镁合金焊接接头的组织结构

一般来说，钨极惰性气体保护电弧焊（GTAW TIG）和熔化极惰性气体保护电弧焊（GMAW MIG）是镁合金常用的焊接方法。此外镁合金还可以采用电阻点焊（RSW）、摩擦焊（FW）、搅拌摩擦焊（FSW）、激光焊（LBW）、电子束焊（EBW）等工艺进行焊接。由于镁的比热容和熔化潜热小，因此焊接时要求的输入热量少而焊接速度高。采用不同的焊接方法，镁合金焊接后获得的组织差异很大。

大多数情况下，镁合金件可采用熔化焊，如氩弧焊、激光焊、电子束焊和气焊等方法进行焊接。

文献[1]使用奥太WSME-315 型氩弧焊机对AZ61 镁合金板材进行直流焊接，保护气为纯度99.99%的氩气，具体焊接参数如表4-1 所示。焊接时采用平板对接，对接方向沿板材挤压方向，如图4-1 所示，焊接过程采用双面填丝焊接工艺。

表4-1　AZ31 镁合金板材直流焊接工艺参数

图4-1　AZ31 镁合金板材焊接方式

如图4-2 所示为AZ31 挤压板材焊接接头的母材、热影响区、焊缝区组成组织。从图4-2（a）中可以看出，AZ31 板材母材组织为具有一定取向的等轴晶组织，母材组织由于在挤压过程中发生了动态再结晶，组织中出现了细小等轴晶，晶粒尺寸约为 10 μm。热影响区组织为均匀等轴晶。这是由于挤压板材在焊接过程中，离焊缝较近，受热影响发生了再结晶，形成了等轴晶，同时，相对于母材组织，晶粒有所长大，大约为20 μm，如图4-2（b）所示。如图4-2（c）所示为焊缝微观组织，在焊接过程中，V 形坡口内填入了AZ31焊丝，焊丝熔化凝固后形成了焊缝组织，呈现铸态组织特征，晶粒尺寸较大，约为 46 μm。在焊接过程中，坡口附近母材发生重熔，与熔化的焊丝充分熔合，凝固后形成熔合区，熔合区沿坡口方向形成，如图4-3 所示，晶粒尺寸较热影响区与焊缝区更加细小。

图4-2　AZ31 镁合金板材焊接接头组织

图4-3　AZ31 镁合金板材焊接接头母材与热影响区过渡区组织(www.xing528.com)

文献[2]采用TIG 焊对MB8 变形镁合金板材进行对接焊，板厚8 mm，焊丝直径为3 mm 的MB3 镁合金焊丝，采用MB3 焊丝的好处是可以避免在近焊缝区析出低熔点共晶体而产生裂纹。同时，为了保证焊接质量，焊前用丙酮清洗镁合金板材及焊丝表面，然后用纱布打磨，以充分去除其表面氧化膜。焊接接头的组织如图4-4 所示。

图4-4　MB8 镁合金对接接头的显微组织

从图4-4（a）可以看出，焊缝金属（Weld Metal，WM）为典型的铸造柱状晶组织。焊接过程中，由于焊接温度高于熔点，熔合线区域的液态金属在母材晶粒表面形核的同时，晶核以柱状晶的形态向焊缝中心长大。从图 4-4（b）中可以看出，热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）的晶粒为不规则的等轴晶，它是由于变形晶粒在变形储存能的驱动下，发生再结晶，晶粒在晶界处重新形核长大而形成的。母材（Base Metal，BM）晶粒尺寸比热影响区晶粒明显减小，两者之间有明显界限，界限处的晶粒在再结晶过程中容易软化，会降低晶界的致密程度，使得该区域在焊接残余拉应力的作用下容易萌生微裂纹，从而降低焊接接头的力学性能。

文献[3]采用TIG 焊对MB8 变形镁合金板材进行焊接焊，焊接试板形状如图4-5 所示。板厚8 mm，焊丝直径为3 mm 的MB3 镁合金焊丝。同时，为了保证焊接质量，焊前用丙酮清洗镁合金板材及焊丝表面，然后用纱布打磨，以充分去除其表面氧化膜。焊接接头的组织如图4-6 所示。

图4-5　MB8 变形镁合金十字接头试板

图4-6　MB8 镁合金焊接十字接头金相组织

MB8 变形镁合金板材母材组织为具有一定取向的等轴晶组织，母材组织由于在轧制过程中发生了动态再结晶，组织中出现了细小等轴晶，晶粒尺寸为20～30 μm，如图4-6（e）所示。

焊缝区组织是由局部母材与填充金属熔化后形成的焊接熔池凝固结晶而成，焊接熔池的体积小，冷却速度大，其平均冷却速度比钢锭的平均冷却速度大104倍。熔池内液态金属迅速冷却、结晶，结晶是从熔池边界开始的，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状晶，如图4-6（b）所示。由于熔池中的液态金属处于过热状态，而且过热度很大，导致合金元素的烧损比较严重，造成熔池中非自发晶核的质点大为减少，这是促使焊缝金属中柱状晶得到发展的重要原因之一。由图4-6（d）中可以看出明显的联生结晶现象。焊缝金属呈柱状晶形式与母材相联系，好似母材晶粒的外延生长。这种依附于母材晶粒的现成表面而形成共同晶粒的结晶方式称为联生结晶或外延结晶。由金属凝固理论可知，过冷是凝固的条件，并通过萌生晶核和晶核的生长进行。但在焊接熔池这种极端过热的条件下，均匀形核的可能性是非常小的，而熔池边界熔化的母材晶核表面完全可能成为新相晶核的“基底”。因为母材晶粒表面作为新相晶核的“基底”不仅所需能量小，而且在结晶点阵形式及点阵常数上均与新相接近一致，因而易于促使新相成核[4]。焊缝中心区过冷度将明显降低，晶粒结晶成较大的颗粒状，如图4-6（a）。焊接时，由于热源是移动的，故焊接熔池中的液态金属始终处于运动状态。熔池是在动态下凝固的，凝固速度相当大，固-液界面的推进速度要比铸件的高10～100 倍。图4-6（c）为熔合区晶粒，从图中可以看出熔合区范围很窄，通常只有几个晶粒的大小，该区域是母材晶粒在熔池金属的高温作用下被加热到半熔化过渡状态，晶粒变得特别粗大，组织不均匀性，而且常常由于严重过热而导致性能的不均匀性，其力学性能、塑性和韧度明显下降，所以该区对焊接接头的性能却起着决定性的作用。而且熔合线两侧的晶粒类型完全不一样，在图4-6（d）中更加明显，两侧没有过渡的区域直接相连。若焊接结构失效，该区域将首先萌生裂纹，很容易从该处断裂。