AZ31B镁合金CMT焊接接头组织与力学性能

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031）

0 前言

镁及镁合金质量轻、比强度和比刚度高，具有阻尼减振、电磁屏蔽、导电导热性好且易于加工等优点，被喻为21世纪绿色工程材料之一，是目前最轻的金属结构材料[1]，在轨道车辆、航空航天、国防军工电子机械等领域具有广阔的应用前景[2-4]。然而，由于镁合金低熔点、高线膨胀系数及导热率，在焊接过程中容易出现氧化燃烧、热影响区宽、气孔裂纹及焊后变形大等焊接缺陷，难以获得与母材性能相匹配的焊接接头，严重制约了镁合金的发展和应用。随着镁合金结构件的广泛应用，其焊接问题的解决变得日益迫切[5]。

近年来关于镁合金焊接技术的研究越来越多，其中搅拌摩擦焊、MIG焊、激光焊、电子束焊等熔焊方法可以解决一些焊接问题，但是焊接过程中的气孔、下塌和烧蚀等缺陷仍然存在，同时这些设备复杂、使用成本高，不利于大规模推广应用[6-7]。冷金属过渡焊技术CMT（Cold Metal Transfer）是一种以熔滴短路过渡为基础的改进型熔化极气体保护焊，具有更低的热输入量、更高的熔敷率和焊接速度，以及更出色的焊接稳定性等优点[8]，受到了焊接研究人员的极大关注。本研究针对目前应用较广的挤压态AZ31B镁合金，采用CMT方法进行3mm薄板AZ31B镁合金对接焊工艺及接头性能的研究。

1 焊接试验

1.1 试验材料

试验材料为尺寸200 mm×100 mm×3 mm挤压态AZ31B镁合金板材，属于Mg-Al-Zn系列合金；焊接填充材料选用直径φ1.6 mm WE-33M焊丝，母材及焊丝的化学成分如表1所示。焊前用钢丝刷清除试板接头正面及其周围40 mm处氧化物，再用丙酮清洗油污。焊接过程中为了减少试板变形，采用自制焊接夹紧装置将2块试板沿板面垂直方向夹紧。自制焊接工装带有铜垫板，为保证焊接间隙，垫板前段加入相同厚度的引弧板，对接试板之间垂直放入间隙板。

表1 母材及焊丝的化学成分 %

1.2 试验方法

CMT焊接设备使用Fronius公司Advanced4000R焊机，焊机配备 RCU5000i遥控器、CMT VR7000送丝系统、YASKAWA公司生产的MOTOMAN焊接机器人系统，焊接装置如图1所示。焊接过程中采用机器人施焊，以保证焊接速度稳定。由于镁元素非常活泼，为防止焊缝氧化，焊接时采用纯度99.99%的氩气作为保护气体，氩气流量25 L/min。

采用单面焊双面成形方法，观察不同焊接参数下的焊缝成形。CMT运行程序选用Mg-φ1.6，由于CMT焊接系统拥有丰富的专家化系统，其焊接电流、焊接电压以及送丝速度都是一元化匹配的，在RCU5000i遥控器上均有显示，操作时通过调节送丝速度即可确定焊接电流和焊接电压，从而确定热输入量。

焊后对焊缝成形良好、外观无缺陷的焊接试样进行制样，并分别进行微观组织分析、抗拉和硬度测试、拉伸断口分析。焊接接头拉伸试验尺寸见图2。

图1 CMT焊接装置

2 试验结果与分析

2.1 焊缝外观

经过大量摸索性试验，确定在焊接电流76 A、送丝速度6m/min，焊接速度8mm/s、焊缝间隙1.5mm工艺参数下能够获得良好的焊缝成形，如图3所示。图3a为焊缝正面照片，银白色鱼鳞纹致密均匀，无下塌、气孔、咬边等缺陷，表面成形均匀。图3b为焊缝背面照片，完全熔透，宽度均匀且与焊缝正面相比较窄，表面光滑无缺陷。由于CMT热输入低，试板焊后几乎无变形。

图2 AZ31B镁合金CMT焊接接头拉伸试验尺寸

2.2 焊缝显微组织

焊缝截面形貌及显微组织如图4所示。图4a为焊缝截面形貌，可以看到母材区、热影响区和焊缝区。图4b为母材，晶粒为大小不均匀的等轴晶，这是板材热挤压成型后动态再结晶的结果。母材、热影响区和焊缝区3个区域内的显微组织存在着明显差异，焊缝区黑色析出物最多且多分布在晶界处。图4d中白色部分为AZ31B镁合金基体组织 α-Mg，第二相黑色析出物为β-Al12Mg17，β-Al12Mg17呈小颗粒状弥散不均匀地分布在α-Mg基体组织上。

图3 AZ31B镁合金CMT焊缝宏观形貌

2.3 焊接接头显微硬度

接头硬度测试结果如图5所示。由图5可知，焊接接头的显微硬度-大致沿焊缝中心线呈两侧对称分布，其中焊缝区的显微硬度最高，平均约为86 HV；母材区的显微硬度约为65 HV；热影响区硬度最低，约为62 HV。

图4 AZ31B镁合金CMT焊接接头的金相显微组织

2.4 焊接接头拉伸结果

将焊接接头打磨掉焊缝余高后制取拉伸试样，在万能试验机进行拉伸试验，测试4组拉伸数据，然后计算其平均值。对接接头拉伸试验断裂位置位于母材，如图6所示，断口为母材45°方向，焊缝区域有明显的塑性变形痕迹，接头及母材拉伸测试结果如表2所示。

表2 接头及母材拉伸性能

由表2可知，3 mm厚AZ31B镁合金CMT焊接接头抗拉强度最高达到母材抗拉强度的96.7%，延伸率最高达到母材的98.6%。

拉伸断口微观形貌如图7所示。由图7a可知，挤压态的AZ31B镁合金在室温下的拉伸断口呈现出明显的塑性断裂特征，断口中存在一些较深的韧窝，但韧窝底部第二相颗粒很少，韧窝之间有明显的撕裂棱，并沿着不同方向扩展。从图7b可以看到部分解理特征，同时存在韧窝和撕裂棱，表面具有韧-脆混合的形貌特征。

图5 AZ31B镁合金CMT焊接接头的显微硬度

图6 CMT焊接接头拉伸试样

拉伸断口的EDS测试结果如图8所示，与表1的AZ31B镁合金母材化学成分基本相同，与金相观察结果相吻合。焊缝区晶粒最细，根据Hall-Petch公式可知，焊缝晶粒越细小，焊缝金属强度越高。同时，小颗粒β-Al12Mg17析出物具有弥散强化作用，在形变过程中会阻碍位错运动，这使得焊缝强度有所提高[9]。

图7 AZ31B镁合金CMT焊接接头室温拉伸断口

图8 AZ31B镁合金CMT焊接接头拉伸断口EDS结果

3 结论

（1）对厚度3mm的AZ31B镁合金采用CMT对焊，在焊接电流76 A、送丝速度6 m/min，焊接速度8 mm/s、焊缝间隙1.5 mm的工艺参数下获得成形良好的焊缝，焊接过程稳定、无飞溅。

（2）焊缝组织晶粒细小，焊缝区的显微硬度最高，平均约为86 HV；其次为母材区的显微硬度，约为65 HV，热影响区硬度约为62 HV。

（3）3 mm厚的AZ31B镁合金CMT焊接接头最大抗拉强度为248.8 MPa、伸长率7.16%，略低于母材，分别为母材的96.7%和98.6%。断裂位置位于母材区，属于韧性断裂。