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热处理对镁合金焊接接头性能的影响研究

周晓燕　王俭辛
【摘 要】综述了热处理对镁合金焊接接头性能的影响研究现状，热处理可以使AZ31B镁合金板的焊接接头的力学性能提高，随着退火温度的升高，AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接接头前进侧和后退侧的分界线逐渐消失，热影响区的显微硬度略有下降。热处理可提高AZ31B镁合金板的的抗拉强度和延伸率。
【关键词】热处理；镁合金；焊接接头
0.引言
镁资源是21世纪的重要战略物资，世界各国高度重视镁合金的研究与开发。镁合金在汽车、计算机、通信及航空航天等领域广泛应用，必将面临连接问题，焊接是一种优选的连接方案。深入认识镁合金的性能特点，掌握其焊接性能和焊接方法是提高镁合金焊接质量的有效途径。
1.镁合金及其性能特点
镁属于轻金属，地壳中镁含量丰富，约占地壳组成的2.5%。镁的熔点为650℃、镁的密度为1.7g/cm3；镁的标准电极电位为-2.36，性质较活泼，用作结构材料必须合金化，以防止在空气中自燃。镁合金具有密度低、比强度高、阻尼性好、导热性好、电磁屏蔽性好、加工性优异等性能特点。
2.镁合金的焊接性能
镁合金密度低，熔点低，热导率和电导率大，热胀系数大，化学活泼性很强、易氧化，且氧化物的熔点很高，因此镁合金在焊接过程中会产生如下问题镁合金在焊接过程中会遇到如下问题：
2.1粗晶问题。镁合金热传导率较大，焊接时需要较大的热源，焊缝附近出现金属过热和晶粒长大的现象。
2.2氧化、氮化和蒸发。高温下，镁容易被氧化、氮化生成夹杂物，破坏接头的性能。另外，镁的沸点只有1100℃，焊接时很容易蒸发。
2.3变形和下塌。镁的热膨胀系数比较大，高温电弧下很容易产生较大变形并引起很大的热应力。同时，镁的表面张力很小，容易形成塌陷。
2.4气孔。氢气在镁中的溶解度随温度升高而增大，焊接时，氢气进入镁中，同时，镁的密度小，气体不易逸出。这样，焊接过程会形成气孔。
2.5热裂纹。镁合金焊接时，组织中低熔点化合物首先熔化，出现空穴或者晶界氧化现象，即产生了热裂纹。
2.6燃烧。高温下操作时，即使在气氛保护下，镁合金焊接时仍会产生大量氧化镁浓烟及臭氧，甚至出现飞溅、燃烧等剧烈的氧化现象，操作要十分小心。
3.热处理对镁合金焊接接头性能的影响
由于镁合金在焊接时存在上述特点，目前针对如何改善焊接接头组织结构和提高接头的性能方面有大量的研究。
3.1热处理对AZ31B镁合金板材TIG焊接力学性能的影响研究成果
Ya-jie Chu[5，6]等人通过热处理的方法来提高AZ31B气体保护钨极氩弧焊的性能。经由光谱扫描电镜和光学显微镜研究焊接接头的微观组织。通过拉伸试验和硬度试验研究热处理对焊接接头机械性能的影响。结果表明，经过热处理后的焊缝的拉伸强度可达到母材的92%，比未经过处理前有明显提高。这主要归功于融合区的等轴晶粒结构，热处理后枝晶转变为等轴晶粒，枝晶偏析有效的消除。
3.2热处理对AZ31B镁合金板材FSW焊接结构性能的影响研究成果
郭韡[7，8]等人对AZ31B镁合金进行搅拌摩擦焊接及焊后热处理，研究了热处理前后焊接接头显微组织及显微硬度的变化规律。结果表明：
随着退火温度的升高，AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接接头前进侧和后退侧的分界线逐渐消失；在热处理过程中，由于焊核区所吸收的能量主要用于晶粒的长大，而热影响区和热机影响区结合区域在再结晶时消耗了较多的能量，导致了焊核区晶粒的长大速率大于热影响区和热机影响区结合区域的。
当退火温度低于200℃时，热机影响区的显微硬度高于焊核区，并且前进侧热机影响区的显微硬度略高于后退侧的；当退火温度高于250℃后，热机影响区的显微硬度显著下降；随着退火温度的升高，热影响区的显微硬度略有下降。焊后热处理可以显著改善焊接接头的力学性能。
当搅拌头的旋转速度为600r·min-1，焊接速度为47.5mm·min-1，接头的抗拉强度为168MPa，延伸率为3.6%。热处理后，接头的抗拉强度和延伸率最高可达205MPa和8.6%，比热处理前分别提高22.02%和138.89%；接头的最佳热处理工艺为：退火温度250℃，保温1h；随着退火温度的升高，焊核区晶粒的长大速度大于热影响区 /热机影响区混合区域（HAZ/TMAZ）。当退火温度高于250℃时，焊接接头的拉伸断口主要为扁条状韧窝，呈现出微孔聚合韧性断裂特征。
4.热处理对镁合金板材焊接结构性能的影响研究存在的问题
4.1目前热处理对镁合金板材焊接结构性能的影响研究对象仅为AZ31B，对于其他型号的镁合金如：AZ91D、AM60B、AM50A、AS41B等的研究还不够。
4.2镁合金的焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊（ TIG）、熔化极惰性气体保护焊（ MIG）、搅拌摩擦焊（FSW）、激光焊（LBW）、电子束焊（EBW）和电阻点焊等（RSW）。但是目前对镁合金焊接接头进行热处理后接头力学性能的研究仅限与TIG和FSW。对于镁合金的其他焊接方法缺少焊后热处理的研究
4.3目前有热处理对镁合金焊接接头冲击韧性的研究还比较少。
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