1. 横向十字接头
张兰[34]开展了超声冲击改善 AZ31B 镁合金横向十字接头疲劳性能的研究。如图6-21 所示为AZ31B 镁合金母材金相组织，母材组织为细小的等轴晶。试验采用挤压轧制加工成型的8 mm 厚AZ31B 镁合金板材。首先将镁合金板焊接成十字接头，然后再将焊好的试样通过铣削加工制成如图6-22 所示尺寸的疲劳试样。
焊接工艺采用的是手工TIG 焊，焊接设备为联合汇力的300GP 型AC/DC TIG 电焊机。焊丝选择与母材同材质的直径为2.8 mm 的AZ31 镁合金焊丝，焊丝表面用纱布打磨处理后立即使用，防止被氧化，主要的焊接工艺参数如表6-11 所示。由于镁合金性质活泼，其表面经常存在氧化膜，这将会严重影响焊接电弧的稳定性，因此，镁合金在焊接前必须经过待焊处表面处理，彻底清除镁合金表面的氧化膜、油脂和其他污物。焊接试验过程中，首先用丙酮液去除油污和其他可溶入有机溶剂的污物；然后用干燥棉布将焊丝及试件表面擦干，静置20 min 使残留的丙酮液得到充分挥发；最后用粗砂纸打磨待焊部位两侧20 mm 内的区域，充分去除其表面的氧化膜，使之露出明亮的金属光泽，清理好的试件在0.5 h 内完成焊接。本试验试件不进行焊前的预热处理，也无须进行热处理，但需在焊后进行表面清理焊接残留物。为防止焊缝的热胀冷缩作用导致的应力集中，在焊接过程中，需要采取合理的焊接方向和焊接顺序使应力相互抵消，试验所用焊接试件的焊接顺序如图6-22 所示。
图6-21 AZ31B 镁合金母材金相组织
图6-22 横向十字接头疲劳试样型式及尺寸
表6-11 AZ31B 镁合金十字接头焊接工艺参数
采用如图6-23 所示HJ-Ⅱ型超声冲击设备对AZ31B 镁合金十字接头的焊趾部位进行超声冲击处理。具体方法为，将超声冲击枪垂直对准焊趾部位，冲击头的冲击针列阵沿焊缝方向进行排列，如图6-24 所示。冲击时通过冲击枪对焊趾略施加一定压力，但基本上使冲击处理过程在冲击枪的自重条件下进行。超声冲击处理时选择激励电流为0.5 A，以0.5 m/min 的速度来回冲击处理2 次。经过超声冲击处理后的焊接接头，在焊趾处形成深度大约为0.5 mm的凹痕，同时可以观察到，经过超声冲击处理的位置显示出较为明亮的金属光泽，而且经过长时间放置后，冲击压痕处仍然比母材和焊缝金属明亮很多。
图6-23 HJ-Ⅱ型超声冲击设备
图6-24 超声冲击处理焊趾示意图
（1）疲劳试验及S-N 曲线。
疲劳试验在PLG-200D 高频拉压疲劳试验机上进行，采用的载荷类型为拉-拉载荷，应力比R 为0，加载频率为98～104 Hz，得到的疲劳试验数据如表6-12、表6-13 所示。
表6-12 AZ31B 镁合金原始焊态试样的疲劳试验结果
表6-13 AZ31B 镁合金超声冲击态试样的疲劳试验结果
续表
根据国际焊接学会推荐的数据处理方法，采用Origin 软件绘出AZ31B 镁合金横向十字接头试样超声冲击处理前和处理后的名义应力S-N 曲线，如图6-25 所示。其中实线为超声冲击处理后焊接接头试样的S-N 曲线，虚线为未经处理原始焊态试样的S-N 曲线。从图中可以看出，实线明显在虚线之上，也就是说经超声冲击处理后，焊接接头试样的疲劳性能得到了明显的改善。AZ31B 镁合金原始焊态试样的S-N 曲线拟合表达式为lgN=9.45 -3.00lg Δσ ；超声冲击态试样的S-N 曲线拟合表达式为lgN=11.83 -3.97lg Δσ 。
比较在2 ×106循环次数下超声冲击状态和原始焊态试样的疲劳强度可看出，经过超声冲击处理后，AZ31B 镁合金十字接头的疲劳强度为24.7 MPa，比焊态试样的疲劳强度17.2 MPa 提高了43.6%，可见，对于镁合金来说，超声冲击处理可有效改善其焊接接头的疲劳强度。
图6-25 AZ31B 焊态及冲击态横向十字接头试样的S-N 曲线
（2）疲劳断口分析。
从图6-26 中可以看出，疲劳裂纹起裂于焊趾的熔合线位置，垂直于外加载荷的方向扩展，沿着试样厚度方向上扩展于焊接接头的热影响区粗晶区域，这说明经过超声冲击处理后，焊趾仍然是AZ31B 镁合金焊接接头承受交变载荷作用下的薄弱环节。
图6-26 疲劳裂纹位置
（3）超声冲击对疲劳失效机理的影响。
在超声冲击处理后的焊接接头焊缝处截取金相试样，观察超声冲击处理对焊接接头焊缝显微组织的影响，金相照片如图6-27 所示。从图6-27（a）中可以看出，AZ31B 镁合金TIG 焊接接头焊缝晶粒大小比较均匀，呈现出比较明显的等轴晶特征；从图6-27（b）中可知，经过超声冲击处理后，焊缝表面的晶粒失去原始焊态的等轴特征，它们在平行于焊缝表面的方向上变得狭长，而且晶粒的窄边长度随着与焊缝表面距离的增加而增加，这种改变完全来自超声冲击处理。能够使合金的晶粒发生变化，可见超声冲击处理对焊缝金属作用的能量是非常大的，在这种作用下，晶粒内部结构也会变得致密，在焊态下易于导致疲劳裂纹萌生的缺陷势必会大幅度减少，这使得AZ31B 镁合金焊接接头的疲劳强度得到提高。
采用超声冲击方法，可以有效改善AZ31B 镁合金焊接接头的疲劳性能，主要是基于以下4 个方面的机理：
① 经过超声冲击处理，焊接残余应力场得到重新调整，并由超声冲击作用在受冲击部位形成了较大数值的表面残余压应力，有利于焊接接头疲劳强度的提高。
② 超声冲击处理使焊接接头焊趾过渡区曲率半径增加，应力集中降低，从而使疲劳性能得到大大改善。
图6-27 超声冲击处理前后接头焊缝处的显微组织
③ AZ31B 镁合金TIG 焊态接头的焊缝晶粒大小比较均匀，呈现出比较明显的等轴晶特征；经过超声冲击处理后，焊缝表面的晶粒失去原始焊态时的等轴特征，它们在平行于焊缝表面的方向上变得狭长，而且晶粒的窄边长度随着与焊缝表面距离的增加而增加，晶粒内部结构也会变得致密，这使得AZ31B 镁合金焊接接头的疲劳强度得到提高。
④ 经过超声冲击处理后，焊趾部位的微观夹渣和微小咬边等缺陷消失，消除了表面微观裂纹源，延缓了疲劳裂纹开裂。(www.xing528.com)
通过扫描电镜对疲劳试样断口进行观测，如图6-28 所示，超声冲击处理并不能改变AZ31B 镁合金焊接接头的断裂机理，断口仍然是以解理断裂特征为主。
图6-28 疲劳断口SEM 照片
2. 纵向十字接头
慕伟[35]进行了超声冲击处理改善AZ31 镁合金焊接接头疲劳性能的研究。镁合金焊接接头的型式为纵向非承载十字接头。试验中，母材为挤压轧制加工成型的8 mm 厚AZ31 镁合金板材，焊接设备使用联合汇力的300GP 型AC/DC TIG 电焊机，填充材料为直径3 mm 同材质AZ31 焊丝。
在焊前1 h 内清理焊丝和母材：首先用丙酮擦拭焊丝和整个母材的表面，去除油污和其他可溶入有机溶剂的污物；然后用干净的干燥棉布将焊丝及试件表面擦干，放置30 min 使残留的丙酮得到充分挥发；接下来用粗砂纸打磨焊丝和母材焊接部位两侧20 mm 内的区域，充分去除镁合金和焊丝表面的氧化膜，使之露出明亮的金属光泽。清理好的试件将在0.5 h 内完成焊接，焊接接头的焊接工艺参数如表6-14 所示。
表6-14 AZ31 镁合金焊接接头的焊接工艺参数
先将镁合金板材铣削加工，然后在试板中央沿母材板长边方向焊接40 mm×30 mm×8 mm 的同材质镁合金小板。小板点固焊之后，将每块小板周围的焊缝分为两条焊接，每条焊缝从小板的长边中点起焊，焊至另一侧长边的中点，4 条焊缝的焊接过程按如图6-29 所示，围绕焊缝的带数字的箭头线所指示的方向和顺序进行，以尽量减小焊接变形。
图6-29 纵向非承载十字接头疲劳试样型式和尺寸
利用天津大学研制的超声冲击设备（见图6-23）对镁合金TIG 焊纵向非承载十字接头焊趾部位进行超声冲击处理。具体的处理方法：将超声冲击枪对准焊趾，且基本垂直于焊缝，冲击头的冲击针列阵沿焊缝方向排列，位置如图6-24 所示。冲击时通过冲击针对焊趾略施一定压力，但基本上使冲击处理过程在冲击枪自重的条件下进行。超声冲击处理时选择激励电流为0.5 A，以0.5 m/min 的速度来回冲击处理两次。为了获得更好的焊趾圆弧过渡外形，在处理过程中冲击枪在垂直于焊缝的方向上，向焊趾的两侧作小幅的摆动。
经过超声冲击处理后的试样，在焊趾处形成深度大约为0.5 mm 的凹痕，同时观察到，经过冲击处理的位置显示出较为明亮的金属光泽，而且经过长期放置后，冲击压痕处仍然比母材和焊缝金属的明亮很多，说明超声冲击处理提高了焊接接头局部的光洁度，而且使该部位在空气中的抗腐蚀性能得到一定程度的改善。
（1）疲劳试验及S-N 曲线。
AZ31 镁合金纵向非承载十字焊态接头、冲击态接头均在电磁激振式高频疲劳试验机上进行疲劳试验，试验设备最大工作载荷100 kN，静载精度为满量程的±0.2%，动载振幅波动度为满量程的±2%，加载频率为97～99 Hz，选取应力比为0.1。两组疲劳试验数据依次如表6-15 和表6-16 所示。
表6-15 焊态纵向非承载十字接头的疲劳试验结果
表6-16 冲击态纵向非承载十字接头的疲劳试验结果
续表
根据国际焊接学会推荐的数据处理方法，采用Origin 软件绘出AZ31 镁合金纵向非承载十字接头试样超声冲击处理前和处理后的名义应力S-N 曲线，如图6-30 所示。AZ31 镁合金原始焊态试样的S-N 曲线表达式为lgN =10.25-3.04lg Δσ ；而超声冲击态试样的S-N 曲线表达式为lgN=10.55 -2.86lg Δσ 。
图6-30 AZ31 焊态及冲击态纵向十字接头试样的S-N 曲线
从S-N 曲线中可以看出，经过超声冲击处理过的AZ31 镁合金焊接接头，其疲劳强度明显高于原始焊态的。在62 ×10循环次数下，两种状态试样的疲劳强度可看出，经过超声冲击处理后，纵向非承载十字接头的疲劳强度为30.3 MPa，比焊态试样的疲劳强度20.0 MPa 提高了51.5%，可以达到母材疲劳强度的84.2%。
为了进一步比较超声冲击处理前后焊接接头疲劳性能的变化情况，以S-N曲线图为基础，得到原始焊态试样和超声冲击态试样相同应力范围下相应的疲劳寿命，结果如表6-17 所示。
表6-17 原始焊态和超声冲击态接头的疲劳寿命
可见，在一定应力范围内，经过超声冲击处理后，纵向非承载十字接头的疲劳寿命大约是原始焊态的 3.5 倍。该结果表明，经超声冲击方法处理的AZ31 镁合金TIG 焊接接头的疲劳强度提高幅度与铝合金焊接接头接近，疲劳寿命改善的效果略逊于铝合金材料；与钢铁材料相比，无论在疲劳强度还是疲劳寿命上，镁合金焊接接头疲劳性能的改善程度则要相差很远。这在一定程度上说明，材料本身的性能会影响超声冲击的效果，硬度、强度较低的材料焊接接头的疲劳性能提高幅度较小。
（2）疲劳断口分析。
焊态的纵向非承载十字接头试样均在焊趾位置断裂，如图6-31（a）所示。而观察冲击态十字接头的失效试样发现，所有疲劳裂纹均位于超声冲击产生的压痕处，如图6-31（b）所示。
图6-31 纵向非承载十字接头试样的疲劳断裂位置
通过扫描电镜对焊态、冲击态十字接头试样的疲劳断口进行观测，并拍摄照片如图6-32 所示。从两者的断口照片比较可以看出，断口的大部分区域都是由细小密集的解理台阶、河流状花样和扇形花样组成。超声冲击处理并不能改变AZ31 镁合金焊接接头的断裂机理，断口仍然是以解理断裂特征为主，但在有些部位存在较集中的二次裂纹。
图6-32 疲劳断口SEM 照片
疲劳断口中的这些解理花样方向杂乱无序，在断口的很多地方都可以看到大小不一的二次裂纹，显示了解理断裂的特征，如图6-33 所示，表明AZ31镁合金焊接接头的疲劳断裂是一种解理机制的脆性断裂。
图6-33 疲劳断口中的二次裂纹
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