粒組織是由于熱量輸入致使靠近重熔的焊縫區的母材組織過熱造成的。圖3為不同焊接電流下的AZ31合金焊接接頭的拉伸斷口形貌。對于AZ31合金母材而言，拉伸斷口中的第二相尺寸較小，分布較為均勻，見圖3a；對于焊接電流為155A的焊接接頭拉伸斷口，斷口中存在著較多的夾雜等缺陷，第二相尺寸較為粗大，見圖3b；當焊接電流增加至175A時，斷口中未發現明顯夾雜等缺陷，粗大第二相數量較小，見圖3c；焊接電流繼續增加至195A，斷口中第二相的數量明顯增多，且尺寸分布不均勻，部分第二相尺寸達到25μm，見圖3d。對焊接電流為155A和195A時的焊接接頭斷口的縱剖面進行掃描電鏡觀察可見，組織中存在較多的夾雜物缺陷和粗大第二相，這些粗大第二相在拉伸過程中會產生局部應力集中而萌生裂紋與擴展，并使得焊接接頭的力學性能降低。

3結論

（1）隨著焊接電流的增加，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度都表現為先增加而后降低，且斷后伸長率也表現為先增加而后降低。當焊接電流為160A時，屈服強度、抗拉強度和伸長率都取得最大值。（2）隨著焊接速度的增加，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度總體變化幅度不大，而斷后伸長率表現為先增加而后降低，當焊接速度為4mm／s時，焊接接頭具有理想的綜合力學性能。（3）Ar氣流量的變化對屈服強度、抗拉強度和伸長率的影響較大。當Ar氣流量為10L／min時，焊接接頭的屈服強度和抗拉強度與母材相當。

作者：閻競實 徐志成 張瑩 單位：長春職業技術學院 浙江大學