李 銅，羅 怡

(1. 西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；2. 重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054)

鎂合金具有密度小、比強度高、重復利用性強等優(yōu)點，被廣泛地應用于航空航天、 交通工具、機械設備等眾多領域[1]。特別是在汽車制造業(yè)中，鎂合金、鋁合金等輕質結構材料能夠滿足日益嚴格的節(jié)能減排要求，可生產出質量輕、耗油少、環(huán)保型的新型汽車[2-3]。電阻點焊是汽車生產制造過程中應用較多的焊接方法之一[4]。選用合適的焊接電流、電極壓力、焊接時間等點焊工藝參數對鎂合金薄板進行電阻點焊，焊點的綜合性能能夠達到要求，甚至超過某些鋁合金[5]。經過合理調整工藝，可以防止個別試件中裂紋、飛濺缺陷的產生，得到高質量的焊點，使鎂合金取代鋁合金在汽車工業(yè)中應用成為可能[6-8]。

本文主要研究AZ31B 鎂合金薄板材料電阻點焊的熔核成形、熔核組織和力學性能特征，進而評估分析鎂合金電阻點焊的焊點質量及其焊接工藝效果，為工藝優(yōu)化及應用開發(fā)提供參考。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料及焊接設備

試驗采用的材料是 2 mm 厚的 AZ31B 鎂合金板材，其主要合金元素包括 Al、Zn 等，合金元素成分如表 1 所示。材料被加工 成 70 mm×20 mm 的尺寸規(guī)格，并采用搭接的方式進行焊接，搭接長度為 25 mm，如圖 1 所示。

采用的焊接設備為 100 kVA 的交流電阻點焊機，焊接電極為 CrZrCu 水冷電極，上 下電極端面均加工成錐形，其端面直徑 8 mm。采用 SANS CM75105 拉伸試驗機進行焊點承載強度拉伸測試。

表1 AZ31B 鎂合金的合金元素質量分數 %

圖1 材料加工規(guī)格及焊接方式

1.2 焊接工藝

對于電阻點焊工藝，主要工藝參數有焊接電流、焊接時間和電極壓力，而焊接電流為影響焊接的主要因素。實驗中，保持焊接時間為8周波，電極壓力為0.1 MPa，改變焊接電流大小， 使焊接電流分別為16 、18 、20 、22、24 kA遞增，以獲得不同的焊接效果。

2 實驗結果及分析

2.1 熔核成形

電阻點焊過程中產生的熔核成形在很大程度上決定焊點在受力結構中的有效承載面積。圖 2 是焊接電流分別為16 kA和20 kA 時獲得的熔核截面宏觀形貌?？梢钥闯?，焊接電流的大小對熔核成形有顯著影響，大焊接電流下能夠獲得更大的熔核，從而增大焊點的承載面積。

焊接電流對熔核成形的影響如圖3所示。圖3(a)為焊接電流變化對熔核直徑的影響，圖 3(b) 為焊接電流變化對熔核高度的影響。顯然， 隨著焊接電流由16 kA增大到20 kA，熔核直徑和熔核高度也隨之增大，這也意味著焊接電流的增大可以使材料獲得更大的熔透，從而使形成的焊點承載能力得以顯著提高。

圖2 熔核宏觀形貌

(a)熔核直徑

(b)熔核高度

2.2 金相分析

熔核的微觀組織結構是決定焊點承載能力的重要因素。圖 4 為熔核微觀組織，其中圖 4(a)為熔核邊沿從母材到熔核中心的組織演變?？梢钥闯?，由于焊接接頭中不同部位過冷度的不同，電阻點焊 AZ31B 鎂合金得到的焊接接頭組織由母材到熔核中心，其組織演變進程為平面晶—胞狀晶—胞狀樹枝晶—等軸樹枝晶。

圖 4(b)和圖 4(c)為熔核中心等軸樹枝晶的分布及其形貌。熔核的凝固組織形態(tài)主要取決于合金中溶質的溶度、結晶速度和液相中溫度梯度的綜合作用。鎂合金質軟，在電極壓力的作用下容易發(fā)生變形，使通過電極的散熱量增大。另外，熔核金屬與周圍金屬的緊密接觸同樣提高了散熱速度，鎂合金的導熱性又很好，因此焊點降溫速度極快，使得在熔核中心液相中的溫度梯度很小，形成成分過冷區(qū)，結晶形核速率比長大速度更強烈地依賴于過冷度，再加上焊點在壓力狀態(tài)下結晶，進一步提高了均質形核率和異質形核率，使液態(tài)金屬中形成大量的晶核，晶粒沿各個方向長大的速率相差不多， 最終形成熔核區(qū)大小均勻的單一等軸晶組織。熔核中大量分布等軸樹枝晶，有利于熔核獲得較好的綜合力學性能。

(a)熔核邊沿

(b)熔核中心

(c)熔核中心等軸樹枝晶

2.3 掃描電鏡分析

用掃描電鏡和能譜分析對熔核中的組織形貌和析出相進行分析。圖 5 為熔核中的晶界形貌及能譜分析，得到的成分組織如表2 所示?？梢钥闯觯珹Z31B 鎂合金熔核的晶界上主要析出Mg固溶體以及分布Mg-Al 二元合金相Mg17Al12和三元合金相 Mg17(Al,Zn)12。其在熔核中的分布均勻彌散， 因此有一定的晶間強化作用。

除了晶界析出相以外，在熔核中也分布有一些形狀比較規(guī)則的析出相。掃描電鏡和能譜分析如圖 6 所示，得到的成分組織如表3所示?？梢钥闯?，這種形狀較為規(guī)則的析出相中 Mg 元素的質量百分比僅為 10.49%，Al 元素和 Mn 元素的質量百分比相對較高，尤其是 Mn 元素；因此， 形狀較為規(guī)則的析出相為富Mn 相，相對于晶界，其尺寸較大，但在熔核中的分布較少。

(a)析出相形貌

(b)能譜分析

表2 成分組成的能譜分析 %

(a)析出相形貌

(b)能譜分析

表3 成分組成的能譜分析 %

2.4 力學性能

由于焊接電流大小不同，在熔核形核以及冷卻過程中獲得的加熱和冷卻效果不同，從而形成不同的熱循環(huán)特征。這種傳熱 特征的不同，也會體現在熔核內部力學性能 上。在熔核中沿高度方向在熔核中部二分之 一處測試熔核中的硬度分布，分別對焊接電 流為16 kA時得到的熔核和焊接電流為20 kA 時得到的熔核進行測試，如圖 7 所 示。可以看出，較大焊接電流下得到的熔核 在熔核邊緣有較為明顯的軟化現象，且熔核內部硬度略低于較小焊接電流下獲得的熔 核。這與不同焊接電流下產生的焊接熱量大小，以及冷卻速度快慢應該有密切關系。大 焊接電流產生的焊接熱量多，冷卻速度慢； 而小焊接電流下產生的焊接熱量相對較少， 冷卻速度更快。因此，產生圖7所示的硬度分布規(guī)律。

當然，綜合上述因素看來，當焊接電流在實驗范圍 16 ～24 kA 內，較大焊接電流可以生成更大的熔核，有利于顯著增大焊點的有效承載面積。圖 8 顯示了不同焊接電流對熔核承載強度的影響，顯然，焊接電流越大，獲得的焊點承載強度更高，這也充分證明了上述問題。

圖7 熔核顯微硬度對比

圖8 焊接電流對熔核承載強度的影響

3 結論

1)對于 AZ31B 鎂合金的電阻點焊，較大的焊接電流可以使熔核直徑、熔核高度以及有效承載面積得以顯著提升。

2)焊接接頭由母材到熔核中心，其組織演變進程為平面晶—胞狀晶—胞狀樹枝晶—等軸樹枝晶。熔核內部以等軸樹枝晶分布為主，晶間分布強化相。

3)當焊接電流較大時，熔核邊緣出現較為明顯的軟化現象，熔核內部硬度也略為降低；當焊接電流在實驗范圍16 ～24 kA 以內，在熔核成形以及內部組織兩方面因素作用下，較大的焊接電流可以獲得更高的焊點承載強度，從而使焊點質量得以提升。

[1]張曉宏, 蔡智鵬, 吳甦, 等. 鎂合金 AZ31B 的 電阻點焊[J]. 焊接, 2003 (10): 20.

[2]程方杰, 單平, 廉金瑞, 等. 鋁合金電阻點焊的形核特點[J]. 焊接學報, 2003, 24(2): 35-39.

[3]廉金瑞, 程方杰, 單平，等. 鋁合金直流點焊焊接參數對焊點性能的影響 [J]. 汽車技術 ,2001(2): 25-27.

[4]朱正行,嚴向明,王敏.電阻焊技術[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2000：49-55.

[5]王亞榮,張忠典,馮吉才. AZ31B 鎂合金交流電阻點焊接頭的力學性能及顯微組織分析[J]. 機械工程學報, 2004, 40(5): 131-134.

[6]王亞榮, 張忠典. 鎂合金電阻點焊接頭中的缺 陷[J]. 焊接學報, 2006, 27(7): 9-13.

[7]王亞榮, 張忠典, 馮吉才, 等. 交流點焊工藝參數對AZ31B 鎂合金接頭性能的影響[J]. 焊接,2003(7): 18-20.

[8]陳昌華，劉曉烈，孫立喜，等.電解液濃度對鎂合金陽極氧化膜層硬度的影響[J].西華大學學報：自然科學版，2008，27(2)：86-88.