四、焊接中如何通过改变工艺参数调节镁合金焊接接头的力学性能？

镁合金的导热系数及线膨胀系数大，热强度低，在焊接过程中易出现热裂纹、气孔及接头软化等现象。这些缺陷的出现大都与焊接工艺有关，因此通过研究焊接工艺，确定合适的工艺参数，对镁合金焊接技术的推广和应用有很大的实际意义。

在通过焊接工艺参数调节镁合金接头力学性能方面，有研究者采用挤压成型的5mm厚AZ31镁板作为母材，采用钨极氩弧焊进行焊接，焊机型号为WSE-500，手动送丝。所用焊丝与母材同一材质，即从母材上通过机械加工而得，焊丝规格为150mm×80mm×5mm。焊接工艺参数见表2-9。

为了使我们了解如何通过调整焊接工艺参数达到调整焊缝力学性能的目的，首先让我们通过研究者的试验考察一下焊接电流对接头成型系数有哪些影响。焊缝成型系数（B）是指在单道焊缝横截面上焊缝宽度（C）与焊缝计算厚度（S）的比值。焊缝成型系数是焊接接头的一个基本参数，通过对其大小的分析可以了解焊接接头性能的变化情况，也就是说可以通过变化焊缝成型系数来改变焊接接头的力学性能。

表2-9　焊接工艺参数（一）

不同焊接电流下焊接接头的成型系数变化曲线如图2-17所示。由图可看出，随着焊接电流的增大，焊缝的熔宽、熔深大体上都呈现出上升的趋势，这与传统焊接理论相吻合，因为随着焊接电流的增大，焊接接头所吸收的热量增加，使得焊缝的熔宽、熔深都有所增大，但是两者之间变化的步伐并不一致，这点从成型系数的曲线可以发现。在图2-17中，成型系数曲线并不与焊接电流呈现单值关系，虽然成型系数总体上是随着焊接电流的增大而减小，但是在焊接电流为90A时出现了奇异点，这些现象与基本理论相吻合。

图2-17　焊缝的熔深、熔宽及成型系数随焊接电流的变化曲线

其次，让我们再来分析焊接电流对接头拉伸性能有哪些影响。焊接接头拉伸性能随焊接电流的变化曲线如图2-18所示。由图可看出，随着焊接电流的增加，焊接接头的抗拉强度也在增加，并在焊接电流为70A时达到最大值，随后焊接电流进一步增大，则接头的抗拉强度反而减小。相似的规律在焊接接头的伸长率和断面收缩率上也出现了，只是其最大值并没有出现在70A处，而是出现在80A处。此外，拉伸试件的断裂位置也有一定的变化，当电流较小（<70A）时，焊接接头大多断裂于热影响区（HAZ），但当电流较大（>90A）时，断裂则出现在焊缝，这主要与焊接接头的组织有关。

图2-18　拉伸性能随焊接电流的变化曲线

第三，考察焊接电流对接头硬度的影响可看出，随着焊接电流的增大，焊缝和HAZ的硬度都发生了一定的变化，但是两者的变化规律不尽相同，如图2-19所示。焊缝硬度随着焊接电流的增大是先增大后减小，在焊接电流为70A时达到最大值；而HAZ的硬度虽然也是随着焊接电流的增大先增大后减小，但其变化的幅度明显没有焊缝硬度大。这是因为HAZ在焊接过程中基本都处于固相状态，不发生相应的相变，所以对热量的敏感性没有液态熔池大，进而硬度的变化幅度也没有焊缝大。

显微组织是材料宏观力学性能的微观表征。因此，要研究不同焊接电流下镁合金焊接接头拉伸性能和硬度性能的差别，必须对不同焊接电流下焊接接头的显微组织进行分析。图2-20为研究者提供的不同焊接电流下镁合金焊接接头的显微组织。当焊接电流较小时（60A），焊缝金属所吸收的热量较小，这样焊缝冷却速度相对较快，晶粒长大时间较短，相对比较细小，如图2-20（a）所示；当焊接电流适当增加时（70A），焊缝金属组织仍以细小等轴晶为主，但晶界第二相的分布形态却有了明显的变化，由于焊接电流的增大，焊缝金属高温停留时间有所延长，促进了合金元素向基体中固溶，进而使第二相呈细小弥散分布，如图2-20（b）所示；但当焊接电流继续增大时，焊接接头的显微组织却呈现出增大的趋势，而且焊接电流越大，增大的趋势越明显，如图2-20（c）、（d）所示；当焊接电流达到100A时，镁合金焊接接头的组织已经很粗大，如图2-20（e）所示。产生这种现象的原因是：随着焊接电流的增大，镁合金焊接接头吸收的热量增多，这些热量将使液态熔池金属处于高温的时间延长，进而增大了晶粒生长时间；而且由镁合金相图可知，镁合金在高温情况下没有相变发生，这就更加加剧了镁合金焊接接头的晶粒长大的趋势，产生了粗晶区，进而使材料的力学性能下降。微观组织变化及力学性能发生变化也可从上面对抗力强度和硬度的分析中得到印证。

图2-19　焊接接头硬度随焊接电流的变化曲线

不同焊接电流的焊缝外观相貌如图2-21所示。由图2-21可见，合适的焊接电流焊缝外观美观整齐（如图2-21（b）所示），电流过小或过大都致使焊缝成型不好（如图2-21（a）、（c）、（d）所示），影响焊接接头质量。

图2-20　不同焊接电流下镁合金焊接接头的显微组织

图2-21　不同焊接电流下的焊缝形状

从焊接工艺参数对焊接接头性能的作用机理方面分析，在电弧电压、焊接速度保持不变的情况下，焊接电流是决定焊接线能量的主要因素。镁合金接头熔池金属的结晶、形核主要取决于线能量。根据金属学理论，金属的结晶形核方法分为均质形核和异质形核两种方式，但无论哪种形核方式，金属在结晶形核的过程中都需要一定的成分起伏、结构起伏、能量起伏和过冷度。对于本试验所采用的挤压成型5mm厚的AZ31镁合金板而言，它是在Mg中加入一定量的固溶强化元素Al、Zn等经过冶炼而成的，因此焊接过程中熔池的结晶方式将以异质形核方式进行，这将使结晶所需形核能大大降低，明显低于均质形核。当焊接电流较小（60A）时，焊接接头吸收的热量较小，熔池高温停留时间较短，晶粒长大的趋势较弱，进而晶粒尺寸相比较小，但温度过低不利于合金元素的固溶，使镁合金的固溶强化效果减弱，进而影响镁合金的力学性能。在合适的焊接电流下，熔池晶粒细小，而且大量固溶强化元素充分的融入Mg基体内部，使得晶界强化和固溶强化得到良好的匹配，进而使力学性能达到最佳。但是焊接电流过大时，焊接接头的力学性能反而变差，其原因是：一方面，焊接电流过大，焊接接头吸收的热量增多，使得镁合金熔池高温停留时间增长，晶粒长大趋势明显，形成粗晶区；另一方面，由于镁合金中所添加的元素本身的熔、沸点都不是很高，过大的电流将使镁合金熔池金属中大量合金元素产生烧损现象，这也对焊接接头的力学性能造成不良影响。因此，焊接过程中选择合适的焊接电流（如本例的焊接电流70A）时，焊接接头的力学性能才能达到最佳值。所以，焊接镁合金可以通过调整合适的焊接电流使焊接接头在焊接过程中获得合适的焊接线能量，使焊缝液态金属高温停留时间改变，进而影响焊缝金属的结晶过程，使焊接接头的力学性能得到改善。上例中研究者采用70A焊接电流焊接时，镁合金焊接接头的力学性能达到最佳值，此时焊接接头的成型系数为3.51，抗拉强度为201.7MPa，断面收缩率为8.4％，伸长率为12.18％，硬度为62.3HV。