九、如何采用TIG焊进行AZ91镁合金焊接？

AZ91镁合金是商业应用最广泛的镁合金之一，其铸态组织由α-Mg基体和非平衡结晶导致的离异共晶β-Mg17Al12相组成。目前，对于AZ91镁合金的研究大多集中在压铸工艺及随后的固溶和时效处理上，而关于AZ91镁合金板材焊接的研究非常少。为了研究AZ91镁合金焊接接头的组织及力学行为，某高校科研人员以供货状态轧制成型的AZ91板材作为母材，采用TIG焊接方法对其5mm×65mm×100mm的试件进行了双面焊接。焊接前，试件开V型坡口，选用规格为2.5mm的焊丝，焊丝化学成分与母材相同，具体成分见表2-20。AZ91板材抗拉强度为280MPa，断后伸长率为8％。

表2-20　AZ91镁合金的化学成分

在镁合金的TIG焊中采用交流电源，半自动焊接，手动送丝，以充分利用交流电源对氧化膜的“阴极破碎”作用。焊接功率的选择根据研究者先期焊接试验所得出的规律，试验过程中固定氩气流量为12L/min，钨极直径为2mm，喷嘴直径为10mm，焊接速度为70cm/min。为了保证焊接质量，焊前应仔细去除焊件表面氧化膜及杂质，以使焊接过程顺利进行，并使分离的母材形成完整的接头。

在焊接过程中，焊接电流是工艺参数中最重要的参数之一，焊接电流主要取决于钨极的种类和规格，还与被焊工件的厚度有关。其他工艺参数的不变情况下，不同焊接电流焊接的焊缝成型情况如图2-49所示。从图2-49中可以看出，当焊接电流为90A时，焊缝表面成型不良，局部出现凸起现象；当焊接电流为100A时，焊缝表面波纹整齐平直，形成鱼鳞状波纹连续且均匀，没有出现凸起与咬边等明显焊接缺陷；当焊接电流为130A时，焊接接头出现轻微变形，焊道两侧出现咬边，局部表面焊缝区域出现下塌现象。以上现象的产生主要与焊接过程中采用的焊接电流大小有关。焊接电流大小不同，焊接接头获得的热能不同。焊接过程中，当焊接电流较小时，焊接设备提供给焊接过程的热量小，能量不集中，电弧发散，电弧对焊丝的熔化效果不好。焊接提供的热能小，焊丝以较大的熔滴形式向熔池过渡，造成焊丝的熔敷不连续，导致试件不容易被焊透，焊缝成型性较差。而当焊接电流增大后，焊丝熔化的熔滴可被钨极表面的高能量和较大的电弧力打散，以细小的熔滴向熔池过渡，焊缝表面成型会得到改善；随着焊接电流的继续增加，焊接热输入增大；当焊接电流过大时，焊接接头就会出现变形和焊缝下塌的现象。

图2-49　不同焊接电流下焊缝的成型

焊接电流与焊接接头显微组织形貌如图2-50所示。AZ91镁合金焊缝在不同焊接电流作用下，焊缝组织由初生相α-Mg及第二相α-Mg与β-Al12Mg17共晶体组成。焊接电流对焊缝组织具有明显的影响。当焊接电流较小时，焊接接头的组织较细小，如图2-50（a）、（b）所示；当焊接电流增大时，焊接接头的显微组织呈现出粗化的趋势，而且焊接电流越大，焊接接头的显微组织粗化的趋势越明显，如图2-50（c）、（d）所示。出现焊接接头显微组织粗化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，而且根据镁合金相图可知，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晶粒的长大。

图2-50　不同焊接电流焊缝的微观组织

焊接电流为100A时，焊缝区X射线衍射谱如图2-51所示。从图2-51中可以看出，焊缝的相组成主要为α-Mg固溶体和β-Al12Mg17金属间化合物，β-Al12Mg17金属间化合物衍射峰较弱，说明焊缝是由大量的α-Mg和少量的β-Al12Mg17组成的。X射线衍射分析与研究者实际焊接情况基本相符，AZ91镁合金中Al元素的含量为9％（质量分数）左右，大部分Al原子都溶入基体镁中形成α-Mg固溶体，只有随温度降低才有少量β-Al12Mg17析出。

图2-51　焊缝区X射线衍射谱（焊接电流100A）

抗拉强度作为材料的一个基本力学性能指标，可以衡量材料在使用过程中所能承受的外力情况。AZ91镁合金焊接接头的拉伸性能随焊接电流的变化曲线如图2-52所示。从图2-52（a）中可以看出，随着焊接电流的提高，接头处的抗拉强度也随之增大，并在焊接电流为100A时达到最大值（252MPa），但随着焊接电流的进一步增加，接头的抗拉强度反而减小。图2-52（b）为焊接接头断后伸长率及断面收缩率随焊接电流的变化曲线，与抗拉强度的变化规律相似，都是随着焊接电流的增大呈现出先增大后减小的趋势。这是由于，当焊接电流较小（90A）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，但是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，进而使镁合金焊接接头的抗拉强度降低。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溶入镁基体内部，使得晶界强化和固溶强化得到良好的匹配，进而抗拉强度达到最佳。但是焊接电流过大时，焊接接头的拉伸性能反而变差。其原因：一方面，焊接电流过大，热输入大，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，这也对焊接接头性能产生不良影响。

图2-52　拉伸性能随焊接电流变化曲线

焊接电流为130A时焊缝处裂纹断口形貌如图2-53所示。由图2-53可见，断口上密排着枝晶端头颗粒状凸起，表面上覆盖着很薄的连续分布的薄膜，液态薄膜沿晶界分布。根据有关研究，焊接电流对裂纹产生的影响主要是随着焊接电流的增加，焊接热输入增加，焊缝金属的冷却速度降低，α-Mg晶粒粗化，促进了Al、Zn、Mn等元素在晶界处的偏析，进一步降低了晶间液态膜的熔点。研究者的EDS分析表明，金属桥上的小褶皱的Al、Zn和Mn元素含量分别为8.74％、1.02％和0.89％，均高于焊缝金属平均的Al、Zn和Mn元素含量，见表2-21。因此，过大的焊接电流增加了焊缝结晶裂纹的敏感性。

表2-21　EDS化学成分分析的结果

图2-53　AZ91镁合金焊缝裂纹的断口形貌（焊接电流130A）

理论分析与实践表明，对于AZ91镁合金的焊接，在确保焊缝成型良好的情况下，尽量选择小的焊接电流。否则，随着焊接电流的增加，焊缝的晶粒逐渐粗化，并且使接头合金元素烧损严重，导致接头的力学性能降低。同时焊接电流过大也会增加焊缝热裂纹的敏感性。

采用TIG焊进行AZ91镁合金焊接时，只要焊接电流合适（如本例中的100A），可以使焊缝成型好，可以使焊接接头的抗拉强度达到252MPa（约为母材抗拉强度的85％），断后伸长率达到6.9％，断面收缩率达到15.2％，可以使焊接接头力学性能满足使用性能要求。