鎂合金焊接缺陷的產(chǎn)生及防止

發(fā)布日期:2017-06-01 14:29
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鎂合金不僅輕質(zhì)高強(qiáng)、價(jià)格低廉,而且具有良好的減振性、鑄造性、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性及散熱性等優(yōu)點(diǎn),已成為許多工業(yè)產(chǎn)品的首選金屬材料。目前,鎂合金廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)的座艙骨架、設(shè)備支架、機(jī)輪輪轂等承載力較小的零部件。

隨著現(xiàn)代大型制造裝備的轉(zhuǎn)型升級(jí),輕質(zhì)鎂合金結(jié)構(gòu)件的需求變得非常迫切。但是,鎂合金焊接存在多種缺陷,難以得到高成形質(zhì)量、高綜合性能的焊接接頭。本文通過(guò)分析鎂合金焊接缺陷產(chǎn)生的原因,同時(shí)提出防治措施,可有助于鎂合金材料的推廣應(yīng)用,對(duì)制造裝備領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)意義。


鎂合金的焊接工藝

鎂合金常見的焊接工藝有熔化焊和固相焊兩大類。熔化焊主要有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、電子束焊、激光焊等方法,固相焊主要是攪拌摩擦焊。其中,攪拌摩擦焊憑借焊前準(zhǔn)備工作少、無(wú)需保護(hù)氣體和焊材、可實(shí)現(xiàn)全位置焊接、焊件力學(xué)性能好、焊后應(yīng)力變形小等優(yōu)點(diǎn)已成為優(yōu)先考慮的焊接方法。但是攪拌摩擦焊具有焊件必須剛性固定、焊接速度低、攪拌頭磨損快、焊縫端部易形成鍵孔等缺點(diǎn),導(dǎo)致熔化焊成為常見焊接方法。

鎂合金焊接缺陷分析

鎂合金具有易蒸發(fā)、易氧化、易氮化、熱應(yīng)力大等缺點(diǎn),焊接時(shí)往往表現(xiàn)出多種焊接缺陷?,F(xiàn)重點(diǎn)梳理氣孔、熱裂紋、變形等常見缺陷的形成原因及防止措施。

1、氣孔

(1)形成原因
氣孔常出現(xiàn)于熔化焊接頭的焊縫中。例如,圖1所示為普通壓鑄AZ91D鎂合金鎢極氬弧焊接頭焊縫的氣孔形貌,有以氫氣為主導(dǎo)的析出型微觀氣孔、以氮?dú)鉃橹鲗?dǎo)的卷入型宏觀氣孔兩種。




氣孔的形成主要?dú)w結(jié)于兩種原因:一種是由于焊接熔池冶金反應(yīng)生成的不溶性氣體聚集于凝固的枝晶晶體間,不易排出而形成氣孔;另一種是由于焊接熔池吸收溶解了一些外部氣體,而凝固階段,氣體溶解度隨著熔池溫度的陡降而迅速降低,氣體容易聚集于正在生長(zhǎng)的枝晶前沿,沿結(jié)晶層形成氣孔。

鎂合金熔化焊時(shí),氣孔主要來(lái)源于溶解的氫氣,而熔池中的氫氣主要來(lái)自母材、焊絲或弧柱氣氛周圍的水分。鎂合金導(dǎo)熱性很強(qiáng),熔池凝固的速度很快,造成氫來(lái)不及逸出而形成氣孔。同時(shí),鎂合金表面易生成MgO薄膜,Mg含量越多導(dǎo)致MgO越多,MgO相對(duì)Al2O3等氧化物較疏松,更易吸附水分而形成氣孔。

目前,熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)焊縫的氣孔率最高,這是由于MIG焊靠的就是焊絲不斷熔化,焊絲中氧化膜會(huì)使附著的水分強(qiáng)烈溶入熔滴,造成熔池增氫。電子束焊和激光焊焊縫中的氣孔率也較多,這是由于這兩種方法的焊接熱輸入較少、熔池冷卻速度較快,熔池的氫來(lái)不及逸出導(dǎo)致的。

(2)防止措施
焊前處理:機(jī)械清理和化學(xué)清洗相結(jié)合,盡可能去除母材和焊絲表面的氧化膜及油污;采用烘干手段盡可能去除母材和焊絲表面的水分;盡量避免在潮濕的環(huán)境中焊接。

優(yōu)化焊接參數(shù):焊接參數(shù)可影響熔池中氣體逸出和溶入的條件,當(dāng)逸出條件比溶入條件有利,才可能降低氣孔率。圖2所示為L(zhǎng)F6鋁鎂合金氣孔傾向與焊接參數(shù)的關(guān)系,焊接電流與焊接速度均較大時(shí)有利于氣孔減少。

保護(hù)氣氛具有適當(dāng)?shù)难趸裕簭姆乐谷軞涞慕嵌瓤紤],在Ar、He等焊接保護(hù)的惰性氣體中添加少量CO2或O2,有助于降低氣孔率。



2、熱裂紋

(1)形成原因
最常見的熱裂紋有凝固裂紋和液化裂紋。凝固裂紋是焊縫金屬在凝固溫度降低至固相線附近時(shí),因晶間殘存的液膜分離所造成的裂紋。液化裂紋是近縫區(qū)在過(guò)熱條件時(shí),晶間相熔化成液相,液膜分離而開裂。例如,圖3所示為ZK60鎂合金在激光焊接時(shí),不同焊接速度對(duì)應(yīng)的焊縫中凝固裂紋狀況。



在焊接過(guò)程中,主合金元素鎂很容易和鋁、銅、鎳等微量元素反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共晶化合物。凝固時(shí),在脆性溫度區(qū)間,這些未凝固的低熔共晶會(huì)以液體薄膜的形式分布于晶間,嚴(yán)重降低了晶間結(jié)合力。鎂合金的熱膨脹系數(shù)較大,焊接時(shí)產(chǎn)生了較大的熱變形,凝固時(shí)會(huì)受到較大的收縮應(yīng)力,晶間的液體薄膜難以抵抗這種收縮應(yīng)力,便很容易開裂生成凝固裂紋。同理,鎂合金的導(dǎo)熱率和應(yīng)變速率較大,焊接熱循環(huán)很快使近縫區(qū)晶間相熔化,晶界處力學(xué)性能下降,容易在應(yīng)力作用下開裂。

(2)防止措施
調(diào)整母材和焊絲中元素含量:限制母材和焊絲中易偏析元素、有害雜質(zhì)的含量,盡量減少焊縫中發(fā)生的宏觀偏析和聚集的低熔第二相。

優(yōu)化焊接參數(shù):可通過(guò)選擇合理的焊接速度,圖4所示為熔池形狀與焊接速度的關(guān)系。低速焊接時(shí),熔池表現(xiàn)為橢圓形,柱狀晶呈人字紋路向焊縫中部生長(zhǎng),不易形成偏析弱面,熱裂紋傾向小;但高速焊接時(shí),熔池表現(xiàn)為淚滴形,柱狀晶近似垂直地向焊縫軸線方向生長(zhǎng),易在會(huì)合面處形成偏析弱面,熱裂紋傾向大。也可通過(guò)適當(dāng)降低焊接熱輸入來(lái)細(xì)化晶粒尺寸、減少晶間相尺寸,通過(guò)降低冷卻速度來(lái)減緩焊縫凝固收縮的應(yīng)變程度,這些均可以減少熱裂紋產(chǎn)生。

合理控制拘束:通過(guò)控制拘束,盡可能減少接頭的應(yīng)變。例如,選擇合適的焊接順序。焊接順序不當(dāng)時(shí),最后幾道焊縫有可能處于大拘束狀態(tài),難以自由收縮,應(yīng)變量明顯增大、容易產(chǎn)生裂紋。




3、變形

(1)形成原因
鎂合金導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)大,所以焊縫冷卻速度快,近縫區(qū)和母材很容易受到收縮應(yīng)力的作用而產(chǎn)生較大變形,最終形狀、尺寸發(fā)生改變。例如,圖5所示為一種鋁鎂合金由于接管角焊縫距離筒體環(huán)焊縫太近,產(chǎn)生下凹變形。



(2)防止措施
優(yōu)化焊縫結(jié)構(gòu):合理布局焊縫位置,保證每條焊縫都有充足的散熱空間,避免區(qū)域內(nèi)焊縫過(guò)于集中;選擇合適的焊縫形狀和尺寸。

增加剛性固定:焊接鎂合金板時(shí),采用專用夾具、支撐桿等裝置將鎂合金板固定在工作臺(tái)上。焊后冷卻至室溫后,采用錘擊法釋放部分焊接應(yīng)力,然后再去掉剛性固定。

焊前預(yù)熱:焊前預(yù)熱,使母材溫度升高,保證焊接時(shí)的焊縫金屬與周圍母材的溫差降低,從而降低焊接收縮內(nèi)應(yīng)力。

選擇合理的焊接順序:將構(gòu)件適當(dāng)劃分成若干小單元,先分別焊接各小單元,然后再將小單元整體焊接,使不對(duì)稱焊縫或收縮量較大的焊縫能比較自由地收縮而不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)。

反變形控制:預(yù)估焊接變形的大小和方向,然后在焊接裝配時(shí)設(shè)置方向相反、大小相等的人為變形,使焊接產(chǎn)生的變形與預(yù)置的反變形相抵消。

4、其他缺陷

(1)孔洞
孔洞常出現(xiàn)于攪拌摩擦焊接頭的焊縫中。例如,圖6所示為AZ31鎂合金攪拌摩擦焊焊縫中的孔洞缺陷。鎂合金焊接時(shí),當(dāng)焊接熱輸入不夠,會(huì)造成熔敷金屬的塑性變形不充分,材料流動(dòng)性差,焊縫內(nèi)部出現(xiàn)未完全閉合的現(xiàn)象,形成孔洞;當(dāng)焊接熱輸入太大,會(huì)造成攪拌頭前進(jìn)側(cè)的焊縫材料膨脹溢出,回填不充分,形成孔洞;當(dāng)采用不帶螺紋的柱狀或者錐狀攪拌頭時(shí),也會(huì)造成焊縫區(qū)材料塑性變形不充分,容易形成孔洞??赏ㄟ^(guò)合理控制焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度來(lái)調(diào)整焊接熱輸入,或者選擇合適的攪拌頭幾何形狀等手段來(lái)避免孔洞缺陷的產(chǎn)生。

(2)燒穿

燒穿常出現(xiàn)于熔化焊接頭的焊縫中。由于氧化鎂熔點(diǎn)高、鎂合金熔點(diǎn)低,兩者附著在一起很難熔合,鎂合金薄板焊接時(shí),便很難觀察到焊縫熔化。熱輸入一旦升高至不合理區(qū)間,熔池顏色也沒(méi)有顯著變化,但是熔池下方未熔化的金屬卻無(wú)法抵抗它所受的應(yīng)力作用,此時(shí)便出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象。焊接前做好鎂合金表面的清理工作,清理后盡可能及時(shí)焊接,可避免燒穿缺陷的產(chǎn)生。另外,通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)來(lái)限制熔深,也可避免燒穿。

鎂合金焊接缺陷的典型案例分析

采用激光焊、電子束焊分別焊接6mm厚GW63K鎂合金,得到的焊縫宏觀形貌分別如圖7、圖8所示。兩種熔化焊焊縫均出現(xiàn)了明顯的飛濺、咬邊等缺陷,這是由于鎂合金熔點(diǎn)較低、熱膨脹系數(shù)較大、焊接熱輸入較大造成的,后續(xù)可通過(guò)降低焊接熱輸入等方法進(jìn)行工藝優(yōu)化。






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