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AZ31B镁合金TIG焊接件应力腐蚀性能研究

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材料导报B:研究篇 2013年2月(下)第27卷第2期 AZ31B镁合金TIG焊接件应力腐蚀性能研究 葛茂忠 ,项建云 ,张永康 (1江苏大学机械工程学院,镇江212013;2常州轻工职业技术学院模具系,常州213164) 摘要 为了研究AZ31B镁合金钨极氩弧焊接件应力腐蚀性能,室温下采用三点加载的方式,在去离子水中对 试样进行应力腐蚀试验。利用光学显微镜(()M)观测试样微观结构,利用扫描电镜(SEM)观测应力腐蚀断口,利用 X-350A型X射线应力仪和CHI660B型电化学工作站分别测定试样表面残余应力和动电位极化曲线。试验结果表 明:采用单面焊双面成型工艺,在45 ̄50 A的焊接电流及合适的焊接速度条件下,焊接2.2 mm厚AZ31B镁合金薄 板时,钨极氩孤焊能够获得理想的焊接接头,抗拉强度达到209 MPa;焊接件热影响区表面残余拉应力为60 MPa;同 母材相比,焊接件自腐蚀电位减小27mV,腐蚀电流增大了41.4 ,从而增加焊接件腐蚀倾向;AZ31B焊接件在去离 子水中浸没192 h后出现应力腐蚀开裂,属于穿晶型脆性断裂,这表明AZ31B镁合金焊接件在去离子水中具有很高 的应力腐蚀敏感性。 关键词 AZ31B镁合金钨极氲弧焊残余拉应力应力腐蚀开裂 中图分类号:TG146.2;TG172.9 文献标识码:A Research on the Properties of Stress Corrosion Cracking for Tungsten Inert—Gas Arc Welded AZ31B Magnesium Alloy GE Maozhong ,XIANG Jianyun ,ZHANG Yongkang (1 School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,ZheNiang 212013;2 Mould Department, Changzhou Institute of Light Industry Technology,Changzhou 213164) Abstract In order to study the properties of the stress corrosion cracking(SCC)for the tungsten inert—gas (TIG)arc welded AZ31B magnesium alloy sheets,the SCC susceptibility of the welded samples was assessed by three points loading method in deionized water at room temperature.The microstructure of specimens and fracture surfaces were analyzed by 0M and SEM,respectively.Surface residual stress and potentiodynamic polarization behaviors of the welded samples were examined by using X-ray diffraction technology and a CHI660B electrochemical workstation,re— spectively.The results show that when TIG arc welding was used to weld AZ31B Mg alloy plates with the thickness of 2.2 mill by using single-side welding double-side molding process,the ideal welding joints can be obtained at the welding current range from 45 A to 50 A and appropriate welding speed,the ultimate tensile strength of the welded ioints is 209 MPa;The residual tensile stress is 60 MPa in the surface of heat effected zone of the welded ioints;corro sion potential decreased by 27 mV and corrosion current increased by 41.4 compared to the base samples,whict ̄in— dicates the corrosion trend of the welded samples is increased:SCC appeared on the welded samples after 192 hours of immersion,the mode of fracture belongs to intergranular and brittle cracking,which shows higher SCC susceptibility of the TIG welded AZ31B in deionized water. Key words AZ31B Mg alloy,tungsten inert gas arc welding,residual tensile stress,stress corrosion cracking 0 引言 近年来,随着全球经济的快速增长,人类对能源的需求 与日俱增,于是节能降耗成为经济发展过程中迫切需要解决 的难题,而构件的轻量化正是解决该难题的重要途径。镁合 金作为最轻的金属材料,具有比强度和比刚度高、密度小、吸 振性能好、屏蔽性好、易回收等优点,被誉为“21世纪绿色工 程材料”,因此受到了全世界的广泛关注,在飞机、导弹、卫星 等航空航天及交通领域中有着广阔的应用前景 】。但镁的 化学性质活泼,易腐蚀,作为零件,在使用过程中往往受到J 力的作用,如加工应力、外加应力及装配应力等,再加上特定 的工作环境,容易产生应力腐蚀开裂。由于应力腐蚀开裂前 不会产生明显的塑性变形,人们很难对其加以预防,因而危 害性更大,破坏性更强,常常造成灾难性后果。另外,镁属于 *国家自然科学基金(50735001;50675089;50975127);国家自然科学基金青年基金(51105179);江苏省自然科学基金 (BK2O1O352) 葛茂忠:男,1970年生,博士生,副教授,主要从事镁合金的激光表面改性研究 E mail:grnzxjy(d 126.con] AZ31B镁合金TIG焊接件应力腐蚀性能研究/葛茂忠等 ・ 41 ・ 密排六方晶体结构,层错能低,滑移系少,镁合金中的位 见报道,为此本实验采用生产上常用的交流氩弧焊,根据优 错易形成平面状结构,该位错结构对应力腐蚀敏感,从而限 化的焊接工艺参数焊接商用的AZ31B变形镁合金薄板,在 制了镁合金的推广使用。焊接作为材料连接方式之一,被广 去离子水中采用三点加载方式进行应力腐蚀试验,并研究和 泛应用于镁合金零件的生产中。目前,镁合金已采用的焊接 探讨焊接件的微观组织、残余应力及应力腐蚀开裂行为。 方法有交流氩弧焊、激光焊及搅拌摩擦焊等[3’ ,但生产上最 常用的还是交流氩弧焊。由于熔接焊工艺本身固有的特点, 1 实验 使得焊接热影响区存在较大的残余拉应力,从而加剧了镁合 1.1试样制备 金焊接件应力腐蚀的倾向。M.B.Kannan等[5 研究了 试验采用商用AZ31B变形镁合金薄板,厚度为2.2 lI 9 mm厚AZ31B搅拌摩擦焊接件的应力腐蚀敏感性,结果 mm,其具体化学成分(质量分数, )和力学性能见表1。采 表明焊接件应力腐蚀敏感性高于母材。N.Winzer等l6 研究 用线切割机床加工焊接试样,尺寸为100 mm×75 mm×2.2 了3 mm厚AZ31B交流氩弧焊接件(焊丝为AZ61B)的应力 mm。焊接试样不开坡口,采用单面焊接双面成型工艺进行 腐蚀敏感性,结果表明焊接件具有较高的应力腐蚀敏感性。 交流氩弧对接焊。焊丝取自母材,先用线切割机床加工尺寸 P.B.Srinivesan等_7 71以及M.B.Kannan等l_8]分别研究了 为300 mmX2.2 mmX2.2 mm的焊丝,再用砂纸逐级打磨, AZ31B激光焊接件的应力腐蚀敏感性,均发现AZ31B激光 确保焊丝直径为2 mm左右。焊接前先用丙酮清洗焊接试样 焊接件具有较高的应力腐蚀敏感性。 和焊丝表面,再用钢丝刷清除焊接试样与焊丝表面的氧化 目前,许多学者开展了AZ31B镁合金交流氩弧焊接工 膜,使之露出金属光泽。 艺的研究,目的是获得理想的微观组织,进而提高AZ31B镁 优化后的焊接参数为:焊接电流45~5O A,钨极直径 合金交流氩弧焊接件的力学性能。但到目前为止,AZ31B镁 02 mm,焊丝直径02 mm,保护气体(氩气)流量8~1O L/ 合金交流氩弧焊接件在去离子水中应力腐蚀性能的研究未 min,焊接速度以获得理想的焊接接头为准。 表1 A] ̄IB镁合金的化学成分和力学性能 Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of AZ31B magnesium alloy 根据GB/T 228—2002((金属材料室温拉伸试验》标准,在 (EDS)对焊缝进行成分分析;采用上海辰华仪器有限公司生 室温下通过拉伸试验测定AZ31B焊接件的屈服强度为140 产的CHI660B型电化学工作站测定AZ31B镁合金焊接件热 MPa,抗拉强度为209 MPa,为母材强度的70 左右,断裂发 影响区和母材的动电位极化曲线。 生在热影响区。 1.3应力腐蚀实验 根据ASTM 39 79《弯曲梁应力腐蚀试样制备和应用标 根据ASTM 39—79《弯曲梁应力腐蚀试样制备和应用标 准方法》,将厚度为2.2 mm的AZ31B镁合金焊接件薄板用 准方法》,采用三点加载方式,设计专用夹具来装夹镁合金试 线切割机床加工成尺寸为135 mmX 30.2 mmX 2.2 mm的试 样,考虑到镁合金易与其它金属形成电偶腐蚀,故选用尼龙 样,保证试样的长度方向与轧制方向平行,焊后的试样用平 作为夹具材料-g]。将制备好的镁合金焊接件安装在夹具上, 锉刀去除焊缝余高,再用砂纸逐级打磨试样表面,保证最终 使试样外表面所承受的最大应力为140 MPa(屈服应力)。 尺寸为135 mmX 30 mm ̄2 mm,然后用乙醇清洗,接着用冷 在室温下,将固定在夹具上的镁合金焊接件试样浸没在装有 风吹干 。 去离子水(pH值在6左右)的容器中进行应力腐蚀试验,为 用于极化曲线测量的试样采用线切割机床加工,尺寸为 了确保化学腐蚀反应不断进行,必须控制腐蚀液pH<l1,因 10mmX10mmX2mm,工作表面为10mmX10mm的平面, 此每隔3天更换去离子水l_9]。定期观察试验现象,记录断裂 非工作表面用704硅胶封装。试样分为两组,一组是母材, 时间,用丙酮溶液超声清洗断口后,再用扫描电镜观察断口 另一组为TIG焊接件,工作表面需先用金相砂纸逐级打磨, 形貌 。 再用乙醇脱脂,接着用冷风吹干,确保试样表面清洁干燥。 1.4电化学实验 1.2实验仪器 采用三电极体系,工作电极为704硅胶镶嵌的AZ31B镁 采用WSE315钨极氩弧焊机对AZ31B镁合金薄板进行 合金试样,工作面积为1 cm 。参比电极为饱和甘汞电极 手工焊接;采用XJL-O2立式金相显微镜观察、拍摄金相组 (SCE),辅助电极为Pt电极。试验介质为3.5 (质量分数) 织;采用X一35OA型x射线应力仪测试表面残余应力,管电 的NaC1水溶液,采用分析纯NaC1和蒸馏水配制,溶液pH 压20 kV,管电流5 mA,钴靶Ka特征辐射,准直管直径为2 值为6~7。测量温度为25℃。测量时,将工作电极浸入试 1Tim,20扫描步距0.1。,计数时间2 S, 分别取0。、25。、35。和 验介质中5~10 min,待工作电极电位稳定后,对试样以0.5 45。,衍射晶面为(104),应力常数K一一78 MPa/(。),扫描起 mV/s的速度进行动电位极化扫描,电位扫描范围为一1.9~ 始及终止角分别为159。和151。;采用JSM-7001F热场发射扫 l_2 V。实验过程中,三电极体系不能受到外界的扰动,否 描电镜扫描应力腐蚀断口,并利用扫描电镜自带的能谱仪 则会影响测量结果。电化学实验由电脑控制,自动获取并储 ・ 48 ・ 材料导报B:研究篇 2013年2月(下)第27卷第2期 唐小龙,彭继华,黄芳亮,等.混合稀土含量对A356铝合金 组织结构的影响[J].中国有色金属学报,2010,20(11):2112 5 Weiss J C,Loper C R.Primary silicon in hypereutectic alu— Metall Trans,1970,7(1):1991 12 Li Quanan,Li Kejie,Jing Xiaotian,et a1.Effects of Sm on mi— crostructure and mechanical properties of AZ61 alloys¨J]. 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