（材料加工工程专业论文）az系列镁合金搅拌摩擦点焊的研究(1).pdf

中文摘要 摘要 本文以a z 3 l 变形镁合金为研究对象，通过采用宏观形貌观察、显微组织分 析、拉伸实验和硬度测试等方法，系统地研究了搅拌针直径、下压量、搭接方式 及焊后热处理对a z 3 1 镁合金搅拌摩擦点焊( f s s w ) 接头宏观形貌、微观组织和 机械性能的影响，揭示了微观组织演变规律及其与焊接接头力学性能之间的关系。 在实验事实的基础上，结合理论分析，得到以下主要结论： 研究搅拌针直径对a z 3 l 镁合金搅拌摩擦点焊接头微观组织和力学性能的影 响。结果表明：由于搅拌针直径增加会增强焊接过程中的搅拌作用并提高焊接温 度，促进了界面反应，因此搅拌摩擦点焊接头的钩形曲面的高度和宽度随着搅拌 针直径的增加而增加。焊接热输入随着搅拌针直径的增加而增加，从而导致焊核 区、热机影响区和热影响的晶粒粗化，显微硬度下降。焊接接头钩形曲面的高度 和宽度决定着接头的抗剪切力，因此搅拌摩擦点焊接头的剪切拉伸力随着搅拌针 直径的增加而增加。 研究下压量对a z 31 镁合金搅拌摩擦点焊接头宏观形貌、微观组织和焊接性能 的影响。结果表明：焊接热输入、焊接接头钩形曲面的宽度和晶粒尺寸随着下压 量的增加而增加。下压量增加，焊核区的等轴晶更加均匀。当下压量较小时，热 机影响区主要受摩擦挤压作用的影响，晶粒小而均匀；当下压量较高时，热机影 响区主要受热循环作用的影响，晶粒粗化且不规则。热影响区仅受热循环的作用， 因此晶粒逐渐粗化。随着下压量的增加，焊核区、热机影响区和热影响区的显微 硬度都呈现降低趋势。搅拌摩擦点焊接头的剪切拉伸力随着下压量的增加呈现先 增加后降低的趋势。当下压量为0 8 1 1 1 1 1 1 时，焊接接头的剪切拉伸力最大。当下压 量达到1 o m m 时，焊接接头出现了l i q u i dp e n e 廿a t i o ni n d u c e dc r a c k i i l g ( l p i 裂纹) ， 导致剪切拉伸力降低。 研究搭接方式对a z 3 1 镁合金搅拌摩擦点焊接头微观组织和力学性能的影响。 结果表明：毗邻搅拌针的焊核区组织主要由搭接试样的上板构成。所有搭接试样 中，a z 6 1 同种镁合金焊接时的焊接接头钩形曲面的宽度、剪切拉伸力和焊核区的 显微硬度最高。a z 3 l 与a z 6 1 异种镁合金焊接时，曲面纵向段出现了不规则变形， 而当a z 6 1 镁合金为上板时，焊核区的显微硬度较高。此外，通过纵向方向的硬度 测试发现，焊接接头焊核区的显微硬度先增加，后急剧下降。 研究焊后热处理对a z 3 1 镁合金搅拌摩擦点焊接头微观组织和力学性能的影 响。结果表明：当热处理温度为2 0 0 时，毗邻搅拌针的焊核区晶粒开始长大且匙 孔壁区域的晶粒明显粗化，热机影响区出现再结晶晶粒但并未长大。当热处理温 重庆大学硕士学位论文 度为2 5 0 时，毗邻搅拌针的焊核区粗化晶粒增多，远离搅拌针的焊核区有部分晶 粒长大，热机影响区的再结晶晶粒开始长大，但长大速率较慢。当热处理温度达 到3 0 0 及以上温度时，焊核区的晶粒粗化明显。随着热处理温度的升高，焊接接 头的剪切拉伸力先升高后降低。 关键词：镁合金，搅拌摩擦点焊，微观组织，力学性能 i i 英文摘要 a b s t r a c t i nt h ep 印e r ，h o t - e x 仃i l d e dm a g n e s i 吼a l l o ya z 31w a ss e l e c t e da i l dt l = l ee f r c c t so f p i l l d i 锄e t e r ，p e n e t r a t i o nl e n g t l l ，t 1 1 et y p e so fo v e r l a pa i l dp o s tw e l dh e a tt r e a i l e n to nt h e m a c r o 。m o 印h o l o 舀e s ，m i c r o s 廿m t u r e sa i l dm e c h 越c a lp r o p e r t i e so f 衔c t i o ns t i rs p o t w e l d 堍( f s s 哪w e l d e da z 3 lm a g n e s i 啪a l l o yj o i n t sw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d b y 1 1 1 i c r o s t r u c n l r a l lo b s e r v a t i o n s ，t e n s i l et e s t sa i l di i l i c r o h a r d r l e s st e s t s t h ei i l i c r o s 仃u c t u r a l e v o l u t i o n sa n d 1 er e l a t i o n s l l i p sb e t 、7 v e e n1 1 1 i c r o s 协t u r e sa 1 1 dm e c l 僦c a lp r o p e r t i e so f t l l e 、e l d e dj o i n t sw e r er e v e a l e d b a s e do nm ee x p e r i 】m e n t a lf i a 雠sa n dc o m b i n e dw i t l l n l e o r e t i c a la l l a l y s i s ，m a i nc o n c l u s i o l l sm a yb es u i 】岫撕z e da sf o l l o w s ： t h ee f i f e c t so fp i i ld i 锄e t e ro nt h em i c r o s 仃u c t u r ea 1 1 d 廿l em e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so f f s s ww e l d e da z 31bm a 弘e s i 啪a 1 1 0 yj o 缸sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u n ss h o wm a t 、析ma ni n c r e a s eo fm ep i l ld i 锄e t e r t h eh e i g h ta n dt h ew i d 也o ft 1 1 ec u l e di n t e r f a c ei n t l l ef s s ww e l d e da z 31b m a 弘e s i u ma l l o yj o 洫si i l c r e a s e d b e c a u s eo ft 1 1 es 们n ge 脆c t o ft l l es t i 玎i n ga n dt l l el l i 曲t e m p e r a ：t i l r ew h e nl a r g es i z e dp i n sw e r ea d o p t e d a ni n c r e a s e o f 恤p i nd i 锄e t e rl e dt ot h ec o a r s e 血go f0 【- m gg r a i n si i l 恤s t i rz o n e ( s z ) ， 廿l e 肌o - m e c h a l l i c a l l ya f f e c t e dz o n e ( t m a z ) a i l dh e a ta 虢c t e d ( h a z ) d u et ot h eh e a t g e n e r a t i o n ，r e s l l l t e di n 廿l ed e c r e a s eo f 廿1 em i c r o h a r d | 1 e s so ft 1 1 es z ，t m aza 1 1 dh a z t h et e n s i l es h e a rf o r c eo f 也ef s s ww e l d e da z 3lb m a g n e s i 啪a l l o yj o i n t si n c r e a s e d 晰t h 廿：【ei n c r e a s eo ft l l ep i i ld i 锄e t e rb e c a u s et l l eh e i g h ta n dt i l e 丽d t ho f t l l ec u r v e d i n t e r f a c ed o m i n a t e dt 1 1 ef a i l u r eo fm e s p e c i m e n s t h ee f f e c t so fp e n e 仃a t i o nl e i l g mo n 廿l em i c r o s 饥l c t u r ea n dt h em e c h a i l i c a lp r o p e n i e s o ff s s ww e l d e da z 31bm a 乒e s i 啪a 1 1 0 yj o 砬s 、e r es t l l d i e d 1 kr e s u l t ss h o w 廿l a t t h ei n p u t ，l e 诚d mo fm ec u n ，e d r f a c ea n dt h es i z eo fa - m ga l l i n c r e a s e d 谢mt 1 1 e i n c r e a s eo ft 1 1 ep e n e 仃a t i o nl e n g n l t h ee q u i a x e ds t m c t u r ew a sm o r e 眦i f o ma sar e s u l t o fm 曲e rp e n ( 灯a t i o nl e n g t h w h e nm ep e n e t r a t i o nl e n g ：t l lw a s1 0 w e r ，0 【一m gi nm e n l e n n o - m e c h a l l i c a l l ya 虢c t e dz o n ew a sm o r e 砌f o mb e c a u s eo ft h ee 疵c to ft h e s t i r r i n g w h e nt h ep e n e 仃a t i o n1 e n g m 髑h i 曲e r ，0 【一m gi nt 1 1 em e n i l o m e c h a i l i c a l l y a 虢c t e dz o n ec o a r s e n e da n dw 嬲i r r e g u l a rb e c a u s eo ft l l ee 虢c to ft h et h e m a lc y c l e 1 1 l em i c r o h a r d n e s so ft h ef s s w 、e l d e dj o i n t sd e c r e a s e dw i m 也ei n c r e a s eo ft h e p e n e t r a t i o n1 e n g m 7 1 1 1 es h e a rt e n s i l ef o r c eo ft 1 1 ef s s ww e l d e dj o i n t si n c r e a s e di i l i t i a l l y a n dt 1 1 e nd e c r e a u s e d w h e nm ep e n e t r a t i o nl e n g m 、 傩o 8m m ，t l l ev a l u eo fs h e a rt e n s i l e f o r c ew a l sl l i g h e s t w h e nt l l ep e r l e 仃a t i o nl e n g t l lw a s1 om m ，l i 叫dp e n e t r a t i o ni n d u c e d 重庆大学硕士学位论文 c r a c k i n g ( l p i ) c r a c k i n go c c u r r e di nt h ef s s w 、e l d e dj o i n t ，l e a d i n gt om ed e c r e a s eo f t h es h e a rt e n s 订ef i o r c e t l l ee 髓c t so f 也et ) ，p e so fo v e r l 印o nt 1 1 em e c h a i l i c a lp r o p e n i e so ft h ef s s w w e l d e da zs e r i e sm a 弘e s i u ma 1 1 0 yj o i n t s 、v e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m i c r o s t n l c t u r eo ft l l es t i rz o i l ea 硝a c e n tt ot l l ep e r i p h e 巧o fm er o t a t i n gp i nw a sm a i l l l y c o n l p o s e do ft h eu p p e rs h e e t 1 1 1 cv a l u eo ft 1 1 ea v e r a g e 诵d t l lo ft 1 1 ec u r v e di m e r f a c e ，t 1 1 e v a l u eo f 廿l et e l l s i l es h e a rf o r c ea n dt h em i c r o h 鲫d 1 1 e s so ft l l es t i rz o n eo ft h ef s s w w e l d e da z 6 1a l l o y j o 缸w e r et 1 1 e1 1 i g h e s ti na l ls 锄p l e s h 1t h ef s s ww e l d e da z 31a i l d a z 6 1d i s s i m i l a rm a g n e s i u ma l l o yj o m s ，m ei n e g u l a rd e f 0 衄a t i o no fm el o n g i t l l d i n a l s e g m e mo ft 1 1 ec u r v e di n t e 血c e 叩p e a r e d w h i l e ，t h em i c r o h a r d n e s so ft h es t i rz o n e 、a s h i 曲e r 、h e na z 6 1a l l o yw a s l eu p p e rs h e e t i na d d i t i o n ，廿l em i c r o h a r d n e s so ft h es t i r z o n ei n c r e a s e di 1 1 i t i a l l ya 1 1 dt h e nd e c r e a s e ds h a r p l yi nt h e1 0 n g i t u d i n a lt e s tp o s i t i o n d u r i n gf s s wp r o c e s s t h ee 丘i e c t so fp o s t 、 ，e l dh e a t 屯r e 锄e n to nt h em i c r o s 仃i l c n l r ea n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ff s s w 、e l d e da z 3 lbm a g n e s i 啪a l l o yj o i n t s 、e r es t u d i e d t h er e s u l t s s h o w 她tw h e nt l l eh e a t 协：a n ：1 1 e n tt e m p e r a t u r ew a s2 0 0 ，0 【- m gi nm es za d ja c e n tt o t l l ep e r i p h e r yo ft l l er o t a t i n gp i nb e g a nt oc o a r s e na 1 1 dm e 留a i n sa 面a c e n tt ot 1 1 e p e r i p h e r ) ro ft 1 1 er o t a t i i l gp i nc o a r s e n e do b v i o u s l y ，a l l dt l l er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n s o c c w e di nt h e 龇吼。一m e c h a i l i c a l l ya 舔c t e dz o n e 啪e nm eh e a tt r e a t m e m t e m p e r a ：t l l r ew a s2 5 0 ，m o r ec o a r s e l l i n gg r a i n so c c u r r e di nt 1 1 es za d ja c e n tt ot h e p e 邱h e r ) ro ft h er o 枷n gp i n ，s o m e 伊a i n si nm es zw h i c hw a s 钉a w a yf r o mt h e p e r i p h e 巧o ft h er o t a t i n gp i na 1 1 dt h er e c 巧s t a l l i z a t i o ng r a i n si nm e ：t l l e n l l o m e c h a z l i c a l l y a f f e c t e dz 0 n ec o a r s e i l e d w h e nt l l eh e a tt r e a t n ：l e n tt e m p e r a t u r ew a s3 0 0 o ra b o v e ， 铲a i n si 1 1m es zc o a r s e n e dd r 锄a t i c a j l y t h es h e a rt e n s i l ef o r c eo ft h ef s s w 、e l d e d j o i n t si i l c r e a s e di l l i t i a l l y 觚dt l l e nd e c r e a s e d 谢t l lt l l ei n c r e a s eo ft l l eh e a t 切e a t i n g t e m p e r a t u r e k 啊o r d s ：m a 盟e s i u ma 1 1 0 y ；f r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a l l i c a l p r c i p e n y i v 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及意义 随着温室效应的日益加剧，多国开始逐渐重视日常生活中节能减排的重要性 f 1 一。因此，各种各样的节能减排技术孕育而生。对于汽车工业，采用轻合金替代 传统的钢等材料可以有效的降低能源消耗和减少废气排量，降低温室效应【3 巧j 。目 前，常用的轻质材料为镁合金、铝合金、钛合金和塑料等。在对汽车轻量化的研 究中发现，镁合金比重小且强度高，且加工成本低，便于回收利用【6 j 。因此，镁合 金汽车轻量化的研究便被提上日程。 镁合金具有密度小、比强度高、导电性好和电磁屏蔽性优良等优点【7 】。而我国 镁储量丰富【8 1 ，所以致力于镁合金的研究对我国国防、科技和经济发展对世界环境 改善具有重要的作用。焊接是材料成型中最有效的连接方法之一。镁合金作为一 种新型高性能结构材料，在实际应用过程中不可避免地要采用焊接技术进行连接。 而随着焊接技术的不断发展，镁合金的应用范围会进一步扩大。因此，掌握镁合 金的焊接特点、焊接工艺、焊接接头质量和性能及缺陷的形成等，才能更好的解 决镁合金焊接的难点，对获得良好的接头性能具有重要的意义。 1 2 镁及镁合金的性质 1 2 1 镁及镁合金的基本性质 镁最早是由英国的科学家戴维在1 8 0 8 年用钾还原氧化镁所发现。其化合价为 + 2 ，电离能是7 6 4 6 电子伏特，是轻金属之一。镁属于元素周期表的第二主族碱土 金属元素，具有银白色光泽，且略有延展性【7 1 。常温下纯镁的主要物理性质及力学 性质分别如表1 1 和表1 2 所示。 表1 1 室温下纯m g 的物理性质9 1 。 t a b l e1 1p r o p e n i e so fp u r em a g n e s i u ma tm o m t e m p e r a t u r e 【9 1 物理参量数值物理参量 数值 密度( g c m 3 ) 1 7 4 电阻率( 1 0 。8 l n ) 4 2 熔点( ) 6 5 1 热膨胀率( 1 0 由k ) 2 6 1 沸点( ) 1 1 0 7 热传导率( w m 。1 k - 1 ) 1 6 7 比热( 取酵1 k - ) 1 0 2 2 表面张力( i 心n 1 ) 5 5 9 热容量( j m 3 k - 1 ) 1 7 7 8 杨氏模量( 1 0 1 1 p a ) 0 4 4 3 重庆大学硕士学位论文 表1 2 室温下纯镁的力学性能( 单位：n m m 2 ) 【1 们。 t a b l e1 2r n l e 啪i c a lm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so f p u r em a g n e s i 啪( n m m 2 ) 【1 0 】 由于纯美的力学性能较差，因此需要在纯镁中加入合金元素，利用固溶时效 所产生的沉淀强化作用提高其常温或者高温性能【1 1 1 。在纯镁中添加合金元素时， 不但要考虑在时效过程中合金元素能否形成强化效果显著的第二相，同时也要考 虑合金元素对抗腐蚀性及其它工艺性能的影响【1 1 1 。通过对镁进行合金化处理后， 便能形成具有较高物理性能和力学性能的镁合金。不同的合金元素对镁合金的作 用也不同。例如：铝添加后，可以改善合金的铸造性能，但是有可能造成显微缩 松；银和稀土一起添加后，可以改善合金的高温抗拉性能和蠕变性能，但是会影 响合金的抗腐蚀性能；铍添加后，在浓度很低的条件下能够明显改善熔体表面的 氧化程度，但是含量过高会导致经历粗大。 1 2 2 镁合金的分类 目前，镁合金的分类方法总共有三种：化学成分、成形工艺和是否含锆 1 2 。 而根据成形工艺的不同，镁合金又可分为铸造镁合金和变形镁合金。铸造镁合金 主要是由砂型铸造永久模铸或者是压铸成形所制，常用系列为m g - z n z r 、 m g z n z r - i 也和m g m z n 系【1 2 】。变形镁合金主要是由锻造、挤压或者轧制工艺成 形，常用系列为m g m n 、m g a 1 z n 和m g z n z r 系【1 2 j 。表1 3 和表1 4 所示分别 为部分a z 系列铸造镁合金和变形镁合金的力学性能。 表1 3 部分a z 系列铸造镁合金的力学性能【1 3 1 。 1 a b l e l 3t h em e c h a i l i c a lp r o p e n i e so f a zc a s tm a 印e s i 啪a 1 1 0 y s 【1 3 】 2 1 绪论 合金牌号状态 抗拉强度屈服强度延伸率6 o b ( m p a )o o 2 ( m p a ) ( ) 硬度 ( h b ) 1 3 镁合金的焊接现状及发展趋势 1 3 1 镁合金的焊接性 镁合金由于自身的物理化学等特点，导致其焊接较为困难，不易获得良好的 焊接接头。镁化学性能活泼，容易氧化，在镁合金表面易生成m g o ，导致焊接接 头性能下降，所以在焊前应对镁合金表面进行清理。同时，在熔焊过程中形成的 m g o 在熔池中易形成细小碎片的固态夹杂，也会降低焊接接头性能。镁合金的沸 点不高( 约为1 1 0 0 。c ) ，熔点低，并且导热率高。因此，在焊接过程中如果线能量 较高，就容易产生元素蒸发，并导致焊接接头各区域晶粒粗化或母材发生“过烧” 等现象，从而减低接头性能。焊接薄板镁合金时，易导致焊缝产生烧穿和塌陷现 象。镁合金的线膨胀系数较大，因此焊接时易产生较大的热应力，从而增加变形 和热裂。同时，镁与一些合金元素易形成低熔点共晶体，在脆性温度区间内也易 形成热裂纹。镁合金焊接过程中易产生气孔，而这些气孔是由于氢在镁中的溶解 度随着温度的降低而减少所造成的【1 4 j 。 1 3 2 镁合金的钨极氩弧焊 由于钨极氩弧焊( t u n g s t e ni n n e rg a sw l e d i n g ，t i g ) 发展较早，目前研究也趋于 成熟，且使用方便并具有较好的经济性，所以在镁合金焊接中应用广泛。在镁合 金t i g 焊中，焊接电流常采用交流，这是由于镁合金的化学性质活泼，表面易氧 重庆大学硕士学位论文 化。t i g 焊中的氩气主要用于保护电极之间的电弧、熔池及焊缝中的热影响区，所 以采用的氩气纯度一般比较高( 9 9 9 9 以上) 。 m i n 等采用t i g 焊对热挤压镁合金a z 6 l 进行焊接时发现，随着线能量的增加， 熔合区和热影响区的晶粒均出现粗化，且连续状d - m 1 7 a l l 2 相减少，颗粒状 b m 1 7 a l l 2 相增加。适当的增加线能量可使焊缝完全焊透并减少气孔，进而提高焊 接接头的极限抗拉强度；但过高的线能量使得锌元素蒸发，削弱了锌和铝的固溶 强化作用，从而导致焊接接头的极限抗拉强度下降【15 1 。x u 等深入研究了2 m m 厚 的a z 6 1 热挤压镁合金t i g 焊接接头的硬度分布状况。研究表明：焊缝底部部分 熔化区和熔合区以及焊缝顶部部分熔化区的显微硬度随线能量的增大而减小，而 焊缝顶部熔合区的显微硬度随着线能量的增大先减小后增大。这是因为金属间化 合物p 相和晶粒大小在焊缝顶部和底部的分布以及主导强化机制不同所致【i 6 | 。 b e n 豫吼u 等通过对变形镁合金a z 3l 进行t i g 焊，并借助t e m 、s e m 、x r d 和 e d s 分析了焊接接头微观组织和腐蚀行为之间的关系【r 7 1 。z h a l l g 和l i u 等通过活 性剂t i g 焊( a t i g ) 对5 m m 厚的变形镁合金a z 3 1 进行焊接，研究了添加c d c l 2 活性剂对a z 3 1 b 镁合金焊接接头微观组织和力学性能的影响。结果显示涂覆c d c l 2 活性剂的接头处熔深是未涂覆的2 倍，涂覆活性剂的焊缝熔合区晶粒比未涂覆的 大，而对于热影响中的晶粒则略大一点，整个焊缝区没有明显的缺陷产生【l8 | 。目 前，国内外对于镁合金的双面t i g 焊也有所研究。s h e n 和c h o 、d b u 巧分别就热挤 压镁合金a z 9 1 和变形镁合金a z 3 1 展开了双面t i g 焊的研究，分析了异常气孔的 形成机理和力学性能的变化规律i l 叼。 1 3 3 镁合金的电子束焊 电子束焊( e l e c 昀nb e a i i lw - e l d i n e b w ) 一般是在真空环境中，利用高能高速 电子流轰击焊件所产生的热能使被焊金属熔合。由于电子束的功率密度高且可控 性好，所以该焊接方法具有焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区狭窄、焊后残 余应力小、尺寸精度高及接头质量良好等优点。由于e b w 设备复杂且昂贵，对焊 件焊前准备工作要求严格，电子束易受到磁场干扰，且焊接时会有x 射线产生易 对人体造成伤害，所以局限了镁合金e b w 的使用。 目前，台湾的c l l i 等人对a z 系列镁合金的电子束焊接进行了较多的研究。分 析指出：接头处的强度和硬度随着a z 系列镁合金a 1 元素( 最高到1 0 ) 的增加而 增加，而韧性下降。这是由于熔合区中的m 1 7 砧1 2 相有所增加。焊接接头的断裂模 型有两种：一种是不规则的熔合区断裂，另一种是规则的热影响断裂。而a z 3 1 b 倾向于前者，a z 9 1 d 趋向于后者，a z 6 1 a 则同时具有两种模型。同时还分析了焊 接参数和缺陷之间的关系，并得出了这三种合金的e b w 最优工艺参数1 2 】彩j 。l o u 等通过建立e b w 焊接热源三维模型对a z 6 1 镁合金的焊接热效应进行了研究，指 4 1 绪论 出e b w 焊接热源会产生出深孔热效应和表面高温金属汽化热效应，且对接头处的 匙孔和机械性能有重要的影响【2 4 j 。 1 3 4 镁合金的激光焊 激光焊( l a s e rb e 锄w 色l d i n g ，l b w ) 是以高能量密度激光束作为热源，对被焊工 件进行精准高效的焊接。由于l b w 具有高能量密度、穿透性强、精准度高、受外 界干扰性小等特点，因此受到了发达和发展中国家的重视，并在航空航天、核工 业、汽车船舶等技术领域迅速发展【2 5 1 。 q u a i l 等用c 0 2 激光焊对1 5 i m 厚的a z 31 镁合金进行了对焊，结果表明远离 焊接中心的晶粒仍是轧制组织，随着到焊接中心距离的减小熔合区以外的组织呈 现出等轴晶，而熔合区中的组织均为细小的等轴晶且有m 1 7 a l l 2 或m 1 7 ( a l ，z d ) 1 2 相 产生。在熔合区的边界有一条含有柱状晶的带状区域。随着焊接线能量的增加， 这条带状区域变宽，这是因为焊接速度的下降导致焊缝区域的凝固和晶粒生长速 率都降低；熔合区中的晶粒增大。这是因为较高的线能量导致冷却速率下降。当 线能量为2 4 jm m _ 1 时，极限抗拉强度达到3 0 5 m p a ，为母材的9 6 8 测。p a d m a l l a b a n 和b a l a s u b r a m a j l i a l l 为获得6 i n m 厚的a z 3 1 b 变形镁合金l b w 最优焊接工艺，进 行了大量的实验。通过改变激光功率、焊接速度和离焦量等不同参数，分析出影 响抗拉强度的最大因素为焊接速度，其次为激光功率和离焦量。并得出最大抗拉 强度为2 1 2 m p a 时的工艺参数为激光功率2 5 k w ，焊接速度为5 0 m m i n ，离焦量 为1 5 l 眦【2 7 1 。 随着科学技术和工业的不断发展，工程上对焊接结构的性能提出了更高的要 求，既要满足性能上的保障，又要节约材料，而这就需要进行异种合金的连接研 究。研究人员成功对异种a z 、a m 和z k 系列镁合金进行了c 0 2 激光焊，并获得 了高质量的焊缝，某些异种合金的焊接接头强度甚至高于同种合金的焊接接头强 度。通过微观组织的观察，在熔合区都得到了m 1 7 a 1 1 2 相，且接头组织晶粒均得到 细化 2 8 刎。 1 3 5 镁合金的激光t i g 复合焊 在2 0 世纪7 0 年代末期，英国科学家提出了利用电弧辅助激光进行焊接的方 法【3 0 1 。激光t i g 复合焊能够弥补单独激光焊或t i g 焊的不足，是一种高效、节能 的先进焊接技术。该技术通过激光与电弧相互作用，可提高焊接速度和能量利用 率、增加熔深、减少焊接缺陷、降低焊接成本。 目前，国内对于镁合金激光t i g 复合焊研究比较多的是大连理工大学的l i u 和s o n g 等人。其中，对a z 3 1 变形镁合金研究比较深入。当进行搭接焊接时，通 过对焊接速度、焦距、激光束与电弧间距等焊接关键参数分析，可得到没有缺陷、 性能良好的焊接接头，并认为焦距和激光束与电弧间距是影响焊缝熔深和外形的 重庆大学硕士学位论文 关键因素。同时，研究还指出激光t i g 复合焊焊缝为典型“图钉型”形貌，且接 头可分为两个区域，一个是只受激光影响的区域，另一个是激光和电弧共同作用 的区域。由于激光t i g 复合焊的线能量在接头处分布不均，所以各个区域的晶粒 尺寸不一致。其接头的剪切拉伸强度达到母材的8 0 。另外，该焊接方法可借助 于电弧等离子体能改进激光小孔成形工艺，使得激光t i g 复合焊的熔深为单独激 光焊的2 倍多，并能得到高质量的焊接接头。与此同时，红外测温系统也已被用 于测量激光t i g 复合焊焊缝温度分布【3 1 。3 3 1 。 1 3 6 镁合金的电阻点焊 电阻点焊一般常用于搭接。将焊件置于两电极之间，然后接通电流并压紧焊 件使产生的电阻热熔化母材，保压冷却后形成一个焊点。由于镁合金的导热率高、 电阻小，所以点焊时要采用很大的电流才能形成熔核，同时，要防止过热以免使 焊件与电极发生粘附现象，影响接头的质量和耐腐蚀性。而镁合金的线膨胀系数 大，所以在熔核凝固过程中易产生变形和裂纹。 s u i l 等进行了1 2 舢 i l 厚a z 3 1 b 镁合金电阻点焊的研究。结果指出，焊接接头 主要由熔核区和热影响区组成。熔核区包括两种组织，一种是位于熔核边缘的胞 状树枝晶，另一种则是位于熔核中心的等轴树枝晶。而这是由于凝固时间不同所 引起的。但焊接电流从1 5 k a 上升到2 3 k a 时，镁合金焊接接头的熔核区增大，使 得最大剪切拉伸力也随着提高。但当焊接电流高于1 5 k a 时，熔核区热裂的敏感性 会增强。而根据h e m s 、o t l l 等的理论，该熔核区的裂纹属于结晶裂纹【3 4 】。s h i 等进 行1 2 m m 厚a z 3 1 b 镁合金点焊时，为了得到更多的热量，在焊件与电极之问各加 了一个1 m m 厚冷轧钢板并成功实现了焊接。通过该工艺，可以在相对较低的焊接 电流条件下，使得焊接接头的熔核区域增大、剪切拉伸力提高。同时，在相同的 焊接条件下，增强电极压力、延长电流衰减时间可以有效抑制气孔的形成，从而 得到较好的焊接接头【3 5 1 。 1 4 镁合金的搅拌摩擦焊接 1 4 1 镁合金的搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊于1 9 9 1 年被英国焊接研究所发明【3 6 】，是一种高效率、低能耗、无 污染、绿色清洁的新型固相连接技术。其原理如图1 1 所示，利用搅拌头高速旋转 通过搅拌针和轴肩与工件产生的摩擦热，使焊缝区的金属达到塑性状态并在轴肩 的压力和搅拌针的旋转作用下向后流动，从而达到固相成形。在进行搅拌摩擦焊 的过程中由于工件被刚性夹具固定，摩擦产热低并有轴肩挤压，所以不会产生飞 溅，不易产生气孔和热裂，且焊件变形小。焊接过程中，由于搅拌针的搅拌作用， 焊缝区会产生塑性流动，并伴随着动态回复和再结晶，使得焊接接头分为三个区 域，即焊核区( s t i rz o n e ，s z ) 、热机影响区( m e m o m e c h a l l i c a l l ya 虢c t e dz o n e ， 6 1 绪论 t m a z ) ，和热影响区( h e a ta 金f e c t e dz o n e ，h a z ) 【3 6 】。 图1 1 搅拌摩擦焊示意图【3 7 j 。 f i g1 1s c h e m a t i cd r a w i n go f 台i c t i o ns t i rw e l d i n g 【3 7 】 g h a r a c h e h 等用f s w 成功焊接了9 m m 厚的a z 3 1 镁合金。研究表明，搅拌针 旋转速度与焊接速度的比值是影响焊接接头力学性能的重要因素。随着比值的增 加接头的屈服强度和抗拉强度都会有所减少，焊核区的晶粒尺寸增大，未焊透现 象减少。这是由于比值的增加导致焊接线能量的提高，使得焊核区中的晶粒增大 并被软化，同时合金的流动性增耐3 8 】。z h a l l g 等研究了f s w 焊接参数对a z 31 热 轧镁合金焊缝缺陷的影响。研究表明，在较低焊接速度下孔洞出现在焊件的连接 线附近，而当焊接速度增加时，孔洞向前进侧移动。另外，孔洞常在较小的轴向 力下发生。这主要是由于焊接温度，高温能使合金塑性流动增强1 3 州。g 等在搅 拌针旋转速度和焊接速度一定的条件下通过改变轴肩直径对6 3 m m 厚a z 3 1 热轧 镁合金进行了f s w 研究。结果表明，随着轴肩直径的增加焊接线能量随着增加， 接头的抗拉强度和延伸率都有所增加，最大的抗拉强度能够达到母材的8 6 【4 。 由于搅拌摩擦处理( f r i c t i o ns t i rp r o c e s s i n g ，f s p ) 具有使晶粒细化的特点，而根 据h a l l p e t c h 公式可知，更细小的晶粒能使材料具有更高的强度和硬度。于是一些 学者便利用该技术，在工件中加工一个宽度比搅拌针直径小，深度比搅拌针长度 短的方形槽，然后把纳米级颗粒放入槽中，通过搅拌针的旋转作用使得其附的金 属晶粒尺寸甚至能达到纳米级。m o r i s a d a 等在进行a z 31 镁合金f s p 时分别加入 了纳米级的c 6 0 、多壁碳纳米管( m w c n t s ) 、s i c 颗粒，结果搅拌区中的晶粒尺寸 比没有加入纳米颗粒的要更小，硬度都为7 8 h v 以上，而加入c 6 0 的晶粒尺寸达到 了1 0 0 m ，硬度则接近1 2 6 h v 州j 。 重庆大学硕士学位论文 1 4 2 镁合金的搅拌摩擦点焊 ( 一) 搅拌摩擦点焊概述 搅拌摩擦点焊( f r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n g ，。f s s w ) 技术是在搅拌摩擦焊的基础上 重新开发的一种固相连接技术【4 4 】。该技术的基本原理与搅拌摩擦焊的相同，通过 高速旋转的搅拌头与工件之间产生的摩擦热，使得搅拌头附近的材料处于塑性状 态，并且随着搅拌的头旋转产生流动，在轴肩轴向压力的作用下使得搭接的两个 工件完成连接，最后形成一个点焊接头。搅拌摩擦点焊的焊接接头与搅拌摩擦焊 的一样【4 4 1 ，也是由焊核区、热机影响区和热影响区三部分组成，其中搅拌区由细 小的等轴晶组成；热机械影响区由被拉长的晶粒和部分动态再结晶的晶粒组成； 热影响区则位于热机械影响区和母材之间，通常位于该区域的晶粒比较粗大，如 图1 2 所示。 图1 2 搅拌摩擦点焊接头。 f i 9 1 2t h e 丹i c t i o ns t i rs p o tw e l d e dj o i n t 目前，搅拌摩擦点焊技术分为两类：一类是焊后有匙孔的，另一类是焊后没 有匙孔的。1 9 9 3 年，日本马自达公司和川崎重工【4 5 】共同研发出了搅拌摩擦点焊技 术，该技术工艺简单，但是焊后会在焊点处留下一个退出孔，也叫匙孔。图1 3 为 具有退出孔的搅拌摩擦点焊示意图。焊接时，首先将两个待焊工件搭接在一起放 在垫板上，用夹具固定，然后将高速旋转的搅拌头缓慢插入到待焊工件；当搅拌 头轴肩与工件接触后，停留一段时间，使搅拌针周围的材料软化并结合在一起， 实现上下两个板材的连接；最后，焊接结束后回撤搅拌头，在焊点处留下一个退 出孑i 。 1 绪论 u p p e rs h e e tl o w e fs i l e e tw e l dk e y h o l e 图1 3 带有退出孑l 的搅拌摩擦点焊h 6 1 。 f i 9 1 3f r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n gw i t hak e y h o l e 【4 6 1 在1 9 9 9 年，德国的g k s s 研究中心【4 7 1 研发出了一种无退出孔的搅拌摩擦点焊 技术。该方法采用具有分离搅拌针和轴肩的搅拌头，焊接过程通过精确控制搅拌 针和轴肩的相对运动，在搅拌针回撤的过程中完成材料的回填，最后形成没有退 出孔的焊点，如图1 4 所示。 医匾匿匮 图1 4 回填式搅拌摩擦点焊( 无退出孔) 【4 8 1 。 f i 9 1 4r e f i l l 疗i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n g ( w i t h o u tak e y h o l e ) 【4 8 1 虽然第二种方法焊后没有退出孔，但是搅拌针和轴肩之间要形成相对复杂的 运动，对设备的精确度要求很高，成本较大，同时完成填充需要较长的时间；而 第一种方法焊接设备和操控系统简单，焊接速度较快，更适合大批量汽车组装生 产线的应用。马自达i _ 8 型跑车的后车门和发动机罩便应用了第一种焊接技术 【4 9 】 o ( 二) 搅拌摩擦点焊优缺点 搅拌摩擦点焊的优点【5 0 j 如下： 1 ) 焊接接头质量较好，变形小，无裂纹、夹杂和气孔等杂质； 2 ) 焊接过程中不需要添加材料； 3 ) 焊接过程中无烟尘和飞溅，对环境无污染； 4 ) 焊接过程中能量消耗较少。 搅拌摩擦点焊的缺点1 5u j 如下： 1 ) 搅拌头的磨损较大，需要经常更换搅拌头； 9 ；章靼 璺藿一 由壁鬃毒 重庆大学硕士学位论文 2 ) 需要设计特定的夹具； 3 ) 只能应用于部分合金材料，应用面较窄； 4 ) 焊后焊点处会留有匙孔，不美观。 ( 三) 镁合金搅拌摩擦点焊研究现状 目前，有关镁合金搅拌摩擦点焊的研究较少，而现有的研究主要集中在焊接 接头的微观组织方面。 搅拌摩擦点焊的优点之一是不会产生焊接裂纹等缺陷。而s u 等人【5 l j 对a z 9 1 d 镁合金搅拌摩擦点焊进行研究