阐述镁合金实验过程

一、前言

AZ31B镁合金的焊接性

变形镁合金AZ31B由于具有良好的耐蚀性、导热性、比强度比刚度高，并且质量轻，在航空、航天、汽车等领城的应用前景非常好，但目前还没有成熟的AZ31B镁合金焊接工艺。AZ3lB属镁一铝一锌系台金，该系列镁合金中加入了铝和锌，可阻止焊接时晶粒长大，经焊后热处理淬火后，焊缝的抗拉强度、延伸率均有显著的提高。但是随着铝和锌含量的增高，结晶温度区间增大，共晶体的数量增多，焊接时产生裂纹和晶粒过热的倾向将增大。AZ31B镁合金中Al的含量低于10%，铝具有细化晶粒、防止焊接裂纹、提高可焊性的作用。在采用合适填充金属的情况下，AZ31B镁合金具有良好的焊接性，可得到性能良好的焊缝。

活性剂ZnCl2

氯化锌易溶于水，溶于甲醇、乙醇、甘油、丙酮、乙醚，不溶于液氨。潮解性强，能自空气中吸收水分而潮解，具有溶解金属氧化物和纤维素的特性，熔融氯化锌有很好的导电性能。氯化锌有腐蚀性，有毒，性状为白色粒状、棒状或粉末，无气味，易吸湿。易溶于丙酮。加多量水有氧氯化锌产生。其水溶液对石蕊呈酸性，pH约为4。相对密度2.907。熔点约290℃。沸点 732℃。有毒，有腐蚀性。

二、实验过程 试验材料

试验采用热挤压加工后的AZ31B镁合金板材作为母材。试板尺寸为100mm×50mm×2mm；选用包头五二研究所提供的AZ31B焊丝（Φ2.0mm）。涂敷的活性剂为ZnCl2。粉末状的活性剂ZnCl2，溶剂丙酮。

试验方法 焊前准备

第一步 将2mm厚的AZ31B切成100mm×50mm 的标准试样，需要切成6块。

第二步 清理镁合金表面及焊丝表面，镁合金薄板板材及其焊丝表面的水分、油污、氧化膜等都会影响焊缝成形，并且可能会导致未熔合、气孔、夹渣等缺陷，所以焊前应当对其进行严格的清理。

第三步 将选好的活性剂ZnCl2粉末状取175mg，然后用丙酮和活性剂混合并搅拌，将调好的活性剂均匀涂覆在2块试样表面，然后烘干。（查找文献得知活性剂ZnCl2最佳浓度为3.5mg/cm2，两块板面积加起来为100cm2，因为只在每个板的一半上涂覆活性剂，所以ZnCl2取175mg。）

试验流程

本次设计研究使用A-TIG焊接方法来研究活性剂ZnCl2对AZ31B镁合金焊接的熔深、力学性能等方面的影响。根据焊接方法和焊接工艺参数确定原则，确定实验方案。

金相试样的制备及微观组织观察

选取较为典型的焊缝截面，用金相砂纸打磨，然后用4%溶液腐蚀，测量焊缝熔深和熔宽的数值，并计算深宽比。

将试件沿着垂直于焊缝的方向截取20mm×20mm的小块状，竖立置于瓶盖中，用环氧树脂固定，做成金相试样。待树脂凝固以后，先在M-2型预磨机上进行粗磨，最后依次用500#，800#，1000#，1500#水砂纸将试样逐级打磨。然后用P-2金相试样抛光机进行抛光，最后用4%的酒精溶液腐蚀15～30s，用吹风机吹干后，在奥林巴斯倒置式系统金像显微镜上观察接头的微观组织并照相。

力学性能的测定

拉伸试验能够更准确的衡量镁合金的质量从而评定活性剂对镁合金AZ31B焊接的力学方面的影响。从焊接好的镁合金板上截取试样，形状及尺寸如图2-3.伸试验采用微控电子万能试验机WDW—200测定母材、焊缝和焊接接头的力学性能。力学性能测试一般都在室温下进行，控制方式为试验力1.0N/S。每个加工态取三个试样，试样的厚度为2mm，然后分别做拉伸实验。为了计算试样的伸长率，拉伸前在试样的中间部位截取30mm，作为有效长度，做好标记。求其平均值为该状态下的测试值，观察试样的断裂位置，从而分析焊接接头的力学性能。暗色区域表示焊缝，如果试样取自母材其与其他区域整体表示截取的形状。

三、试验结果与分析

活性剂对焊接熔深的影响

对试样焊完后进行宏观观察，比较同一焊接工艺下的涂敷活性剂和未涂敷活性剂试样，涂敷活性剂的焊后熔深比未涂覆活性剂的熔深要深。

添加活性剂后焊缝熔宽变窄，通过对5mm厚的AZ31B镁合金焊缝熔深的测量发现涂敷活性剂的焊缝熔深比未涂敷的焊缝熔深要深，这主要是因为焊接区的活性剂使电弧收缩，焊接线能量增加，电弧变窄使得熔深增加，熔宽变窄。在电弧收缩状态下，由于电弧力更为集中，熔池表面会产生更大的凹陷，实际电弧长度是增加的。活性剂在电弧高温下蒸发后以原子形态包围在电弧周边区域，活性剂蒸发原子扑捉电弧周围区域中的电子形成负离子，使电弧中的电子数呈现减少趋势，电弧导电性能减弱，根据最小电压原理，其最终结果造成电弧自动产生收缩。热量集中、电弧力集中，从而使焊接熔深增加，所得到的熔宽较窄。

金相组织分析

截取镁合金焊接接头横断面，根据标准金相制备方法制备金相试样在光学显微下观察焊缝，用显微照像仪拍摄焊缝横截面的显微照片，得到热影响区以及焊缝的金相显微组织照片如图3-2，比较涂敷和未涂敷活性剂时的焊缝晶粒尺寸，发现涂敷活性剂后的焊缝内晶粒比未涂敷时有一定的长大，比较涂敷和未涂敷活性剂时的热影响区，虽然涂敷活性剂的晶粒大小与未涂敷活性剂时相比变化却不明显，但是涂敷了活性剂后热影响区变窄了。这说明ZnCl2 活性剂通过电弧收缩的作用，使焊缝熔深增加熔宽变窄了。

力学性能分析

活性剂ZnCl2对镁合金焊接的力学性能也有影响。将做好的试样夹持在拉伸试验机的夹具上，随着增加拉力，试样发生断裂。记录下拉断所需的拉力和抗拉强度，再根据试件的截面积换算出拉伸率。分析试样的断裂位置，进而分析焊缝的性能，并且将涂敷活性剂和未涂敷活性剂的做比较。拉伸试验前须用砂纸将焊接接头的上下表面磨平，使其与母材部分平齐以避免接头应力集中对测试结果产生不利影响。每个试样的焊缝选择合适部位加工三个拉伸试样进行试验，以取其平均。

试验结果可以看出虽然断裂的位置都在焊接接头，但是添加活性剂ZnCl2的试样抗拉强度和最大力都比未加活性剂的小，这表明活性剂在一定范围里能降低镁合金AZ31B焊接接头的力学性能。

四、结论

本文通过对板厚2.0mm的AZ31B镁合金钨极氩弧焊添加了活性剂ZnCl2，比较涂敷活性剂和未涂敷活性剂的焊接接头，分析了活性剂ZnCl2对镁合金AZ31B焊接熔深、力学性能等方面的影响。通过以上的研究，可以得出以下结论：

1）不添加任何活性剂对AZ31B镁合金进行钨极氩弧焊最佳的焊接工艺为电流70，焊接速度为5mm/s-8mm/s，保护气为99.99%的氩气，正面流量为13L/min，背面流量为2L/min，喷嘴直径为10mm，电弧长度约为2mm。

2） 通过观察及测量焊缝发现添加活性剂ZnCl2的试样熔深比未添加活性剂的熔深要深，所以得出活性剂ZnCl2能使AZ31B镁合金钨极氩弧焊焊缝熔宽变窄，熔深增加。

3）通过观察AZ31B镁合金焊接接头横断面的显微照片比较涂敷和未涂敷活性剂时的晶粒尺寸，发现涂敷活性剂后的焊缝内晶粒比未涂敷时有一定的长大所以得出活性剂ZnCl2能使AZ31B镁合金钨极氩弧焊焊缝晶粒长大。

参考文献：

[1] 孙伯勤.镁合金压铸件在汽车工业上的巨大应用潜力.特种铸造及有色合金.1998，（ 3）：40-42

[2] 黄恢员.压铸手册.北京.机械工业出版社.1993：166-167