基于活性剂MATD-I的焊接接头组织性能研究

杜贤昌，郭淑兰

(长春工程学院，长春 130012)

0 引言

镁合金以其高比强度、高比刚度等诸多优点被誉为21世纪的“绿色工程材料”。镁合金焊接已引起国内外专家、学者的广泛关注[1-2]。目前，已有十几家单位对镁合金A-TIG(Activating-Flux TIG)焊接进行了相关研究[3-6]，但都是针对变形镁合金的研究。压铸镁合金A-TIG焊接在汽车制造中用量最大，约占镁合金应用总量的70%，其与变形镁合金比较，制造工艺完全不同，焊接性差，严重制约了压铸镁合金在汽车制造中的应用。

本文的试验母材采用压铸镁合金AZ91D，活性剂设计主要从焊缝成形良好、最大熔深获取、合金元素对焊缝作用等多角度考虑，确定SrCl2和TiO2作为活性剂组元，形成活性剂MATD-I(magnesium alloy AZ91D A-TIG-I)配方，实施A-TIG焊。主要研究活性剂对接头金相组织、焊缝的相组成物、焊缝抗腐蚀性以及接头力学性能等方面的影响[1-2]。

1 AZ91D镁合金A-TIG焊

将SrCl2和TiO2按1∶1比例混和均匀，并用丙酮将其制成膏状，按照表1试验方案，将其均匀地铺设在试件尺寸为200 mm×50 mm×6.5 mm的AZ91D试件表面。对于A-TIG的焊前准备(试件表面处理、活性剂铺设位置、A-TIG焊接工艺参数、焊前设备调试)、焊接过程电弧图像采集、焊后试样处理(宏观试样制备、宏观信息采集、微观试样制备和微观信息采集)等内容详见文献[7-8]，不再累述。

表1 活性剂铺设量方案

2 焊接接头金相组织分析

通过上述试验方案，对压铸镁合金AZ91D进行A-TIG研究，在活性剂铺设量为16 mg/cm2时的焊缝熔深达到4.78 mm，虽然焊缝熔深并非最深(最大熔深5.28 mm)，但从电弧形态、焊缝成形和焊缝熔深等多方面分析可知，其综合性能最优，故研究铺设量16 mg/cm2时的焊接接头金相组织(图1)更具价值。

从图1(a)可见，母材晶粒大小在5～60 μm时，晶粒大小相对均匀，组织为不规则的粒状组织和粗大枝晶的混合组织。图1(b)热影响区的晶粒大小发生变化，不规则的粒状组织向球状组织转变，粗大枝晶减少。图1(c)熔合区存在少量细小枝晶，晶粒大小总体变均匀，颗粒状生成物主要分布于基体的左下区域，并逐渐变密。图1(d)焊缝区为大小均匀的球状晶粒，小于熔合区晶粒，大量的颗粒状生成物均布于基体之上。

(a)母材

在焊接过程中，焊缝区、熔合区和热影响区获得的焊接能量由大到小依次减小。焊接接头的各区晶粒形状发生变化，颗粒状物生成且分布不均，除与各区焊接能量多少密切相关外，还受活性剂增强电弧密度并使熔池流态发生逆转影响，导致焊接接头各区的能量差进一步加大。

在热影响区，不规则的粒状组织和粗大枝晶转变为能量低且稳定的球状晶粒，伴随有大量能量被释放，然后晶粒以缓慢的速度长大；粒状晶粒可以在获得能量后直接用于晶粒生长，晶粒迅速长大；整个区域晶粒形状变化呈现出均匀化发展趋势。另外，在焊缝凝固过程中，颗粒状生成物析出于镁合金基体。

熔合区位于热影响区和焊缝区之间。在熔合区的焊缝侧，由于液态金属经历结晶、形核和长大过程，需要消耗能量，导致该区域的晶粒小于热影响区的，生成的晶粒大小均匀。该区焊接能量高于热影响区的，颗粒状生成物在焊缝凝固时易于析出，因此图1(c)从右上部(来自热影响区)到左下角(来自焊缝)，颗粒状生成物分布呈现出逐渐变密的特点。在熔合区的热影响区侧，固态金属仍可见少量的枝晶。

在焊缝区，液态金属经历结晶、形核和长大过程，晶粒形状大小均匀，并有大量的颗粒状生成物。

3 焊接接头的XRD分析

通过对比图2(a)和图2(b)发现：焊缝区Mg相减少，Mg17Al12增加，Al2O3相产生，Mg2Zn11相消失。

这说明活性剂可将母材中的Mg2Zn11相分解转化为Mg相，与母材中的部分Mg相和Al形成Mg17Al12相，使Mg相减少，Mg17Al12增加。虽然Mg17Al12增多，但是脆性共晶组织Mg2Zn11相消失，Al2O3相产生。由于固溶于母材的Al和活性剂组元Sr可以使晶格畸变程度增加，导致合金基体增强；另外，Sr起到细化枝晶作用，打断了网状晶间共晶体，其体积分数减少，生成均匀弥散分布的β相，脆性共晶组织对基体的束缚作用减弱，基体的塑性得到进一步发挥，合金强度增加。

(a)焊缝

4 焊接接头腐蚀性能分析

镁合金的抗腐蚀性能差是影响其广泛应用的重要原因。为研究镁合金活性剂对焊接接头腐蚀性能的影响，本文采用盐水试验法。

4.1 试样制备及腐蚀试验

为了使母材和焊缝二者获得最佳的抗腐蚀对比效果，腐蚀试样应含有焊缝区和母材区。在宏观试样制备时，首先沿着焊缝中线截取8 mm长，然后在垂直于焊缝中线方向截取6 mm宽，试样厚度为6 mm，最终获得尺寸为8 mm×6 mm×6 mm的腐蚀试样。

对宏观试样打磨，初步制备，然后用600#、1200#和2000#砂纸逐级打磨，抛光机抛光，编号以备用。

根据GB 10124—1988《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》要求，腐蚀试验采用全浸实验方法。试验盐水为由二次去离子水和分析纯氯化钠配制而成的3.5%NaCl溶液。

(a)腐蚀前试样

在室温条件下，将试样放入pH为7.2的3.5%NaCl溶液中浸泡。在浸泡时注意试样抛光面朝上，保持试样不与容器壁接触，各试样间不接触。当测得溶液pH>8时，更换新配浸泡溶液，腐蚀30 min后取出，用蒸馏水、乙醇清洗后干燥备用。腐蚀前、后试样如图3所示。

4.2 试验结果及分析

对腐蚀试样的母材、焊缝区进行电镜扫描，其结果如图4所示。图4(b)(c)(d)中焊缝分别与表1中试样2、4、6的焊缝对应。

(a)母材

通过对母材区、焊缝1、2、3的腐蚀形貌观察对比分析，结果表明：随着活性剂由无到有，涂敷量逐渐增大，腐蚀区厚度逐渐变薄，表面腐蚀面积逐渐减少，焊缝耐蚀性增强。

5 焊接接头力学性能分析

衡量焊接接头质量的一个重要力学性能指标是拉伸性能。因此，本文研究了镁合金A-TIG焊接接头力学性能。

5.1 试样设计

拉伸试样按国标设计如图5所示，加工后的拉伸试件如图6所示。AZ91D板材厚度6 mm，试样全长200 mm、标距78.8 mm、标距处宽度30 mm、夹持端部宽度48 mm、夹持端部与标距之间过渡部位R=30 mm。

图5 设计的拉伸试样

图6 加工后的拉伸试件

5.2 试验结果及分析

拉伸试验数据已列入表2(注：试验编号1～8与表1中的相对应)。表2中，编号为6的试件如图7所示。由表2试验数据分析可知，随着活性剂涂敷量从试件1至试件7逐渐增多，焊缝拉伸强度依次增大，达到最大σb=183.051 MPa(最大熔深时拉伸强度178.160 MPa)，然后拉伸强度开始减小，直至达到最小σb=164.120 MPa，占母材强度85.78%。当涂敷少量活性剂时，焊缝熔深最浅，焊缝拉伸强度主要取决于无活性剂焊缝强度(173.179 MPa)，试件1的σb=175.340 MPa最低；随着活性剂涂敷量增加，焊缝熔深增加，测得的抗拉强度主要由活性剂焊缝金属决定，活性剂对焊缝金属具有细晶强化作用，故焊缝强度提高，在涂敷量为16 mg/cm2时达到最佳效果。

6 结语

1)在活性剂MATD-I的焊接接头中，从母材到焊缝区，各区晶粒的形状发生变化，由不规则的粒状组织和粗大枝晶向能量最低的稳定的球状晶粒转变。不规则晶粒储能、晶粒变为球状时释放能量、液态金属结晶形核和晶粒长大速度等是内部因素，母材供货状态、焊接输入热量和冷却速度是外部因素，二者决定了焊接接头晶粒变化及形成过程。

表2 试验拉伸数据

(a)A-TIG焊接AZ91D拉伸前试件

2)活性剂可使脆性共晶组织Mg2Zn11相分解消失，Al2O3相产生。固溶于母材的Al和活性剂组元Sr可以使晶格畸变程度增加，导致合金基体增强；另外，Sr起到细化枝晶作用，使网状脆性晶体被打断并弥散分布于基体中，提高了镁合金的强度。

3)与TIG焊缝相比，添加活性剂的焊缝耐蚀性得到提高。随着活性剂涂敷量从无到有并逐渐增大，焊缝耐腐蚀性增强。

4)随着活性剂涂敷量增加，焊接接头的抗拉强度逐渐增大，在涂敷量为16 mg/cm2时达到最大后减小，但接头抗拉强度变化不大，抗拉强度最小值为164.12 MPa，是母材强度的85.78%，可以满足力学性能要求。