鎂合金真空電子束焊接頭組織結(jié)構(gòu)

張慧寧

(寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 材料及試件制備

1.1 材料

本試驗(yàn)采用AZ91D作為焊接母材，并使用兩組不同厚度的板材作為對(duì)比，板材厚度分別為22mm、9mm，后文中分別用厚板、薄板來(lái)代稱(chēng)。

1.2 焊接

在焊接前清理工件表面，必須徹底清除鎂合金表層氧化膜，可采用機(jī)械法或化學(xué)法進(jìn)行清理。焊接時(shí)為減少裂紋傾向選用MB3焊絲。

試驗(yàn)采用如表1所示的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。

表1 焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，焊接參數(shù)對(duì)焊縫的表面成形有著重要的影響。

(1)電子束焊焊縫表面成形良好，表面相對(duì)平坦，波紋均勻，邊界筆直；

(2)當(dāng)電子束聚焦位置處于焊件上表面時(shí)，整體焊接熔化效率最高；

(3)焊接速度過(guò)小容易出現(xiàn)下塌和熔寬過(guò)大；焊接速度過(guò)快容易出現(xiàn)焊縫成形不良。

1.3 試樣的制備

1.3.1 磨制試樣

試樣磨制過(guò)程如下：

(1)粗磨。鎂合金因溫度高容易產(chǎn)生組織變化，所以不能使用砂輪機(jī)，而采用較大號(hào)的粗砂紙磨平。

(2)細(xì)磨。采用600#、1000#、1200#、1500#、2000#等金相水砂紙依次進(jìn)行磨制。首先用清水沖洗砂紙；磨面緊密貼合砂紙，試樣作單向滑動(dòng)，并且隨時(shí)滴水沖刷；更換砂紙時(shí)要清理，并且將試樣轉(zhuǎn)動(dòng)90°角后再次研磨。

(3)拋光。拋光時(shí)在拋光盤(pán)上滴純凈水，用力均衡。拋光后的試樣，未浸蝕在顯微鏡下只能看到較粗大組織和缺陷。

1.3.2 試樣的浸蝕

根據(jù)鎂合金的物理化學(xué)性質(zhì)和多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)，該實(shí)驗(yàn)的浸蝕劑的組成和具體操作如表2所示：

表2AZ91D鎂合金的浸蝕劑

類(lèi)型浸蝕劑時(shí)間/s操作程序微觀腐蝕苦味酸5g+醋酸5mL+乙醇100mL+蒸餾水10mL5～15用浸蝕劑將試樣表面浸濕,直到拋光面微微發(fā)暗,然后用乙醇洗滌宏觀腐蝕冰醋酸10 ml +水90 ml10～30用浸蝕劑將試樣表面浸濕,直到顯露出焊縫形狀,然后用乙醇洗滌

2 接頭的宏觀組織

2.1 接頭外觀形貌

試樣接頭的形貌如圖1所示。

圖1 焊縫形貌

圖1(a)為焊縫外觀，焊縫正面形貌成形美觀且均勻，未見(jiàn)凹陷、咬邊、斷弧等明顯缺陷，余高約為0.6mm；(b)為焊縫背部形貌，全部焊透，但存在間斷性的輕微凹陷。

2.2 焊縫接頭截面

圖2為截面宏觀形貌，焊縫形狀為典型的釘狀，整個(gè)焊縫以中心線對(duì)稱(chēng)分布。這是因?yàn)殡娮邮欠蔷€性點(diǎn)熱源和線熱源的疊加，且能量密度高，焊接速度快，所以在焊件厚度方向上溫度場(chǎng)分布上高下低，從而形成上寬下窄的釘形焊縫。

2.3 焊縫的深寬比

以焊縫中部寬度進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)中試件電子束焊縫深寬比見(jiàn)下表(表3)。

焊縫的成形系數(shù)影響焊接過(guò)程中熔池氣體溢出的難易、結(jié)晶方向、焊縫中心偏析等。一般要求電子束焊縫的成形系數(shù)處于20∶1～50∶1之間。

3 接頭的顯微組織

3.1 焊接頭顯微組織

AZ91D鎂合金電子束焊接頭的結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖(圖3)。

圖2 接頭截面

圖3 接頭的顯微組織

鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱快，使得晶粒細(xì)化，因此焊縫得到細(xì)小的等軸晶。部分熔合區(qū)的組織與焊縫區(qū)的組織一樣，但焊縫附近晶粒重熔、凝固結(jié)晶后的尺寸明顯比焊縫晶粒尺寸大。焊接加熱采用大功率，吸收的熱量使熱影響區(qū)的組織發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，因此熱影響區(qū)的組織晶粒較為粗大。

3.2 母材的顯微組織

AZ91D鎂合金母材顯微組織見(jiàn)圖4。顯微組織為初生α(Mg)基體及β(Mg17Al12)相，晶界上呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布，在枝晶間呈粒狀和短條狀。鑄態(tài)下β(Mg17Al12)相有兩種形式，凝固過(guò)程中形成α+β(Mg17Al12)相離異共晶組織，呈多邊形塊狀，在α(Mg)晶內(nèi)有MnAl相小質(zhì)點(diǎn)。另一種是共晶α相，呈薄片狀分布在β的周?chē)?，化學(xué)成分與基體差異不大。

3.3 焊縫區(qū)顯微組織

圖5、圖6為在各種焊接條件下不同厚度板材試樣焊縫不同部位的顯微組織。如圖5所示厚板焊縫區(qū)的頂部、中部和底部的焊縫顯微組織，明顯可以看出位于焊縫頂部和焊縫底部的晶粒比焊縫中部晶粒細(xì)小。圖6所示為薄板焊縫區(qū)顯微組織。由于焊接熔池冷卻速度的不均勻性，導(dǎo)致焊縫區(qū)晶粒尺寸不均勻，在焊縫中心區(qū)晶粒較粗大。接近熔合線的區(qū)域冷卻速度較快，晶粒細(xì)小。焊縫近表面處冷卻速度最快，所以晶粒最細(xì)小。

圖5 厚板焊縫微觀組織

圖6 薄板焊縫區(qū)顯微組織

3.4 部分熔化區(qū)顯微組織

圖7 鎂合金電子束焊部分熔化區(qū)顯微組織

AZ91D鎂合金電子束焊的熔合線不明顯，但是出現(xiàn)部分熔化區(qū)。圖7為部分熔化區(qū)顯微組織，晶粒大小介于焊縫區(qū)和母材區(qū)之間，由焊縫區(qū)的等軸晶和熱影響區(qū)晶粒相互摻雜組成。

3.5 熱影響區(qū)顯微組織

試樣接頭熱影響區(qū)不明顯，這是由于鎂合金高的熱導(dǎo)率，焊縫的熔化及凝固時(shí)間都很短。比較不同板厚的不同部位的晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)焊縫晶粒有一定的變化，但熱影響區(qū)的晶粒變化卻不明顯。圖8為厚板熱影響區(qū)。

圖8 厚板接頭熱影響區(qū)

圖9 薄板熱影響區(qū)

4 焊接頭相組成分析

對(duì)AZ91D鎂合金電子束焊焊縫進(jìn)行了X射線衍射分析。分析結(jié)果表明，在AZ91D鎂合金電子束焊焊縫中形成的相結(jié)構(gòu)主要是α-Mg相、Zn相、Mg0.97 Zn0.03以及Al3 Mg2相。

圖10 AZ91D鎂合金電子束焊縫X衍射分析

5 結(jié)論

不同板厚的AZ91D鎂合金進(jìn)行真空電子束焊接，研究不同變量焊縫成形、接頭宏觀、微觀組織特征及其焊縫XRD相組成分析的規(guī)律，根據(jù)研究結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)采用真空電子束焊所得接頭宏觀焊縫形貌成形美觀，且均勻，未見(jiàn)凹陷、咬邊、斷弧等現(xiàn)象；電子束聚焦位置、焊接電流、焊接速度等對(duì)焊縫成形及焊接質(zhì)量具有重要的影響。

(2)AZ91D鎂合金真空電子束焊接頭包括焊縫區(qū)、部分熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。焊縫區(qū)為均勻細(xì)小的等軸晶。在熔合線附近主要為柱狀晶，其余部分為細(xì)小的樹(shù)枝晶，之間有明顯的分界。焊縫中心區(qū)晶粒較粗大，焊件表面處晶粒最細(xì)??；熱影響區(qū)分界并不是十分明顯，且較難觀察，熱影響區(qū)晶粒較粗大。

(3)AZ91D電子束焊接頭進(jìn)行XRD相分析，其主要組成相為α-Mg相、Zn相、Mg0.97 Zn0.03以及Al3 Mg2相。