热压形变参数对AZ31镁合金接头微观组织和力学性能的影响

初雅杰 ，李晓泉 ，吴申庆 ，徐振钦 ，杜舜尧

（1南京工程学院 材料工程学院，南京211167；2东南大学 材料科学与工程学院，南京211189）

镁合金作为最轻质的金属结构材料具有低密度、高比强度、高比刚度以及优良的阻尼性能和电磁屏蔽性能，在电子领域、航空工业、汽车及轨道交通制造中具有广阔的应用前景，但镁合金的可靠焊接是目前制约其应用于重要金属结构的关键问题之一［1－3］。当前人们正在致力于用电子束焊、搅拌摩擦焊、激光焊等多种先进焊接方法实现镁合金的可靠焊接［4－8］。钨极氩弧焊在镁合金结构制造中将成为一种方便、实用、简单的熔焊方法，但镁合金钨极氩弧焊焊接接头的强度和塑性目前尚难以和母材相匹配［9，10］。

现有研究表明［11－13］，使金属镁及其合金在高温条件下发生动态回复与再结晶，可细化组织晶粒，提高金属韧性。本研究对AZ31镁合金钨极氩弧焊焊接接头在一定温度下使其发生一定的热压塑性变形，通过细化晶粒、开通新滑移系将有助于提高焊接接头强度和塑性。据此提出利用镁合金熔焊焊接接头余高进行热压形变，使其发生塑性变形进而韧化焊接接头的构想。

本工作对Mg－Al－Zn系AZ31镁合金钨极氩弧焊（TIG焊）焊接接头的微观组织和力学性能开展了细致的研究，控制形变速率和温度，研究不同变形条件对AZ31镁合金熔焊接头热压变形过程中显微组织变化的影响规律，并探讨该合金接头组织动态再结晶的形核机制。

1 实验方法

本实验所用镁合金AZ31材料的化学成分（质量分数／%）为：Al 3.5，Zn 1.5，Mn 0.5，Ca 0.04，Si 0.1，Mg余量；采用化学成分完全相同的AZ31镁合金经轧制、拉拔成φ3mm丝材作为焊接时的填充材料。用尺寸为200mm×60mm×4.6mm的2块板材组成1副对接焊试板。焊接试板开60°的V型坡口，根部间隙控制在2～3mm。将焊接区域用砂纸打磨，坡口面经刮削清除氧化膜，用交流钨极氩弧焊进行填丝焊接。焊接电流I＝110～120A，焊接电压U＝21～23V，焊接速率v＝8～11mm／s。将焊接无缺陷的对接试板用线切割方法以焊缝为中心沿垂直焊缝横向截取120mm×24mm尺寸的试验用长条试样。截取出的试样一部分用作热压形变试验。采用专门制作的陶瓷电加热装置，将试样两端插入加热箱中，中间露出焊缝区域待热挤压变形，加热箱用石棉保温以保持温度恒定。形变温度为250～400℃，应变速率为0.001s－1，最大变形程度为60%，试验时通电加热至热电偶测得的焊接接头温度达设定温度时保温30min；之后对焊接接头余高处进行垂直热压，压力为100MPa，热压至与母材平整，并经20min保压以继续发生蠕变变形。

按照GB2649—89《焊接接头机械性能试验取样方法》的国家标准［14］，进行拉伸试样取样，采用CMT－5105型微机控制电子万能试验机上进行焊接接头拉伸力学性能常温性能测试。采用光学电子显微镜（OM）进行焊接接头金相试样观察，试样用硝酸、酒精按1∶1比例配制成腐蚀液进行浸蚀。采用JSM－6360LV扫描电子显微镜（SEM）进行镁合金焊接接头拉伸试样断口形貌观察，配合附带能谱仪进行微区成分分析。

2 实验结果

2.1 焊接接头力学性能

对在不同温度下进行热压形变的焊接接头进行力学性能测试，结果如表1所示。由表1可以看出：随着热压温度的升高，抗拉强度先升高后降低。热压温度为250℃时，由于焊接接头组织与焊态接头组织大体相同，未出现再结晶组织，导致接头抗拉强度较低，仅为母材的60%，伸长率低至6%，断裂位置在热影响区；热压温度为350℃时，接头抗拉强度达到了228MPa，几乎与母材抗拉强度一致，伸长率为10.2%，断裂同样发生在热影响区；热压温度为400℃时，抗拉强度有所降低，为母材抗拉强度的70%，伸长率为7%，断裂也发生在热影响区，这表明热影响区是焊接接头的薄弱环节，随着热压温度的增加，热影响区晶粒长大、粗化，导致力学性能降低。可见热压温度对焊接接头的力学性能影响较大，热压温度为350℃时，焊接接头的力学性能最好，抗拉强度和伸长率都达到了最高。

表1 不同温度下热压形变的焊接接头力学性能Table 1 Mechanical property of welded joints with thermal compression at different temperatures

2.2 焊接接头显微组织

图1是AZ31镁合金焊接接头在不同温度下相同应变速率（250～400℃，0.001s－1）发生变形后的金相组织形貌。从图1（a），（b）中可以看出：随着热压温度的升高，接头焊缝区再结晶现象越来越明显，组织发生了细化。在较低温度250℃变形时，其组织和母材相差不大，主要是由α－Mg基体和网状分布的β－Mg17Al12相组成。由于此时变形机制主要以滑移为主，出现了少量的变形孪晶；在300℃变形时，开始出现明显的孪晶现象，如图1（b）中A处所示，在某些原始晶粒的晶界上出现了非常细小的动态再结晶晶粒，如图1（b）中B处所示。此时可以看到这些晶粒被明显拉长，表明动态再结晶已开始发生。在350℃时，动态再结晶已很明显，原始基础晶粒被大量的新生成再结晶晶粒包围，晶粒比较细小，大小也比较均匀，≤18μm，此时孪晶几乎观察不到。随着变形温度的不断升高，生成的动态再结晶晶粒的平均尺寸也不断增大，在400℃时，动态再结晶晶粒由大小不一的混合尺寸的晶粒组成，基本在20μm以上，最大的尺寸达到了46μm，并且可以很清楚地分辨出新晶粒的晶界；同时在新生成的晶粒中观察到β相，如图1（d）中箭头所示，表明原先主要在晶界析出的β相在热挤压变形过程中又经固溶，随后在晶内又重新析出。这对熔焊接头的强度提高无疑有着重要作用。由此可见，热压形变温度对AZ31镁合金焊接接头的动态再结晶有较大影响。

图1 不同热压温度下焊接接头显微组织 （a）250℃；（b）300℃；（c）350℃；（d）400℃Fig.1 Microstructure of the welding joint at different temperatures （a）250℃；（b）300℃；（c）350℃；（d）400℃

2.3 焊接接头断口形貌

将AZ31镁合金焊接接头在不同温度下变形后的试样做拉伸试验，其断口在扫描电镜下作断口形貌观察。图2示出了热压的断口SEM照片。通过断口分析发现，在250℃热压形变下的试样断口由较多解理小平台组成，且平台内分布大致平行的断裂裂纹走向沟槽，沟槽内壁为光表面，表明裂纹扩展较为通畅，为典型的脆性断裂，与母材断裂机制一样，表明此时未发生动态再结晶；300℃时的断口，出现少量的韧窝，韧窝浅而小，无规则地分布在小平台以外的其余部位，断口内分布有较多形如脚印状的小平台，断口中也局部分布有一些具有韧型断裂特征的韧窝，韧窝数量总体较少且尺寸小而浅；呈现脆性和韧性混合断裂特征。350℃时的断口，韧窝所占的比例明显增大，且韧窝大小趋于均匀、密集。而小平台形貌所占的比例大为减小，有相当部分已被韧窝取代。400℃时的断口，也呈现出混合断裂特性。

金属Mg常温下滑移系较少，位错层错能低，扩展位错宽度大，难以发生滑移，发生塑性变形时多是在孪晶变形协调下进行单滑移。这就使得常温断口在某些小平面内形成一组平行线，此即250℃时断口形貌观察到的脚印状小平台形成原因，也是造成断裂强度及塑性低的重要原因。但焊后经历热碾压使其发生热塑性变形，利用镁合金低层错能及位错宽度大特性，可诱发其发生动态再结晶。特别是350℃时，在热－力机械作用下，塑性变形使基体组织晶粒发生重结晶重组，原先分布在原始晶粒晶界处的β相在随后的近平衡冷却条件下将主要在晶内重新析出。由此通过细化晶粒，起到弥散强化效应，使AZ31镁合金TIG焊接接头强度显著提高，塑性也在一定程度上得到改善。

3 分析与讨论

AZ31镁合金经热压后的力学性能表明，350℃时对接头的抗拉强度和塑性有明显改善作用。热压后由于动态再结晶作用，晶粒组织细小，同时，热压处理也消除了焊接接头中残留的焊接热应力，降低了焊缝区位错密度，提高了接头的塑性和强度。

再结晶是伴随着热的一个新晶粒形成与核心长大的过程。再结晶的驱动力是变形金属中晶粒间的畸变能差，此畸变能差是由位错密度及其分布状况决定的，而再结晶往往在位错数量多且分布密集的区域形核。由于动态再结晶是通过形核和晶核长大两个步骤完成的，不管镁合金再结晶采用何种形核机制，形核的多少与核心长大的速率，均受位错运动能力的控制［15，16］。当热压形变温度较低时（250℃），位错难以通过运动而实现重组，因而再结晶不易发生。当温度升高到350℃，合金中原子热振动及扩散速率增加，位错的滑移、攀移、交滑移比温度低时更容易，形核率增加，同时晶界迁移能力增加，促使镁合金再结晶的发生。在本实验条件下，AZ31镁合金焊接接头在低于300℃时，形核成为动态再结晶过程主要影响因素；新晶粒主要通过原始晶界的局部迁移形核，更多的有利于形核的位置得到保留，形核在动态再结晶过程成为控制因素，这在宏观组织上表现为在晶界处形成大量细小均匀的再结晶晶粒（见图1（b））。而高于400℃变形时，晶核长大则成为动态再结晶的主要影响因素，晶核快速长大在动态再结晶过程占有优势，导致宏观组织上出现尺寸较大的新晶粒，晶粒大小不一（见图1（d））。

金属镁低温下仅有｛0001｝基面上沿〈1120〉方向一个滑移系，晶内变形多是在孪晶变形协调下的单系滑移，这样滑移线容易在基面形成一组平行线，这是镁合金断口呈现脚印状小平台形貌的原因（见图2（a））。当在355℃以上进行热压变形时，镁在｛1010｝〈1120〉棱柱面上的滑移系将被开通，此时将发生多滑移，动态再结晶组织完全取代枝晶组织，产生弥散强化效应。

4 结论

（1）AZ31镁合金焊接接头在不同温度下经热压变形后，接头晶粒组织呈现先细化后增大的趋势；抗拉强度和伸长率也是先升高后降低。

（2）热压温度为350℃时，接头的抗拉强度和伸长率均达最高值，分别为228MPa和10.2%。

（3）低温变形时，断口呈现典型的脆性断裂，在300℃以上呈现出混合断裂特征；350℃断裂时，断裂前晶界发生一定的滑动协调变形量，有较明显的剪切唇。

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