李 陽，游國強，馬小黎，趙 旭，杜 娟，陳 磊

(1 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044;2 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044；3 東風小康汽車有限公司，重慶 400030)

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焊前熱處理對壓鑄鎂合金GTAW焊氣孔的影響

李 陽1,2，游國強1,3，馬小黎1，趙 旭1，杜 娟1，陳 磊1

(1 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044;2 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044；3 東風小康汽車有限公司，重慶 400030)

在不同溫度下對壓鑄AM60B母材進行焊前熱處理，待冷至室溫后對其實施不填絲GTAW重熔焊接。焊后用掃描電鏡對焊縫截面的氣孔分布及形貌進行觀察，并用粒徑分析軟件Nano measurer 1.2測量焊縫中氣孔尺寸，用基于Matlab二次開發(fā)的圖像分析程序識別和計算焊縫氣孔率。結(jié)果表明：焊縫氣孔主要分布在焊縫熔融區(qū)及熔合線附近；與未經(jīng)焊前熱處理母材對應(yīng)的焊縫相比，經(jīng)焊前熱處理后所得焊縫中的氣孔率及氣孔尺寸均降低；隨著焊前熱處理溫度升高，焊后氣孔率及氣孔尺寸均逐漸增加。

焊前熱處理；GTAW；壓鑄鎂合金；氣孔

鎂合金具有密度低、比剛度高、阻尼減震性好等一系列優(yōu)點，在汽車、摩托車、航空航天以及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-4]。目前，壓鑄是鎂合金的主要生產(chǎn)方式，壓鑄件占整個工程應(yīng)用鎂合金件的90%以上[5]。但是，壓鑄鎂合金熔化焊缺陷較多，其中氣孔問題最為突出[6]。氣孔的存在減少了焊接接頭的有效承載面，不僅降低接頭強度，還可能在局部造成應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源。因此，在工程領(lǐng)域中通常認為壓鑄鎂合金不宜進行熔焊。然而，隨著壓鑄鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域及用量擴大，對其實施熔焊的工程需求日益增加。

針對壓鑄鎂合金熔化焊接的氣孔問題，國內(nèi)外學者開展了一些研究。Zhao等[7,8]研究了激光焊接對壓鑄鎂合金AM60B焊接氣孔的作用機制，結(jié)果表明，氣孔的產(chǎn)生主要來自于溶解在母材中原始小氣孔，而且焊后重熔可以降低焊縫氣孔率。Mult等[9]通過分別對真空壓鑄AZ91D 鎂合金與非真空壓鑄AM60B鎂合金焊接氣孔傾向的研究認為，母材中的原始小氣孔是造成焊接氣孔問題的主要原因。Wahba等[10]對壓鑄AZ91D鎂合金進行了激光焊接研究，結(jié)果表明，激光焊接時匙孔的不穩(wěn)定性對焊縫氣孔的形成有很大貢獻，并指出母材和焊縫中氣孔氣體的成分主要是N2。Mikucki等[11]對AZ91D鎂合金的激光焊研究表明,焊縫氣孔與熔池中H的溶解量成正比，并認為H在鎂液和固態(tài)鎂中的不同溶解度，導致焊接凝固過程中H的析出是形成焊接氣孔的主要原因。單際國等[12-14]對壓鑄鎂合金激光焊接氣孔的研究認為，壓鑄鎂合金激光焊接氣孔主要是氫氣孔，而且抑制壓鑄鎂合金中原子H的析出可以降低焊縫氣孔率。本課題前期研究認為[15-18],氣孔主要來自于母材中的氣體N2和H2，其比例取決于母材的成型工藝；采用含富Nd混合稀土的AZ61鎂合金焊絲進行填絲GTAW焊，能夠降低焊縫中的氣孔率?，F(xiàn)有研究主要探討了壓鑄鎂合金熔焊氣孔的形成機制，很少關(guān)注氣孔的減少/消除措施。本工作對焊接母材進行不同溫度(150，200，250，300℃)的焊前熱處理后再實施GTAW不填絲重熔焊接，旨在探討焊前熱處理對壓鑄鎂合金GTAW焊縫氣孔傾向的影響規(guī)律以及機理，為壓鑄鎂合金熔化焊接氣孔防治方法的開發(fā)提供實驗基礎(chǔ)及理論支撐。

1 實驗材料及方法

實驗材料為同批次的壓鑄成型AM60B鎂合金，尺寸為70mm×40mm×4.5mm。母材成分(XRF檢測)如表1所示。

表1 AM60B母材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

實驗設(shè)備為OTC AVP-360，采用半自動不填絲重熔方式。焊接電流為交流，不加脈沖，大小為80A，焊接速率為4.8mm/s，保護氣體為純度99.9%的氬氣，流量為10L/min，電極為鈰鎢極，直徑2mm。焊接過程示意圖如圖1所示。

圖1 GTAW焊接過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of GTAW welding process

焊前對母材表面進行清理，然后在不同溫度(150，200，250，300℃)下熱處理，其間通氬氣保護并保溫1h，取出后放于干燥皿內(nèi)冷卻至室溫進行焊接。焊后，對每條焊縫切取多個橫截面試樣，通過標準金相制備方法制樣，用掃描電子顯微鏡(VegaIILMU SEM)觀察焊縫氣孔分布及形貌特征；采用粒徑分析軟件Nano measurer 1.2對氣孔尺寸進行定量分析；并使用基于Matlab二次開發(fā)的圖像分析程序?qū)缚p橫截面的SEM照片進行識別并計算氣孔率。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 氣孔形貌

圖2為經(jīng)不同溫度焊前熱處理后的重熔焊縫橫截面的宏觀形貌(每條焊縫選取三個截面)。從宏觀尺度觀察，氣孔分布大致有兩個特征：一是分布在熔合線附近，二是分布在焊縫熔融區(qū)。其中，未熱處理母材焊縫中氣孔數(shù)量最多，氣孔大小也最大，在熔融區(qū)存在較多的大尺寸氣孔，在熔融區(qū)與母材交界的熔合線附近分布大量的中等尺寸氣孔(圖2(a))。經(jīng)焊前熱處理的母材焊縫中，氣孔主要分布在熔合線附近(圖2(b)～(e))；與未經(jīng)熱處理母材相比較，其氣孔大小和數(shù)量均有所減少，且隨著焊前熱處理溫度的升高，氣孔大小、數(shù)量和焊縫余高都有增加趨勢。

由圖2可知，焊縫中氣孔尺寸跨度較大。小氣孔尺寸直徑一般小于0.2mm[7]，輪廓形狀比較規(guī)則，近似圓形，內(nèi)壁光滑(圖3(a))。大氣孔尺寸直徑一般大于0.2mm[7]，肉眼可見，形狀不規(guī)則，一般由兩個或多個小氣孔合并而成，同時周圍伴有小氣孔的存在(圖3(b)～(d))。

2.2 氣孔尺寸及氣孔率

用粒徑分析軟件Nano measurer 1.2對選取的焊縫截面中的大氣孔尺寸(圖4)進行測量，并計算出同一焊縫中尺寸最大的五個大氣孔的平均尺寸(圖5)，可以看出,與未經(jīng)焊前熱處理母材對應(yīng)的焊縫相比，經(jīng)焊前熱處理母材對應(yīng)的焊縫最大氣孔尺寸有不同程度減??；隨著焊前熱處理溫度的升高，焊縫最大氣孔尺寸有增加趨勢。

圖2 不同熱處理溫度下的焊縫橫截面宏觀形貌 (a)未熱處理；(b)150℃；(c)200℃；(d)250℃；(e)300℃Fig.2 Macro-morphologies of the cross-section for weld at different heat treatment temperatures (a)without heat treatment;(b)150℃；(c)200℃；(d)250℃；(e)300℃

圖3 橫截面氣孔的SEM形貌 (a)小氣孔；(b)～(d)大氣孔Fig.3 SEM morphologies of pores in the cross-section (a)small pore;(b)-(d)big pore

圖4 橫截面大氣孔尺寸 (a)未熱處理；(b)150℃；(c)200℃；(d)250℃；(e)300℃Fig.4 Sizes of big pores in the cross-section (a)without heat treatment;(b)150℃；(c)200℃；(d)250℃；(e)300℃

圖5 熱處理溫度對大氣孔尺寸的影響Fig.5 Effect of heat treatment temperature on the sizes of big pores

用基于Matlab軟件二次開發(fā)的圖像分析程序識別和計算不同熱處理溫度下的焊縫氣孔率(本工作采用氣孔面積與焊縫面積的比值作為氣孔率)，取同一焊縫的五個截面氣孔率的平均值作為最終結(jié)果(如圖6所示)，可以看出焊前熱處理對焊縫氣孔有著明顯的影響：(1)與未經(jīng)焊前熱處理母材對應(yīng)的焊縫相比，經(jīng)過焊前熱處理母材對應(yīng)的焊縫氣孔率和氣孔尺寸有不同程度地減?。?2)隨著焊前熱處理溫度的升高，焊縫氣孔率和氣孔尺寸有增加趨勢。

圖6 熱處理溫度對氣孔率的影響Fig.6 Effect of heat treatment temperature on the porosity

2.3 分析與討論

由上文可知，焊前熱處理能降低焊縫氣孔傾向，但隨著焊前熱處理溫度的升高，其效果遞減。本文作者認為這是兩種趨勢相反的影響機制相互競爭的結(jié)果。

如前所述，國內(nèi)外學者的研究結(jié)果顯示，壓鑄鎂合金熔焊氣孔主要來自于母材中所含氣體(氮氣和氫氣，單獨存在或者同時存在)，在此前提下：首先，影響機制一：焊前熱處理時，母材中的氣體受熱，壓強增加，分子運動加劇，向外擴散逸出(尤其是近表面區(qū)域)，母材中含氣量減少，導致焊縫氣孔率和氣孔尺寸降低。由文獻[16]可知，壓鑄工藝特有的卷氣和高壓凝固工藝特性使壓鑄的鎂合金母材中所含氣體成為高壓氣體(高達50MPa)，在受熱條件下膨脹，氣體壓強還會升高；焊前熱處理時，爐中通氬氣保護，氮氣和氫氣的分壓基本可以忽略，這樣就形成母材中氣體分壓與環(huán)境分壓的巨大壓差，加之溫度升高后分子運動加劇，就使得母材中氣體向外擴散成為可能。這種擴散在近表面區(qū)域較為明顯，而且溫度升高，擴散逸出會增加；但內(nèi)部氣體由于擴散路徑長、阻力大等原因擴散逸出的可能性較小。單際國等[12]將AM50壓鑄鎂合金加熱至350℃，抽真空使一部分原子氫擴散逸出，然后進行激光焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊縫中氣孔減少；并對壓鑄AM50鎂合金進行不同時間除氫處理再施焊，隨著保溫時間的延長，焊縫中的氣孔明顯減少。這個結(jié)果也很好地佐證了上述觀點。其次，影響機制二：焊前熱處理過程中，母材內(nèi)部難逸出氣體由于熱擴散而均勻化，在焊接重熔條件下瞬時膨脹形成的氣泡尺寸減小，則浮出速度降低，有增大焊縫氣孔的傾向。

由文獻[16]可知，在焊接重熔條件下，內(nèi)部殘留氣體由于壓強驟降及溫度突升的原因會瞬時膨脹，然后上浮。氣泡上浮速度受多因素影響(式1[19])。

(1)

式中：Ve為氣泡浮出速度；g為重力加速度；r為氣泡半徑；ηm為液體金屬黏度；ρm為液體金屬密度；ρg為氣泡密度。

具體到本研究對象而言，焊前熱處理對液體金屬黏度、液體金屬密度和氣泡密度應(yīng)該不產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，但對氣泡半徑卻可能產(chǎn)生影響，因為：在受熱條件下，母材內(nèi)部氣體難以通過擴散逸出，但在一定尺度范圍內(nèi)也會發(fā)生擴散運動，其結(jié)果會使母材內(nèi)部氣體在母材內(nèi)部達到一定程度的均勻化，壓強也會一定程度降低，且這種影響趨勢隨溫度的升高而增加，其結(jié)果會使這些內(nèi)部氣體在焊接重熔條件下瞬時膨脹形成的氣泡尺寸變小(氣泡數(shù)量可能增多)，即氣泡半徑變小，其他條件基本不變，則浮出速度降低，導致焊縫中氣孔率增加，該影響效果會隨溫度升高而增加。同時，由于浮出速度降低，熔池中氣泡有更多機會合并長大，有可能導致焊縫中氣孔尺寸變大。

綜上所述，隨著焊前熱處理溫度升高，一方面有利于母材近表面氣體擴散逸出，有降低焊縫氣孔率的作用；另一方面，使內(nèi)部氣體擴散均勻化、壓強降低，在焊接重熔條件下膨脹得到的氣泡直徑減小，不利于氣泡浮出，有增加氣孔率的作用。這兩方面的作用相互競爭，在熱處理溫度較低的時候，前者占優(yōu)勢，使焊縫中氣孔率降低明顯；熱處理溫度較高的時候，則后者占優(yōu)勢，使焊縫中氣孔率有所增加。

3 結(jié)論

(1)壓鑄鎂合金AM60B焊接氣孔傾向嚴重，宏觀層面上，氣孔主要分布在焊縫熔融區(qū)及熔合線附近。

(2)壓鑄鎂合金母材經(jīng)150～300℃焊前熱處理后，焊后氣孔率及氣孔尺寸均比未熱處理母材降低；隨著焊前熱處理溫度的升高，焊后氣孔率及氣孔尺寸均逐漸增加。

(3)壓鑄鎂合金母材經(jīng)焊前熱處理，對焊后氣孔的影響存在兩種相互競爭的作用機制：隨熱處理溫度升高，一方面有利于母材近表面氣體擴散逸出，降低焊縫氣孔率；另一方面，內(nèi)部氣體擴散均勻化、壓強降低，焊接重熔時形成氣泡直徑減小，不利于氣泡浮出，增加氣孔率。在熱處理溫度較低時前者占優(yōu)；熱處理溫度較高時后者占優(yōu)。

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Influences of Heat Treatment Before Welding on Porosity in GTAW Welding of Die Casting Magnesium Alloy

LI Yang1,2，YOU Guo-qiang1,3， MA Xiao-li1， ZHAO Xu1，DU Juan1，CHEN Lei1

(1 College of Materials Science and Engineering,Chongqing University， Chongqing 400044，China;2 National Engineering Research Center for Magnesium Alloys,Chongqing 400044，China；3 Dongfeng Xiaokang Motor Co.,Ltd.,Chongqing 400030，China)

The base metals of die casting AM60B magnesium alloy were welded by GTAW without filling material after heat treatment at different temperatures and cooling to room temperature. The distribution and morphology of pores in the sections of welds were observed by scanning electron microscopy, the sizes of the pores in the welds were measured by the particle size analysis software of Nano measurer 1.2, and the weld porosity was distinguished and calculated by a secondary developed image analysis program based on Matlab. The results indicate that: the pores are mainly distributed in the fusion zone and near the fusion line. Compared with the weld without heat treatment before welding, both the porosity and the sizes of pores in the welds with heat treatment before welding decrease. With the increase of the heat treatment temperatures before welding, both the porosity and the sizes of pores after welding increase.

heat treatment before welding；GTAW；die casting magnesium alloy；porosity

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.12.007

TG456.7

A

1001-4381(2015)12-0039-06

國家自然科學青年基金資助項目(51105393)；山東省自主創(chuàng)新專項資助項目(2012CX60301);四川省科技計劃資助項目(2013GZ0128)

2014-06-30;

2015-05-15

游國強(1978-),男,博士,副教授,從事輕金屬成型技術(shù)方面的研究工作，聯(lián)系地址：重慶市沙坪壩區(qū)沙正街174號重慶大學材料科學與工程學院材料成型系(400044)，E-mail:ygq@cqu.edu.cn