十一、AM50镁合金TIG焊接过程中如何选取焊接工艺规范？

焊接过程中，焊接工艺规范对焊接接头的外观成型和后续的接头显微组织特征及其对力学性能有显著影响。那么，AM50镁合金TIG焊的焊接过程中，究竟如何选取焊接工艺规范才能确保焊缝成型良好，焊缝的微观组织和力学性能达到最佳效果呢？针对AM50镁合金TIG焊，在确保焊缝成型性良好，无宏观缺陷的基础上，有研究者通过试验研究制定出适当的工艺规范，得到了质量优质的焊缝，显著提高了焊接接头的力学性能。

焊接试验选用供货状态为挤压成型厚度为6mm的AM50镁板作为母材，焊丝与母材同一材质，焊丝规格为5mm×3mm×2mm，合金成分见表2-22。

焊接用纯度为99.9％的氩气作保护气体，选用非熔化极铈钨极，直径为2mm。焊接设备采用交流钨极氩弧焊机，焊机型号为NSA-500-1。焊炬装夹在小车上，通过小车的运动带动焊枪移动从而实现整个焊接。整个焊接过程为半自动化，手动送丝。为防止焊接过程中温度过高烧毁枪体，采用水冷系统，并用石棉包住焊炬下部以实现绝热。

为得到高质量的焊缝，避免将杂质带入焊缝，焊前应将镁合金表面的氧化膜和油污进行彻底清理，使母材坡口周围和焊丝露出白色金属光泽。为防止和减小焊接变形，试件两端用夹具固定，焊件下面放置冷却垫板。焊接采用对接方式对镁板实现TIG焊接，初选工艺参数见表2-23。

焊接实践证明，当焊接电流过小时，由于能量不集中，电弧发散，致使试件焊不透。电流小，液态熔池流动缓慢，焊缝成型性较差；同时，电流过小，热量小，如抬高焊炬得不到有效的焊接熔池；如降低焊炬，就势必会造成填丝困难；而且，焊炬与工件间的距离过小，焊接过程中还容易产生夹钨现象。随着电流逐渐增大，焊缝成型性变好，能量集中，试件熔化加快。由于镁合金焊接过程中看不到熔池的颜色变化，电流过大，焊接过程不好控制，容易烧穿，且热影响区宽度增加，易产生热裂纹等缺陷。图2-57、图2-58是研究者选择的焊接速度为6mm/s、氩气流量为7L/min条件下焊接电流对AM50与AZ31镁合金熔深、熔宽的影响。通过相同条件下AM50与AZ31镁合金熔深、熔宽的对比可以看出，随着焊接电流的增加，两种材料焊缝的熔宽、熔深均增大，而且AM50镁合金的熔宽、熔深增加的速度更快一些，这说明AM50镁合金对电流增减的敏感性更强一些，因此AM50镁合金焊接过程中更容易产生热裂纹。

研究还表明，当焊接速度较小时，随着焊接电流的逐渐增大，由于没有显著的颜色变化，熔池在液态停留时间增长，导致焊接接头软化而产生下塌现象，所以应适当减小电流；当焊接速度很大时，焊接热源在试件同一位置停留时间变短，此时如果焊接电流不够大，试件无法充分吸收热量，熔池还没完全形成，热源已经被移走，试件出现未熔合现象。因此焊接速度与所选择的焊接电流有交互作用，考虑到镁合金散热快的特点，必然有一部分能量要发生损耗，所以在焊接时要采用较大的焊接电流，并有较大的焊接速度与之相匹配。

图2-59和图2-60是研究者在采用焊接电流为90A、氩气流量为6L/min条件下提供的焊接速度对AM50与AZ31镁合金熔宽及熔深的影响分析。

由图2-59和图2-60可以看出，随着焊接速度的增大，焊缝的熔宽和熔深均有明显降低。这个结果与普通电弧焊接相类似，主要是因为在同一焊接电流下随着速度的增加，焊接热源在试件同一位置停留时间变短，试件无法充分吸收热量所致。同时，通过对比试验发现，当焊接速度大于8mm/s时，两种合金的成型性与焊接速度的变化趋势基本处于重合；而焊接速度小于8mm/s时，AM50焊缝的熔宽和熔深变化的趋势要更大一些，这也说明AM50的成型性易受到焊接速度的影响，对热源敏感性大。

下面考察氩气流量对焊接质量的影响。当氩气流量很小时，对熔池的保护作用很小，不能有效的保护熔池，在焊接高温下易形成氧化镁和氧化氮等高熔点杂质，使接头性能变坏；当氩气流量很大时，焊接过程中易产生紊流现象，使部分空气被卷入氩气中，降低氩气的纯度，致使焊接的保护效果减弱，焊缝表面被氧化。因此，焊接时应选择适中的氩气流量。

焊接接头抗拉强度与焊接电流的关系如图2-61所示。从图2-61可以看出，在焊接速度为6mm/s、气流量为7L/min条件下，AM50镁合金随着焊接电流的增大，试件的抗拉强度明显增加，但是当电流达到一定值后，抗拉强度开始减小。这是因为增大电流可以提高熔池的冷却速度，增加过冷度，使接头组织得到细化，晶界增多，有效地抑制了位错，所以抗拉强度提高。但根据研究者试验，当电流超过100A时，由于焊接接头产生过热，焊缝组织晶粒变得粗大，同时焊接熔池中的镁元素严重烧损，抗拉性能开始下降。

抗拉强度与焊接速度的关系如图2-62所示。从图中可以看出，在焊接电流为90A、氩气流量为6L/min条件下，当焊接速度小于7mm/s时，AM50镁合金的抗拉强度随着焊接速度的增加而逐渐增加，但是焊接速度超过7mm/s后，其焊接接头的抗拉强度明显下降。当焊接速度超过8mm/s时，焊接接头的抗拉强度急剧下降。所以，焊接时选择适当的焊接速度对焊缝组织的细化可以起到促进作用。但是当焊接速度过大时，可使焊接接头处产生熔合不良，造成焊接接头力学性能严重下降。在研究者给出的试验条件下，AM50镁合金母材的抗拉强度为236MPa，而焊接接头的抗拉强度稍低于母材，达到母材抗拉强度的72.1％。

研究断裂试验发现，试样断裂多发生在热影响区附近，分析认为这与热影响区的晶粒粗大和接头的应力集中等因素有关。影响焊接接头力学性能的主要原因有以下两个方面：

（1）焊接热输入。焊接热输入的变化必然影响到焊接接头组织的晶粒度和热影响区的宽度。当焊接热输入较大时，熔池中液态金属高温停留时间延长，接头晶粒严重长大，不利于焊缝力学性能的提高。另外，由于焊接热输入增大可能造成镁合金强化相脱溶析出，使之失去共格联系从而失去了强化作用。焊接热输入过小时，熔池中液态金属停留时间过短，易造成未焊透、咬边等焊接缺陷，也降低了接头的机械力学性能。

（2）镁合金的物理性质。由于镁的沸点较低（1100℃），随着热输入增加，液态金属在电弧高温停留时间长，镁元素的氧化、蒸发问题严重，因此影响焊接接头性能的提高。

因此，在焊接镁合金时，应注意选择合适的焊接规范，即保证在焊透的前提下，尽可能选择小的焊接热输入，提高焊接速度，改善焊接接头质量。

从研究者对焊接接头硬度的分析看（见表2-24），AM50镁合金焊接接头的最大硬度出现在母材上，焊缝和热影响区的硬度略低于母材。这种焊接接头的“不等强性”，说明焊接接头发生了某种程度的软化。研究还发现，当热输入减小时，接头处各部位硬度均有所增加。根据有关文献对镁合金焊接接头硬度与平均晶粒直径的关系的研究，发现接头硬度与其平均晶粒直径的平方根成反比。因此，随着热输入的降低，接头各部位的晶粒变细，硬度增加。

综合焊接工艺参数对焊缝成型性和力学性能两方面的因素，研究者确定的最佳焊接规范见表2-25。其中喷嘴直径、钨极直径由母材厚度决定。为了充分发挥交流TIG焊的阴极雾化作用，电弧长度应控制在3mm以下。