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镁合金/ 不锈钢钨极氩弧焊熔钎焊接头结合界面 微观组织分析 ① 孔令明, 杜双明, 韩 赟, 刘晓庆 (西安科技大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710054) 摘 要 以黄铜为中间层,采用钨极氩弧焊对 AZ31B 镁合金和 304 不锈钢进行搭接熔钎焊,观察分析了接头结合界面处的显微组 织,并测定了元素分布。 结果表明,在交流电流 70 A、气流量 15 L/ min、焊接速度 1.5 mm/ s 的条件下,实现了镁合金和不锈钢的搭 接熔钎焊。 结合界面由铺展区、缩裂区和氧化区 3 部分组成。 在铺展区,镁合金在不锈钢表面润湿铺展良好,形成有效的连接,结 合力最强;在缩裂区,部分位置有收缩形成的缝隙,削弱了界面结合力,结合力低于铺展区;在氧化区,镁合金被氧化,只与不锈钢的 表面形成微弱的连接,结合力最弱。 添加黄铜夹层,增强了镁合金在不锈钢表面的润湿铺展,增加了铺展区的长度,从而增加了界 面结合力。 关键词 钨极氩弧焊; 熔钎焊; 异种金属; 焊接; 镁合金; 不锈钢; 结合界面; 显微组织 中图分类号 TG454文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.05.028 文章编号 0253-6099(2017)05-0118-04 Analysis of Interface Microstructure of TIG Brazing Joint of Magnesium Alloy and Stainless Steel KONG Ling⁃ming, DU Shuang⁃ming, HAN Yun, LIU Xiao⁃qing (College of Materials Science and Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, Shaanxi, China) Abstract The TIG brazing of lap⁃jointed AZ31B magnesium alloy and 304 stainless steel was conducted with brass as an interlayer. The microstructure of the joint interface was observed and analyzed. The distribution of elements was determined. Results showed that magnesium alloy was brazed with stainless steel by TIG welding under the conditions including alternating current of 70 A, gas flow of 15 L/ min and welding speed of 1.5 mm/ s. The bonding interface consisted of three parts, spreading, shrinkage and oxidation zones. In the spreading zone, magnesium alloy had better wet spreading on the surface of the stainless steel, forming an effective connection with the strongest bonding force. In the shrinkage zone, cracks formed due to shrinkage at some positions, resulting in the weakened interface bonding strength, lower than that in the spreading zone. In the oxidation zone, magnesium alloy was oxidized, resulting in a weak connection with the stainless steel surface due to the weakest bonding force. An addition of brass interlayer enhanced the wet spreading of the magnesium alloy on the stainless steel surface, which increased the length of the spreading zone, thereby increased the interface bonding strength. Key words TIG welding; brazing; dissimilar metal; welding; magnesium alloy; stainless steel; bonding interface; microstructure 镁合金具有比强度高、能量衰减系数大等优点,在 汽车工业上的应用增速远远超过其他金属材料。 镁及 其合金可用作汽车、飞机的多个部位零件的制造材 料[1]。 钢铁材料以其一系列优良性能,如力学性能、 焊接性、热稳定性等,在现代工业领域的使用比例和应 用地位仍然是其它材料无法比拟的[2-3]。 镁合金和不 锈钢焊接,对解决汽车等轻量化问题有很大帮助,因 此,镁/ 钢异种金属焊接研究在工程实用及理论研究层 面都有重要意义[4]。 镁和钢的焊接难度很大,熔点、 沸点差距大,钢的熔点高于镁的沸点,而且晶格类型不 同,冶金相容性差,液态下极难互溶[5]。 钨极氩弧焊(TIG)在机械制造业中应用广泛,其 ①收稿日期 2017-04-23 作者简介 孔令明(1988-),男,山东德州人,硕士研究生,主要研究方向为镁异种金属熔钎焊。 通讯作者 杜双明(1963-),男,陕西渭南人,教授,博士,主要研究方向为镁异种金属焊接。 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №5 October 2017 ChaoXing 设备简单、操作方便、易于量化生产[6]。 由于无法实 现镁钢的互溶,故利用镁合金的熔化润湿铺展于不锈 钢表面,从而实现镁/ 钢异种金属的连接。 研究表明, Cu 元素可以增强熔融镁在钢表面的润湿性[7]。 基于 此,本文在未添加夹层及添加 H62 黄铜片夹层两种情 况下,对 AZ31B 镁合金板和 304 不锈钢板进行 TIG 搭 接熔钎焊,研究镁合金/ 不锈钢接头结合界面的显微组 织并分析其界面结合力。 1 实 验 1.1 实验材料 实验所用 2 种母材分别为 3 mm 厚的 AZ31B 镁合 金板和 3 mm 厚的 304 不锈钢板,利用线切割加工为 100 mm 40 mm 的样板。 夹层 H62 黄铜的厚度0.3 mm。 母材及夹层化学成分分别见表 1~3。 表 1 AZ31B 镁合金化学成分(质量分数) / % AlZnMnSiMg 2.5~3.50.5~1.50.2~0.5≤0.1余量 表 2 304 不锈钢化学成分(质量分数) / % CrMnNiCFe 16.59.50.30.05余量 表 3 H62 黄铜化学成分(质量分数) / % CuFePbSbZn 60.5~63.50.150.080.005余量 1.2 实验设备及方法 实验设备为 YC-300WX 型钨极氩弧焊机,焊枪气 嘴内径 10 mm,钨极直径 3 mm。 焊前对镁合金板、不锈 钢板和黄铜片表面清理打磨,然后用丙酮或酒精清洗后 待用。 经前期实验优化,获得了最佳的工艺参数如下 搭接,交流电流 70 A,高纯氩气气流量 15 L/ min,钨极 端部磨成锥形,尖端磨钝,钨极与工件夹角 60 ~70, 焊接速度 1.5 mm/ s。 焊接形式如图 1 所示。 H62黄铜夹层 3 mm 20 mm20 mm20 mm 304不锈钢 AZ31B 3 mm 3 mm 2~3 mm 图 1 镁/ 钢 TIG 熔钎焊示意 焊后用线切割的方法截取接头处 20 mm 20 mm 的试样,制备金相试样,采用扫描电镜和能谱观察分析 显微组织及元素分布。 2 实验结果及分析 2.1 焊接接头横截面宏观形貌 试样焊接前后对比如图 2 所示。 图 2(a)中阴影部 分为焊接受热熔化区域,焊接时,焊枪火焰对此处加热, 使镁合金及黄铜熔化而后凝固形成焊缝,如图 2(b)中 阴影部分所示。 焊接熔化区 焊缝熔池区 a b Ⅰ ⅡⅢ 图 2 焊接前后对比示意 (a) 焊接前; (b) 焊接后 焊接接头横截面宏观形貌如图 3~4 所示。 镁合 金与不锈钢的结合界面根据其形成过程大致分为 3 个 区域Ⅰ区为镁合金在不锈钢表面润湿铺展形成的铺 展区;Ⅱ区在焊枪正下方,熔化的镁合金直接在不锈钢 表面铺展,由于正对气嘴,此处不锈钢的瞬间温度最 高,而且焊缝厚度较大,冷却收缩程度较大,易形成裂 纹,称该区域为缩裂区;Ⅲ区由于镁板和钢板间的缝隙 与空气连通,使熔融合金接触少量空气而部分氧化,称 该区域为氧化区。 图 3 未添加夹层的接头横截面宏观形貌 图 4 添加黄铜夹层的接头横截面宏观形貌 对比图 3 和图 4 可以发现,未添加夹层形成的接 头高而短,添加黄铜夹层的接头长而薄。 2 种情况下 结合界面处Ⅱ区和Ⅲ区的长度基本相等,但由于铜增 加了镁合金在不锈钢表面的润湿,使熔融镁合金在不 锈钢表面铺展长度增加,因此添加黄铜夹层时Ⅰ区长 度明显增加。 2.2 铺展区显微组织及元素分析 图 5 为添加黄铜夹层的镁/ 钢焊接接头结合界面 911第 5 期孔令明等 镁合金/ 不锈钢钨极氩弧焊熔钎焊接头结合界面微观组织分析 ChaoXing 铺展区的显微组织形貌及相应的元素线扫描分析。 由 图 5(a)可以看出,镁合金与不锈钢的结合界面处组织 致密,镁合金熔体能够较好地润湿铺展于不锈钢的表 面。 由图 5(b)可以看出,不锈钢母材基本无变化,镁 合金一侧形成了新组织,新组织主要由镁、铝、铜、锌 4 种元素组成。 图 5 铺展区显微组织及元素线扫描 图 6 为图 5(a)中 A 区域放大图。 由图 6 可以看 出,不锈钢表面凹凸不平,被新合金填充,像爪子一样 使两种金属牢牢抓在一起。 这种互相咬合的附着结构 有利于提高镁/ 钢界面的结合强度。 图 6 图 5(a)中 A 区域放大图 铺展区元素点扫描数据见表 4。 根据图 5(b)结 合界面处元素峰值及图 6、表 4(点 1、2)分析可知,结 合界面处铝元素和铜元素较多,铜的存在增加了镁合 金在钢表面的润湿铺展,对增强界面结合力有重要影 响,铝易和钢结合生成化合物,增强了界面结合强度。 表 4 铺展区元素点扫描数据(质量分数) / % 位置MgAlCuZnFeCrMn 14.4919.720.940.9455.6811.796.44 239.5922.7424.246.344.781.071.14 337.2813.4135.3213.99 497.050.720.202.03 2.3 缩裂区微观组织及元素分析 图 7 为添加黄铜夹层的镁/ 钢焊接接头结合界面 缩裂区的显微组织形貌及相应元素线扫描分析。 由图 7(a)可以看出,结合界面处镁/ 钢之间形成一层大颗 粒组织,此区域的镁合金与不锈钢结合界面处部分位 置有缝隙,结合不紧密。 图 7 缩裂区显微组织及元素线扫描 图 8 为图 7(a)中 B 区域放大图,缩裂区元素点扫 描数据见表 5。 由图 8 可以清晰地看出结合界面处的 缝隙。 由图 7(b)、图 8 及表 5(点 1、2、3)元素分布情 况分析,该区域主要由镁、铝、铜、锌 4 种元素组成, 结合面处形成粗大组织。 由图 4 观察,该区域焊缝厚 度大于铺展区,又因此处焊接温度高,故熔池冷却时收 缩量大于铺展区,导致冷却后部分位置同不锈钢表 面分离。 由于裂缝的存在,使此区的结合力低于铺 展区。 图 8 图 7(a)中 B 区域放大图 表 5 缩裂区元素点扫描数据(质量分数) / % 位置MgAlCuZnFeCrMn 12.1821.750.440.4956.5512.026.74 293.283.661.161.90 394.962.642.39 497.630.030.272.07 585.743.478.412.37 021矿 冶 工 程第 37 卷 ChaoXing 2.4 氧化区微观组织及元素分析 图 9 为黄铜夹层的镁/ 钢焊接接头结合界面氧化 区的显微组织形貌及相应元素线扫描分析,图 10 为图 9(a)中 C 区域放大图,氧化区元素点扫描见表 6。 由 图 9(a)和图 10 可以看出,结合界面处形成了一层不 同于焊缝区组织的物质。 由图 9(b)、图 10 及表 6(点 1、2、3)分析可知,界面处物质含有较多的氧元素,因 该区域靠近镁板和钢板之间的缝隙,空气能够进来,而 且气嘴的氩气只能保护上部合金,无法保护下部合金, 而使熔融合金氧化,形成的氧化物质与不锈钢的表面 只有微弱的结合力。 图 9 氧化区显微组织及元素线扫描 图 10 图 9(a)中 C 区域放大图 表 6 氧化区元素点扫描数据(质量分数) / % 位置MgAlCuZnO 141.082.236.475.6543.80 22.701.100.3295.87 333.800.281.7464.19 428.8711.9945.1813.97 596.200.621.801.39 2.5 焊缝微观组织及元素分析 综合观察图 6、图 8 和图 10 可以看出,除了结合 界面处的焊缝区域,镁合金与黄铜形成的新合金在不 同区域基本相同,均由黑色等轴晶组织和白色网状组 织组成。 由表 4(点 3、4)、表 5(点 4、5)和表 6(点 4、 5)可知,黑色等轴状组织为 α⁃Mg 固溶体,白色网状组 织为 Mg⁃Al⁃Cu⁃Zn 共晶体。 根据观察组织及元素分 布,各区域所处的焊缝区组织相同、元素均匀,因此可 以看出,3 个区域之间的结合力差别与组织和元素的 关系较小,而与温度和氧化程度有关。 3 结 论 1) 以黄铜为中间层,采用钨极氩弧焊,搭接熔钎焊, 在交流电流 70 A、气流量 15 L/ min、焊接速度 1.5 mm/ s 的条件下,实现了 AZ31B 镁合金与 304 不锈钢的熔钎 焊。 镁/ 钢结合界面由铺展区、缩裂区和氧化区 3 个区 域组成。 2) 在铺展区,镁合金在不锈钢表面润湿铺展良 好,形成有效连接,结合力最强;在缩裂区,由于冷却收 缩使结合界面处部分位置有缝隙,削弱了界面结合力, 结合力低于铺展区;在氧化区,镁合金被氧化,只与不 锈钢的表面形成微弱的连接,结合力最弱。 3 个区域 的结合力从强到弱的顺序为铺展区→缩裂区→氧 化区。 3) 相对于未添加夹层的情况,添加黄铜夹层增强 了镁合金在不锈钢表面的润湿铺展,延长了铺展区的 长度,使结合力最强的区域长度增加,明显提高了界面 结合力。 参考文献 [1] Decker R F. 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