·980· 工程科学学报，第38卷，第7期 目前，镁/钢的焊接主要有扩散焊、搅拌摩擦焊、激 接时热量集中，焊件变形小：电弧稳定性好，焊接过程 光熔-钎焊等-.Elthalabawy和Khan以316L不 易于实现机械化和自动化2-.另外，i等和Liu 锈钢和AZ31镁合金为实验对象，采用扩散焊实现了 等的研究发现，镀锌钢表面的锌层能增强液态镁在 镁和钢的连接，接头强度达到54MPa:但扩散焊对焊材 钢表面的润湿性以及与钢之间的结合作用. 的表面精度要求高，且效率低，成本高，难于满足大批 综上所述，为了达到操作简单、成本低、应用广且 量生产的需求.Jana等a采用搅拌摩擦焊对AZ3l镁 性能好的目的，本文选用AZ31B镁合金焊丝，采用TIG 合金和镀锌钢进行焊接，发现在镁和钢之间形成少量 熔钎焊的方法对AZ31B镁合金与镀锌钢进行操作， 镁一锌金属间化合物，其接头强度达到镁合金母材的 利用电弧产生的热量熔化形成熔池，并且保持钢在焊 80%:但搅拌摩擦焊易受工件形状和尺寸的限制，主要 接过程中不熔化，与熔池作用形成钎焊接头·本文在 适用于大型板材的焊接，小型构件上的应用受限.李 镁/钢TIG熔钎焊的工艺实验基础上研究接头的微观 俐群等田采用激光熔-钎焊对AZ31B镁合金与201不 组织及力学性能，以及实验热输入量对接头质量的影响 锈钢实现有效连接，在接头钎焊侧界面发生治金反应， 1实验材料及内容 界面处生成1~2μm的反应层，接头强度达到镁合金 母材的71%：但激光焊有着设备昂贵、能量转换率低、 实验用焊丝为AZ31B镁合金、母材为AZ31B镁合 渗透厚度有限等缺陷，不易于广泛应用.相对于以上 金板和HSLA350镀锌双相钢，其中焊丝直径为1mm, 几种焊接方法，钨极惰性气体保护(TIG)熔一钎焊有以 镁合金板尺寸为50mm×80mm×1mm,不锈钢板尺寸 下优点：焊接成本低，焊接时电弧和熔池可见性好，操 规格为50mm×80mm×1.5mm.镁合金板与镀锌双相 作方便：焊缝保护较好，焊缝金属纯度高且性能好；焊 钢板的化学组成分别见表1. 表1镁合金与双相钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of the A231B magnesium alloy and dual-phase steel (wt%) 元素 Al Zn Mn Fe Mg Ca Mo Si Cr Ni AZ31B 2.5-3.50.61.40.2-1.00.003 余量 0.04 0.10 0.001 HSLA350 0.62 余量 0.05 0.030.0050.05 0.040.010 焊前将镁板和镀锌钢进行清洗去油污处理，并对 块试样测试强度后取平均值.利用金相显微镜(OM) 镁板进行机械打磨及抛光以消除表面氧化层.TIG 和扫描电镜(SEM,TESCAN VEGAII)、能谱分析 熔-钎焊机型号为YC-300WP5HGN,保护气为氩气. (EDS)、X射线衍射(XRD)等手段对接头的微观组织 焊接过程如图1(a)所示.因镁的熔点远小于钢，故将 和成分进行观察和分析. 镁板搭接在钢板之下，搭接部分宽度为18mm.焊接电 2结果与分析 流依次为50、60、70、80和90A,焊机的脉冲频率为1 z,焊枪行驶速度0.2m·min,送丝速度0.6m· 2.1焊缝宏观形貌 minl.当焊接电流为70A时改变焊接速率（焊枪行驶 图2(a)~(c)分别为50、70与90A下的TIG熔- 速率)进行对照实验，焊接速率分别为0.l5m·min和 钎焊焊缝表面形貌宏观图.由图可见，焊缝形貌均匀 0.25mmin,控制其余参数不变.焊后将每块焊件切 整齐，熔池呈鱼鳞状排列.对比三组实验发现焊缝宽 割为宽约15mm的拉伸试样，并在两端分别粘上一小 度随着焊接电流增大而变大，说明焊接电流越大，焊缝 块金属片（图2(b)).利用万能材料试验机进行拉剪 所获得的能量越高，母材熔化量越多，故熔池面积越 试验，拉伸速率为l.5mm·min.每项参数下选取五 大，焊缝越宽 AZ31B 2 以 得枪 80 mm 焊拉行驶方向 焊缝 图1TG熔-钎焊示意图.(a)焊接过程：(b)拉剪试验 Fig.1 Schematic diagram of TIG welding-brazing:(a)joining process:(b)tensile-shear test工程科学学报，第 38 卷，第 7 期 目前，镁/钢的焊接主要有扩散焊、搅拌摩擦焊、激 光熔--钎焊等［4--7］． Elthalabawy 和 Khan［8--9］以 316L 不 锈钢和 AZ31 镁合金为实验对象，采用扩散焊实现了 镁和钢的连接，接头强度达到54 MPa; 但扩散焊对焊材 的表面精度要求高，且效率低，成本高，难于满足大批 量生产的需求． Jana 等［10］采用搅拌摩擦焊对 AZ31 镁 合金和镀锌钢进行焊接，发现在镁和钢之间形成少量 镁--锌金属间化合物，其接头强度达到镁合金母材的 80% ; 但搅拌摩擦焊易受工件形状和尺寸的限制，主要 适用于大型板材的焊接，小型构件上的应用受限． 李 俐群等［11］采用激光熔--钎焊对 AZ31B 镁合金与 201 不 锈钢实现有效连接，在接头钎焊侧界面发生冶金反应， 界面处生成 1 ～ 2 μm 的反应层，接头强度达到镁合金 母材的 71% ; 但激光焊有着设备昂贵、能量转换率低、 渗透厚度有限等缺陷，不易于广泛应用． 相对于以上 几种焊接方法，钨极惰性气体保护( TIG) 熔--钎焊有以 下优点: 焊接成本低，焊接时电弧和熔池可见性好，操 作方便; 焊缝保护较好，焊缝金属纯度高且性能好; 焊 接时热量集中，焊件变形小; 电弧稳定性好，焊接过程 易于实现机械化和自动化［12--13］． 另外，Li 等［14］和 Liu 等［15］的研究发现，镀锌钢表面的锌层能增强液态镁在 钢表面的润湿性以及与钢之间的结合作用． 综上所述，为了达到操作简单、成本低、应用广且 性能好的目的，本文选用 AZ31B 镁合金焊丝，采用 TIG 熔--钎焊的方法对 AZ31B 镁合金与镀锌钢进行操作， 利用电弧产生的热量熔化形成熔池，并且保持钢在焊 接过程中不熔化，与熔池作用形成钎焊接头． 本文在 镁/钢 TIG 熔钎焊的工艺实验基础上研究接头的微观 组织及力学性能，以及实验热输入量对接头质量的影响． 1 实验材料及内容 实验用焊丝为 AZ31B 镁合金、母材为 AZ31B 镁合 金板和 HSLA350 镀锌双相钢，其中焊丝直径为 1 mm， 镁合金板尺寸为 50 mm × 80 mm × 1 mm，不锈钢板尺寸 规格为 50 mm × 80 mm × 1. 5 mm． 镁合金板与镀锌双相 钢板的化学组成分别见表 1． 表 1 镁合金与双相钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of the AZ31B magnesium alloy and dual-phase steel ( wt-% ) 元素 Al Zn Mn Fe Mg C Ca P Mo Si Cr Ni AZ31B HSLA350 2. 5 ～ 3. 5 — 0. 6 ～ 1. 4 — 0. 2 ～ 1. 0 0. 62 0. 003 余量 余量 — — 0. 05 0. 04 — — 0. 03 — 0. 005 0. 10 0. 05 — 0. 04 0. 001 0. 010 图 1 TIG 熔--钎焊示意图． ( a) 焊接过程; ( b) 拉剪试验 Fig． 1 Schematic diagram of TIG welding--brazing: ( a) joining process; ( b) tensile-shear test 焊前将镁板和镀锌钢进行清洗去油污处理，并对 镁板进行机械打磨及抛光以消除表面氧化层． TIG 熔--钎焊机型号为 YC--300WP5HGN，保护气为氩气． 焊接过程如图 1( a) 所示． 因镁的熔点远小于钢，故将 镁板搭接在钢板之下，搭接部分宽度为 18 mm． 焊接电 流依次为 50、60、70、80 和 90 A，焊机的脉冲频率为 1 Hz，焊 枪 行 驶 速 度 0. 2 m·min － 1，送 丝 速 度 0. 6 m· min － 1 ． 当焊接电流为 70 A 时改变焊接速率( 焊枪行驶 速率) 进行对照实验，焊接速率分别为 0. 15 m·min － 1和 0. 25 m·min － 1，控制其余参数不变． 焊后将每块焊件切 割为宽约 15 mm 的拉伸试样，并在两端分别粘上一小 块金属片( 图 2( b) ) ． 利用万能材料试验机进行拉剪 试验，拉伸速率为 1. 5 mm·min － 1 ． 每项参数下选取五 块试样测试强度后取平均值． 利用金相显微镜( OM) 和扫 描 电 镜 ( SEM，TESCAN VEGAII ) 、能 谱 分 析 ( EDS) 、X 射线衍射( XＲD) 等手段对接头的微观组织 和成分进行观察和分析． 2 结果与分析 2. 1 焊缝宏观形貌 图 2( a) ～ ( c) 分别为 50、70 与 90 A 下的 TIG 熔-- 钎焊焊缝表面形貌宏观图． 由图可见，焊缝形貌均匀 整齐，熔池呈鱼鳞状排列． 对比三组实验发现焊缝宽 度随着焊接电流增大而变大，说明焊接电流越大，焊缝 所获得的能量越高，母材熔化量越多，故熔池面积越 大，焊缝越宽． · 089 ·