十、如何改善AZ91镁合金的焊接性，提高焊接接头的力学性能？

钨极氩弧焊（TIG）是目前广泛采用的镁合金焊接方法，氩弧焊本身具有焊缝成型良好、钨极电弧稳定、氩弧焊设备简单、价格便宜等优点。但钨极氩弧焊单道熔深较浅，生产效率低，而且镁合金热膨胀系数大，容易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷。另外，钨极氩弧焊的焊接参数对接头影响较大，电流太小或太大都会在焊缝处产生一定的缺陷。如果能找到一种方法改变镁合金在焊接过程中熔池的结晶特性，就可能使镁合金的焊接性得到改善，使其力学性能得到提高。

电磁作用焊接技术是近年来发展完善起来的一种新型焊接技术，应用也日趋广泛。实践表明：利用外加磁场可对熔滴过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，使焊缝金属的一次结晶组织细化，减小化学成分的不均匀性，从而提高焊缝金属的强度，降低裂纹和气孔的敏感性，改善焊接接头的质量。在采用磁控技术改善镁合金焊接接头性能方面，国内外学者进行了大量研究。其中，国内高校也做了不少研究工作。例如，在对镁合金进行TIG焊时加入与电弧轴向垂直的横向磁场，研究外加磁场对焊接接头组织及性能的影响中，研究者采用规格为100mm×65mm×5mm的轧制态AZ91合金母材，化学成分Al、Zn、Mn、Cu的质量分数分别为8.9％、0.77％、0.35％、0.03％，其余为Mg。采用与母材化学成分相同的350mm×3mm×2.5mm焊丝，焊接设备为WSE-500型交流脉冲氩弧焊机，焊接工艺参数为：焊接电流Ic=80A，氩气流量为7～9L/min，磁场频率为10Hz，钨极直径为2mm，喷嘴直径为10mm。外加横向磁场对其AZ91镁合金试件进行了焊接。

焊接时，该磁场由安装在工件下面的线圈产生，磁场的电流和频率可以调节，产生的磁力线与电弧轴线垂直。为了避免电流过大时导线绝缘层被击穿，线圈绕制过程中每绕一层就用绝缘纸隔开。

根据研究者试验，不同磁场电流Im作用下焊缝的显微组织如图2-54所示。焊缝组织由细小的等轴晶α-Mg及β-Al12Mg17共晶体组成，其中β-Al12Mg17共晶体呈网状偏聚分布于晶界。当磁场电流Im在0.5～1.5A范围内逐渐增加时，焊缝晶粒尺寸逐渐变细，共晶组织生成的数量明显增多，呈条状断续分布于晶界；当磁场电流Im为1.5A时，焊缝晶粒尺寸最细小，如图2-54（b）所示。在一定范围内的磁感应强度有助于晶粒细化，晶粒越细晶界的面积就越大，晶界对位错的阻碍作用也就越大，从而使强度提高；同时晶界面积增加使杂质浓度减少，避免产生延晶脆性断裂。晶粒越细，在一定体积内晶粒的数目越多，在同样的变形量下，变形量分散在更多的晶粒内进行。当磁场电流Im大于1.5A时，则随着磁场电流Im的增大，晶粒变得粗大，接头的性能下降。磁场电流Im=2.5A时的焊缝组织如图2-54（c）所示。

图2-54　不同磁场电流Im作用下焊缝的显微组织

焊接接头的抗拉强度随磁场电流Im的变化曲线如图2-55所示。由图可看出，磁场电流Im在0～1.5A之间时，抗拉强度随着磁场电流Im的增加呈现上升趋势，当磁场电流Im达到1.5A时，抗拉强度达到最大值325.2MPa。磁场电流Im大于1.5A时，焊接接头的抗拉强度出现下降趋势，这是因为磁场电流Im越大，电磁力越大，因而波动越激烈，晶粒细化效果越显著，组织越致密，抗拉强度越高；但是随着磁场电流Im增加的同时，相应地会在熔池凝固体系内增大了热效应，磁场对金属流的滞止力增大，抗拉强度逐渐下降。此外，由图2-55还可看出，在有外加磁场作用下试件的抗拉强度整体上高于无磁场的情况，且在磁场电流Im为1.5A时最明显。

图2-55　焊接接头的抗拉强度随磁场电流Im的变化曲线

接头硬度随磁场电流Im的变化如图2-56所示。由图可知，磁场作用下焊接接头中焊缝及热影响区的硬度要高于无磁场的情况；当磁场电流Im达到1.5A时，焊缝及热影响区的硬度分别达到最大值为85.27HV和94.13HV；当磁场电流Im在0～1.5A之间时，焊缝和热影响区（HAZ）的硬度随着磁场电流Im的增加而逐渐增大；当磁场电流Im在1.5～2.5A之间时，焊缝的硬度随着磁场电流Im的增加而逐渐减小，HAZ变化不明显；磁场电流Im为2.5A时，HAZ硬度为77.8MPa，没有呈现规律性，这种情况也可能是由于试件内部的缺陷或是由试验误差引起。观察图2-56还可以发现，热影响区的硬度大多数低于焊缝的硬度，但高于母材的硬度。由此可见，焊接过程中施加磁场对母材的硬度基本没有影响。这主要是由于母材处于固态，焊接过程中施加磁场对其影响作用不大。

图2-56　接头硬度随磁场电流Im的变化

通过以上研究可见，在对AZ91镁合金的TIG焊焊接过程中，外加横向磁场可使其电弧稳定性提高，焊接电弧热量集中，熔池搅拌均匀，焊缝金属的结晶形态得到改善，增加形核率，细化晶粒，且在合适的焊接工艺参数下，可以显著改善镁合金的焊接性，提高焊接接头的力学性能。