镁合金真空电子束焊接头组织结构

张慧宁

(宁夏职业技术学院，宁夏 银川 750021)

1 材料及试件制备

1.1 材料

本试验采用AZ91D作为焊接母材，并使用两组不同厚度的板材作为对比，板材厚度分别为22mm、9mm，后文中分别用厚板、薄板来代称。

1.2 焊接

在焊接前清理工件表面，必须彻底清除镁合金表层氧化膜，可采用机械法或化学法进行清理。焊接时为减少裂纹倾向选用MB3焊丝。

试验采用如表1所示的焊接工艺参数进行焊接。

表1 焊接工艺参数

试验研究发现，焊接参数对焊缝的表面成形有着重要的影响。

(1)电子束焊焊缝表面成形良好，表面相对平坦，波纹均匀，边界笔直；

(2)当电子束聚焦位置处于焊件上表面时，整体焊接熔化效率最高；

(3)焊接速度过小容易出现下塌和熔宽过大；焊接速度过快容易出现焊缝成形不良。

1.3 试样的制备

1.3.1 磨制试样

试样磨制过程如下：

(1)粗磨。镁合金因温度高容易产生组织变化，所以不能使用砂轮机，而采用较大号的粗砂纸磨平。

(2)细磨。采用600#、1000#、1200#、1500#、2000#等金相水砂纸依次进行磨制。首先用清水冲洗砂纸；磨面紧密贴合砂纸，试样作单向滑动，并且随时滴水冲刷；更换砂纸时要清理，并且将试样转动90°角后再次研磨。

(3)抛光。抛光时在抛光盘上滴纯净水，用力均衡。抛光后的试样，未浸蚀在显微镜下只能看到较粗大组织和缺陷。

1.3.2 试样的浸蚀

根据镁合金的物理化学性质和多次实验总结，该实验的浸蚀剂的组成和具体操作如表2所示：

表2AZ91D镁合金的浸蚀剂

类型浸蚀剂时间/s操作程序微观腐蚀苦味酸5g+醋酸5mL+乙醇100mL+蒸馏水10mL5～15用浸蚀剂将试样表面浸湿,直到抛光面微微发暗,然后用乙醇洗涤宏观腐蚀冰醋酸10 ml +水90 ml10～30用浸蚀剂将试样表面浸湿,直到显露出焊缝形状,然后用乙醇洗涤

2 接头的宏观组织

2.1 接头外观形貌

试样接头的形貌如图1所示。

图1 焊缝形貌

图1(a)为焊缝外观，焊缝正面形貌成形美观且均匀，未见凹陷、咬边、断弧等明显缺陷，余高约为0.6mm；(b)为焊缝背部形貌，全部焊透，但存在间断性的轻微凹陷。

2.2 焊缝接头截面

图2为截面宏观形貌，焊缝形状为典型的钉状，整个焊缝以中心线对称分布。这是因为电子束是非线性点热源和线热源的叠加，且能量密度高，焊接速度快，所以在焊件厚度方向上温度场分布上高下低，从而形成上宽下窄的钉形焊缝。

2.3 焊缝的深宽比

以焊缝中部宽度进行计算，试验中试件电子束焊缝深宽比见下表(表3)。

焊缝的成形系数影响焊接过程中熔池气体溢出的难易、结晶方向、焊缝中心偏析等。一般要求电子束焊缝的成形系数处于20∶1～50∶1之间。

3 接头的显微组织

3.1 焊接头显微组织

AZ91D镁合金电子束焊接头的结构见下图(图3)。

图2 接头截面

图3 接头的显微组织

镁合金的导热系数大，散热快，使得晶粒细化，因此焊缝得到细小的等轴晶。部分熔合区的组织与焊缝区的组织一样，但焊缝附近晶粒重熔、凝固结晶后的尺寸明显比焊缝晶粒尺寸大。焊接加热采用大功率，吸收的热量使热影响区的组织发生晶粒长大，因此热影响区的组织晶粒较为粗大。

3.2 母材的显微组织

AZ91D镁合金母材显微组织见图4。显微组织为初生α(Mg)基体及β(Mg17Al12)相，晶界上呈不连续网状分布，在枝晶间呈粒状和短条状。铸态下β(Mg17Al12)相有两种形式，凝固过程中形成α+β(Mg17Al12)相离异共晶组织，呈多边形块状，在α(Mg)晶内有MnAl相小质点。另一种是共晶α相，呈薄片状分布在β的周围，化学成分与基体差异不大。

3.3 焊缝区显微组织

图5、图6为在各种焊接条件下不同厚度板材试样焊缝不同部位的显微组织。如图5所示厚板焊缝区的顶部、中部和底部的焊缝显微组织，明显可以看出位于焊缝顶部和焊缝底部的晶粒比焊缝中部晶粒细小。图6所示为薄板焊缝区显微组织。由于焊接熔池冷却速度的不均匀性，导致焊缝区晶粒尺寸不均匀，在焊缝中心区晶粒较粗大。接近熔合线的区域冷却速度较快，晶粒细小。焊缝近表面处冷却速度最快，所以晶粒最细小。

图5 厚板焊缝微观组织

图6 薄板焊缝区显微组织

3.4 部分熔化区显微组织

图7 镁合金电子束焊部分熔化区显微组织

AZ91D镁合金电子束焊的熔合线不明显，但是出现部分熔化区。图7为部分熔化区显微组织，晶粒大小介于焊缝区和母材区之间，由焊缝区的等轴晶和热影响区晶粒相互掺杂组成。

3.5 热影响区显微组织

试样接头热影响区不明显，这是由于镁合金高的热导率，焊缝的熔化及凝固时间都很短。比较不同板厚的不同部位的晶粒尺寸，发现焊缝晶粒有一定的变化，但热影响区的晶粒变化却不明显。图8为厚板热影响区。

图8 厚板接头热影响区

图9 薄板热影响区

4 焊接头相组成分析

对AZ91D镁合金电子束焊焊缝进行了X射线衍射分析。分析结果表明，在AZ91D镁合金电子束焊焊缝中形成的相结构主要是α-Mg相、Zn相、Mg0.97 Zn0.03以及Al3 Mg2相。

图10 AZ91D镁合金电子束焊缝X衍射分析

5 结论

不同板厚的AZ91D镁合金进行真空电子束焊接，研究不同变量焊缝成形、接头宏观、微观组织特征及其焊缝XRD相组成分析的规律，根据研究结果得出以下结论：

(1)采用真空电子束焊所得接头宏观焊缝形貌成形美观，且均匀，未见凹陷、咬边、断弧等现象；电子束聚焦位置、焊接电流、焊接速度等对焊缝成形及焊接质量具有重要的影响。

(2)AZ91D镁合金真空电子束焊接头包括焊缝区、部分熔化区、热影响区和母材区。焊缝区为均匀细小的等轴晶。在熔合线附近主要为柱状晶，其余部分为细小的树枝晶，之间有明显的分界。焊缝中心区晶粒较粗大，焊件表面处晶粒最细小；热影响区分界并不是十分明显，且较难观察，热影响区晶粒较粗大。

(3)AZ91D电子束焊接头进行XRD相分析，其主要组成相为α-Mg相、Zn相、Mg0.97 Zn0.03以及Al3 Mg2相。