管曉光, 王淑花, 李 航, 李 冬, 蓋志宏

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.慶安交通運(yùn)輸局 慶安 152400； 3.浙江省慈溪市匯麗機(jī)電股份有限公司, 浙江 慈溪 315333)

0 引 言

鎂合金作為21世紀(jì)最具潛力的綠色工程材料，具有比強(qiáng)度高、電磁屏蔽性好等優(yōu)勢，在航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但稀土鎂合金塑性成形、焊接性較差，存在晶粒粗大、裂紋等問題，成為制約鎂合金焊接構(gòu)件生產(chǎn)的技術(shù)難題。鎂合金的焊接尤以焊補(bǔ)問題最為突出。有研究表明，熱處理可以有效提高焊接接頭的質(zhì)量[1-2]。從國內(nèi)外研究[3-7]來看，研究多集中在焊接裂紋或殘余應(yīng)力分析、稀土鎂合金復(fù)合材料制備工藝、多角度擠壓方式、軋制工藝變化、位錯(cuò)誘導(dǎo)等對稀土鎂合金組織和塑性性能的作用機(jī)制等方面。筆者以有代表性的稀土鎂合金WE43A為研究對象，研究焊前預(yù)處理對WE43A鎂合金TIG焊法焊補(bǔ)接頭組織及性能的影響，為稀土鎂合金焊接及其批量化生產(chǎn)提供一定的借鑒依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

母材WE43A鑄造稀土鎂合金及焊絲的化學(xué)成分見表1。焊接時(shí)使用直徑φ為6 mm的WE43A焊絲，其化學(xué)成分與母材相同。

表1 WE43A鑄造稀土鎂合金化學(xué)成份

將WE43A鎂合金鑄錠銑成100 mm×55 mm×6 mm的試樣，共12塊,刨孔后施焊，刨孔如圖1所示。

圖1 刨孔尺寸Fig. 1 Schamatic dimensions of digging up holes

焊前熱處理工藝如圖2所示，分未預(yù)處理、預(yù)熱、預(yù)熱+T4、預(yù)熱+T6四種，選用鎢極氬弧焊焊接。工藝參數(shù)：焊接電流200 A，焊接速度8 mm/s，氬氣流量14 L/min。經(jīng)過預(yù)處理的焊件，自下而上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)快速一次性補(bǔ)焊。

圖2 預(yù)處理工藝Fig. 2 Schematic of pretreatment processes

2 結(jié)果與分析

補(bǔ)焊后發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行預(yù)處理的200 A下WE43A焊補(bǔ)出現(xiàn)少量裂紋。圖3為焊接電流為200 A時(shí)焊補(bǔ)接頭焊縫區(qū)的X射線衍射分布曲線。由圖3可知，WE43A鎂合金TIG焊接接頭物相為α-Mg固溶體和Mg41Nd5、Mg12Y5等析出相。

圖3 焊縫區(qū)的X射線衍射分布曲線Fig. 3 X-ray distribution curve of weld zone

2.1 預(yù)處理對顯微組織的影響

WE43A鎂合金鑄件母材顯微組織如圖4所示。其組織為等軸晶，平均晶粒尺寸大約為60 μm。由圖4可以看出，顯微組織中顏色較深的為基體α-Mg，沿晶界分布的亮色部分為合金凝固過程中形成的二次相Mg41Nd5，在晶界內(nèi)部呈細(xì)顆粒狀分布Mg12Y5。

圖4 WE43A母材顯微組織Fig. 4 Microstructure of WE43A base metal

不同預(yù)處理工藝下的WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭的焊縫區(qū)和熔合區(qū)的顯微組織如圖5、6所示。

圖5 不同焊前預(yù)處理方式的焊縫區(qū)顯微組織Fig. 5 Microstructure of weld zone under different pretreatment methods before repair welding

由圖5可知，焊縫區(qū)處的晶粒由等軸晶組成。其中，預(yù)熱+T6處理的焊縫區(qū)的組織最為細(xì)小，最細(xì)可達(dá)42 μm。分析原因是經(jīng)過預(yù)處理的鑄件組織變得更為均勻，補(bǔ)焊時(shí)的溫度差變小，去除了部分熱應(yīng)力，經(jīng)T4或T6處理，析出物變多，釘扎作用加強(qiáng)。在補(bǔ)焊焊接過程中，Mg合金自身有熱傳導(dǎo)速度快，母材吸收大量的熱而熔化，促進(jìn)了焊縫區(qū)金屬的快速凝固結(jié)晶，二者共同作用促進(jìn)異質(zhì)形核顆粒增多，加之高熔點(diǎn)的稀土化合物析出釘扎作用促進(jìn)了晶粒細(xì)化。由圖6可知，與焊縫區(qū)相比，熱影響區(qū)晶粒粗大且較寬，這是鎂合金的熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱快、熱量不斷向母材傳遞，促使熱影響組織熱量過多，稀土化合物對晶界的釘扎作用降低，晶粒變得粗大。由于不同預(yù)處理工藝的作用，其對焊縫區(qū)與熔合區(qū)的作用和影響趨勢類似。

圖6 不同焊前預(yù)處理方式的熔合區(qū)顯微組織Fig. 6 Microstructure of fusion zone under different pretreatment methods before repair welding

2.2 預(yù)處理對顯微硬度的影響

圖7為不同預(yù)處理對WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭顯微硬度的影響。由圖7可知，焊補(bǔ)接頭焊縫區(qū)顯微硬度最高、熱影響區(qū)最低。分析原因是焊補(bǔ)過程中冷卻速度極快，異質(zhì)形核顆粒增多，促使晶粒細(xì)化，加之冷卻過程中Y、Nd等稀化合物的釘扎和Zr的異質(zhì)形核的共同作用促使晶粒細(xì)化和強(qiáng)化，使焊縫區(qū)硬度值高于母材。熱影響區(qū)過大的熱輸入，晶粒粗化，彌散強(qiáng)化作用很弱，基體α-Mg質(zhì)軟，導(dǎo)致該區(qū)域顯微硬度值最低。其組織變化從圖5、圖6焊縫區(qū)及熔合區(qū)顯微形貌可以得到證實(shí)。

圖7 不同預(yù)處理方式的補(bǔ)焊接頭顯微硬度曲線Fig. 7 Microhardness curves of repair welding joints under different pretreatment methods

與未進(jìn)行預(yù)處理焊補(bǔ)接頭相比，預(yù)處理工藝不同時(shí)，焊補(bǔ)接頭中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力以及變形能。變形能量的輸入促使基體中產(chǎn)生亞晶組織，細(xì)化晶粒。部分變形能促使焊接接頭內(nèi)能升高，處于亞穩(wěn)定態(tài)，促使第二相粒子必然沿著位錯(cuò)線及晶界析出，促使顯微硬度大于未進(jìn)行預(yù)處理的焊補(bǔ)接頭。從焊縫區(qū)顯微硬度變化來看，預(yù)熱+T6處理WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭顯微硬度最高達(dá)870 MPa，未處理的WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭顯微硬度最低為600 MPa，預(yù)熱+T4的WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭顯微硬度和預(yù)熱處理的WE43A鑄件補(bǔ)焊接頭顯微硬度都好于未預(yù)處理的WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭顯微硬度。預(yù)熱+T4處理的要高于WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭的顯微硬度。可能原因是，不同預(yù)處理工藝促使晶界或晶內(nèi)第二相粒子的析出逐漸變多，組織更加均勻所致。從圖5、圖6熔合區(qū)未預(yù)處理、預(yù)熱、預(yù)熱+T4和預(yù)熱+T6的鑄件焊補(bǔ)接頭的顯微組織也進(jìn)一步證實(shí)了這點(diǎn)。因此，預(yù)處理工藝為預(yù)熱+T6時(shí)，焊補(bǔ)接頭各區(qū)域的顯微硬度較其他工藝有所提升，預(yù)處理工藝較為理想。

2.3 預(yù)處理對熱裂紋傾向的影響

圖8為盲孔法貼應(yīng)力片測試補(bǔ)焊電流為200 A時(shí)不同預(yù)處理工藝對WE43A鑄件焊補(bǔ)接頭焊縫區(qū)頭殘余應(yīng)力的影響。由圖8可知，與未進(jìn)行預(yù)處理的焊補(bǔ)件的殘余應(yīng)力σ相比，經(jīng)預(yù)處理之后，焊縫中心區(qū)殘余應(yīng)力均有不同程度的降低。這說明焊前預(yù)處理確實(shí)可以減少焊補(bǔ)接頭的焊后殘余應(yīng)力。預(yù)熱+T6處理的試件殘余應(yīng)力值最低達(dá)40 MPa。

圖8 不同預(yù)處理下的焊補(bǔ)接頭焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力曲線Fig. 8 Residual stress curves in weld zone of repair welding joints under different pretreatment methods

圖9為未預(yù)處理WE43A焊補(bǔ)件裂紋附近線掃結(jié)果。從不同預(yù)處理的焊補(bǔ)件看，發(fā)現(xiàn)200 A電流下未預(yù)處理的焊補(bǔ)件出現(xiàn)少量裂紋。可能是未進(jìn)行預(yù)處理，鎂合金的冷卻過程中組織不均勻性提高，不連續(xù)的網(wǎng)狀析出物Mg41Nd5沿晶界析出不均勻，促使塑形降低，低熔點(diǎn)共晶相仍處于液態(tài)且存在時(shí)間較其他預(yù)處理時(shí)間長，在拉應(yīng)力的作用下液膜收縮受到抑制，其它液相來不及補(bǔ)充，液相凝固產(chǎn)生了熱裂紋。未進(jìn)行焊前預(yù)處理的焊補(bǔ)件組織不均勻，出現(xiàn)的二次析出物較多，殘余應(yīng)力比其他預(yù)處理大，從而出現(xiàn)熱裂紋傾向最大，因此未預(yù)處理件最容易產(chǎn)生裂紋。

圖9 未預(yù)處理WE43A焊補(bǔ)件裂紋附近線掃Fig. 9 Line scan nearby WE43A repair welding cracking under no pretreatment

由圖9的線掃，結(jié)合圖5和圖6，焊縫區(qū)和熔合區(qū)的顯微組織進(jìn)一步證實(shí)了焊補(bǔ)時(shí)未預(yù)處理出現(xiàn)焊補(bǔ)接裂紋的原因。其他有預(yù)處理工藝的組織分布相對均勻，晶粒內(nèi)部和晶界的二次析出物相對均勻，單位體積內(nèi)的低熔點(diǎn)共晶物相對含量少，加之殘余應(yīng)力小，因此焊補(bǔ)件未出現(xiàn)裂紋。

3 結(jié) 論

(1)焊前預(yù)熱+T6處理可以有效細(xì)化WE43A鑄造稀土鎂合金焊補(bǔ)接頭組織。其焊縫區(qū)晶粒尺寸約為42 μm，焊縫區(qū)細(xì)化率約為30%，還可有效減少焊接殘余應(yīng)力，最低殘余應(yīng)力約為40 MPa。

(2)未進(jìn)行焊前熱處理WE43A鑄造稀土鎂合金焊補(bǔ)試件，焊后殘余應(yīng)力最大可達(dá)65 MPa，產(chǎn)生焊接裂紋的傾向最大。

(3)采用TIG焊方法，選用WE43A焊絲，在200 A焊接電流下對WE43A鎂合金鑄件進(jìn)行補(bǔ)焊，焊前進(jìn)行150 ℃預(yù)熱1 h+T6熱處理(250℃固溶4 h后淬火250 ℃人工時(shí)效8 h)，產(chǎn)生焊補(bǔ)裂紋傾向小，預(yù)處理工藝最優(yōu)。