2 mm厚AZ31B镁合金TIG焊接工艺研究

任海军

摘 要：文章采用钨极氩弧焊（TIG）对接头焊接方式焊接厚度为2.0 mm的AZ31B镁合金，并对AZ31B镁合金相关焊接工艺进行研究，并就焊接成型和焊接接头力学性能所受到的焊接工艺参数，例如焊接电流和焊接速度等原因的影响规律进行了探讨，利用万能拉伸试验机对焊接接头的力学性能进行了分析。试验结果表明，在焊接AZ31B镁合金TIG时，焊缝表面形状与焊缝成形质量都受到焊接工艺参数的显著影响。焊接电流对AZ31B镁合金薄板力学性能影响很大，电流太大或太小，都会使接头力学性能下降。若设定焊接电流80 A，6 mm/s焊接速度，正面氩气流量设为12 L/min，背面氩气流量约为1.5 L/min时，焊接板厚为2.0 mm的AZ31B镁合金能获得焊缝成形良好、接头力学性能优良的焊接接头。在该工艺参数下，接头的抗拉强度、伸长率分别达到了母材的88.6%和75.3%。

关键词：薄板镁合金；TIG焊；焊接工艺

中图分类号：TG444.74 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）32-0004-02

密度小、比强度高、减震性好以及机械加工性能好等都是镁合金的优点，并且镁合金在诸如机械、化工、交通、航天航空、核工业、石油设备等领域应用广泛，是优良的环保、节能材料，符含当今时代的发展要求，备受人们的关注，所以其应用领域也越来越广。我国镁的产量和储藏量位列前茅，所以是理所当然的镁出口大国，全球有40%的原镁为我国产，且出口量达80%以上。但是，诸如生产规模小、技术含量低、质量不稳定等都是我国镁工业发展存在的问题，所以在迫切寻求如何将我国的资源优势转化为技术优势、产品优势，以此促进我国镁合金产业的发展。没有加工之前，再好的材料也没有用处，而加工过程中，焊接在结构件成型中所占比例重大。但是镁本身就有焊接性差的问题，此外人们对于镁合金认识太过肤浅，很少研究镁合金焊接性及焊接工艺。当前我国镁合金应用的瓶颈就是镁合金焊接问题，并且世界各国都在高度重视这一问题。

1 试验方法及设备

本文旨在对AZ3lB镁合金薄板钨极交流氩弧焊的焊接工艺进行研究，并且首先从从焊接电流、焊接速度参数等方面入手，深入对AZ31B镁合金薄板钨极交流氩弧焊以及焊缝成型特点和焊接质量的影响因素进行分析研究，从理论基础上对镁合金薄板钨极交流氩弧焊焊接工艺进行优化。

在本次试验中，采用交流钨极氩弧焊来进行AZ31B镁合金的焊接，使用的焊机为美国米勒Miller焊机Dynasty700钨极氩弧焊机，米勒焊机生产已有70多年的历史，技术成熟，焊机质量稳定，专业性强，在同类产品中处于领先地位。因为镁合金在焊接过程中很容易被周围空气中的氧气氧化，所以为了减少镁合金焊接时被氧化，保证焊接质量，焊接时应采用氩气双面保护工艺。另外，为了防止焊接变形，需要将焊件两端用夹具固定好，同时用铜为垫板。

以热挤压加工后的AZ31B镁合金板材作为试验的母材，试板尺寸为100 mm×50 mm×2 mm；添加的焊丝是与母材材质相同的Φ2.0 mm AZ31镁合金焊丝。

2 试验结果分析

焊缝的熔透状态是衡量多数焊接接头焊接成形质量最重要和最根本的指标，同时也使用适度的熔透对钨极交流氩弧焊焊接质量提供最基本的保证，但应避免未焊透和烧穿。本实验探讨AZ31B镁合金氩弧焊焊缝熔深、熔宽、深/宽比及力学性能与工艺参数间关系。

2.1 AZ31B镁合金焊缝成形的影响因素

焊缝熔深H，焊缝宽度B、余高a及深宽比H/B是进行衡量所使用的最常用的焊缝形状和尺寸。多种因素影响焊接形状尺寸（H、B、a）这3个参数，其中，焊接工艺规范参数对其影响最大，与之相关的有焊接电流、焊接速度。本实验使用的是手工填丝，当时，可以人为的针对焊接电流和焊接速度变化对焊缝余高进行控制，所以焊缝余高基本相同。采用单面焊可以在对AZ31B薄板进行钨极交流氩弧焊时获得双面成形良好的焊缝。

根据电弧的输入能量表达式：

E=UI/V （1）

可知，焊接电流I增加或焊接速度V减少，E值增大，熔深和熔宽均会增加。电弧除了热源之外，还可以对熔池施力。电弧焊接过程中电弧形态和电弧压力分布都会因为钨极端部形状在烧损变形而发生变化，进而对焊缝熔深、熔宽及深宽比产生影响。

日常生产中，焊缝的熔宽窄、熔深大和焊接高效率都是我们所期待的。焊缝的成形受到材料的性质、表面状态、焊接电流、焊接速度、保护气体流量、有无填充焊丝的影响。由于焊缝成型主要由焊接电流和焊接速度影响，由于时间和能力的关系，这里不便同时讨论，下面主要探讨焊缝成形受到焊接电流影响，从而获得2 mm厚的AZ31B镁合金薄板在其他焊接焊接参数一定的情况下的最佳焊接电流。

2.2 焊接电流对焊缝成形的影响

本实验是在焊接速度为6 mm/s，氩气流量为12 L/min的条件下，研究有填充焊丝时焊接电流（70～85 A）对焊缝成形的影响。采用无填充焊丝进行焊接时，随着焊接电流的增加，焊缝熔深和熔宽逐渐增加。当焊接电流为70 A时，焊缝熔深和熔宽最小，分别为1.5 mm和4.0 mm，焊缝未熔透；焊接电流增大到75 A时，熔深和熔宽都有所增加，分别为1.7 mm和5.0 mm，焊缝背面局部熔透；焊接电流为80 A时，焊缝熔深熔宽继续增加，分别为2.0 mm和6.5 mm，焊接过程中观察到焊接熔池运动稳定，焊丝流动性好，无飞溅现象，形成良好焊缝背面，表面上鱼鳞纹焊缝良好。当焊接电流达到85 A时，焊缝熔宽最大达到8.0 mm，焊缝熔透，所以熔深不变，为2.0 mm。所以，若使用有填充焊丝进行焊接，需保证焊接质量焊接电流≥70 A。

通过试验数据可以得出，焊接电流增大，其他条件不变，焊缝的熔深和熔宽先增加，当焊接电流达到80 A时，焊缝的熔深已达到最大，熔宽继续增大，而深/宽比减小，原因是焊接电流增大后，也增大了作用在工件上的电弧力以及电弧对工件的热输入，导致热源位置向下。对热量深度传导较为有利，熔深增大；此外，电流增大到80 A后，弧柱直径增大促进熔宽增加，熔深因为焊件已完全熔透而不再增加。深/宽比减小是因为，随着焊接电流的增大，熔深和熔宽都增大，但熔深增大的幅度小于熔宽增大的幅度，所以深/宽比减小。

借助TIG焊工艺试验对AZ31B镁合金薄板进行焊接，实现了表面波纹均匀、正面熔宽和背面熔透均匀一致的高质量焊缝。以下为通过试验研究得到的关于焊接电流对焊缝成型的影响的结论：

①在焊接速度为6 mm/s，氩气流量为12 L/min的条件下，焊接电流为80 A时，焊缝熔透，焊缝背面成形良好，焊缝表面鱼鳞纹较好。

②在焊接速度为6 mm/s，氩气流量为12 L/min的条件下，随着焊接电流的增加，熔深和熔宽都增加，但深/宽比减小。

2.3 焊接电流对焊接接头力学性能的影响

在TIG焊中，焊接电流是重要的工艺参数之一，对焊接接头力学性能具有明显的影响。本试验是在焊接速度为6 mm/s，氩气流量为12 L/min的条件下进行，对有填充焊丝时焊接电流（70～85 A）对焊接接头力学性能的影响规律进行研究。

在有填充焊丝条件下拉伸测试成形较好的TIG焊焊接接头，拉伸试验机的夹具夹住试样，记录试样断裂时候所需拉力，参照试件的截面积以及相关抗拉强度对断裂位置进行分析，进而对焊缝的性能进行分析，衡量母材与其间强度差距。拉伸试验前须用锉子、砂子将焊接接头的上下表面磨平，保证与母材部分平齐，避免因为接头应力集中造成错误的测试结果。选择同个焊接电流下的两个不同部位焊缝进行拉伸试样试验，以取其平均，选择的部分焊接接头作拉伸试样的拉伸。

从实验数据可以看出，焊接接头的抗拉强度与伸长率的变化随焊接电流的增加而趋势相似，都是先增后降。当焊接电流为80 A时，出现最大的抗拉强度和伸长率为224.69 MPa和8.7%，分别达到母材的88.6%和75.3%，焊接接头力学性能较好。但当焊接电流增大到85 A时，抗拉强度和伸长率均下降，分别为195.06 MPa和4.8%，由此可见，焊接电流为80 A时为最佳电流。

3 结 语

本论文通过对板厚2.0 mm的AZ31B镁合金钨极氩弧焊工艺的研究，分析了焊接因素（焊接电流、焊接速度等）对焊缝成型和焊接力学性能的影响规律。通过以上的研究，可以得出以下结论：

①当焊接电流约为80 A，焊接速度约为6 mm/s、正面氩气流量约为12 L/min、背面氩气流量约为1.5 L/min时，焊接板厚为2.0 mm的AZ31B镁合金能获得焊缝成形良好，接头力学性能优良的焊接接头。该工艺参数下接头的抗拉强度、伸长率分别达到母材的88.6%和75.3%左右，该工艺参数为最佳工艺参数。

②AZ31B镁合金钨极氩弧焊时的焊缝表面形状和焊缝质量收到焊接工艺参数的很大的影响。焊缝的熔宽和熔深随焊接电流的增大而增大；焊缝的熔宽和熔深随焊接速度的增大而减小。表面无咬边、弧坑、未焊透等焊缝形状缺陷、外观成形良好、内部无气孔无裂纹的焊接接头可以通过合适的焊接参数实现。

③在进行与母材同质的焊丝焊接时，焊接速度不变的基础上，焊接接头的抗拉强度和伸长率都随着焊接电流的增加而先升后降；焊接接头的性能在焊接电流不变状态下随着焊接速度的增加先增后降。

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