外文翻译--搅拌摩擦焊焊接AZ31镁合金的微观组织结构研究 中文版.doc

郭太平 20013042 外文翻译搅拌摩擦焊焊接AZ31镁合金的微观组织结构研究HZhang SBLin Wu and JCFeng高端焊接生产技术实验室，哈尔滨技术研究所，哈尔滨150001，中国截稿日期2003年6月30日，修订时间2003年10月18日搅拌摩擦焊焊接是通过焊接工具旋转所产生的摩擦热使母材塑性软化来实现焊接的，其结果导致了镁合金微观组织结构的改变。最终的微观组织结构包括动态的再结晶区和自然结构区，这些结构已经系统地用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、能量分光镜、X射线衍射，以及微观硬度计来研究过了。搅拌摩擦焊成功地焊接了AZ31镁合金，同时也表现出微观组织结构发生了很大的变化，这些变化包括动态的再结晶区和母材的晶粒细化区，与最初材料的硬度相比，母材的硬度有了稍微的变化，但不是很明显。关键词：搅拌摩擦焊，AZ31镁合金，焊接母材，机械热影响区，微观组织结构1导论近些年，镁合金的工业生产量以每年20%的速度增长，其发速度比任何金属都快。镁合金比相同密度的工程材料更硬，回收率更高。同等体积的镁合金制造产品的重量大约为钢的23%，随着重量的下降，重量每减少100Kg，燃料就可减少5%，然而用传统的熔化焊来焊接镁合金则更容易产生气孔和裂纹。搅拌摩擦焊技术是一种连接镁合金的新技术，这种技术是英国焊接研究所1991年研制成功的。与其它焊接方法相比，这种焊接方法具有低变形率、高连接强度的特点，并且还可以连接大多的钛合金。搅拌摩擦焊焊接是通过焊接工具高速旋转与材料的摩擦热来使母材塑性软化来实现固相连接的，其结果导致了镁合金微观组织结构的变化。搅拌摩擦焊焊接过程中微观组织结构的改变一度成为研究的对象，这种改变说明在搅拌摩擦过程中摩擦热引起了明显的微观组织结构改变，这种改变导致了焊接接头机械性能的变化。所以，微观组织结构与机械性能的关系是非常重要的，但是这种关系的详情到目前还不知晓。到目前为止，大多研究都集中于铝合金的搅拌摩擦焊，很少集中于镁合金。此次研究的目的就是证明搅拌摩擦焊连接镁合金的可能性，用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、能量分光镜、X射线衍射以及微观硬度计来观测组织结构的形成和分布。2实验此次研究所使用的基体金属为锻造镁合金AZ31（名义上含有3%铝，1%锌，在重量百分比中与镁相等），2.5mm厚，100mm宽，200mm长。两块材料是由用150mm/min的焊速和750r/min的转速进行搅拌摩擦焊连接起来的。有助于结构试验的焊缝冶金学检验也被采用。焊接是横向进行的，所有的部分都是平行于焊缝的。相对软的，电抗性的AZ31镁合金用氧化镁溶液锃亮。此锃亮的表面是由2g/100ml的草酸溶液腐蚀的。用新鲜的酒精重复地泼向表面以阻止残渣的形成。焊缝的微观组织结构可通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、能量分光镜分析系统来观察。为了用透射电镜观察，3mm直径的薄圆板用电子控制机械从焊缝上切割下来。搅拌摩擦焊焊后。在焊缝的正交方向上用维氏硬度计测量焊缝的硬度。3结果与讨论图1图1显示的是一个用搅拌摩擦焊焊接的典型样品，同时也图解了来自焊接件粒度结构的变化。焊接方向未标出，旋转方向是逆时针的。焊接过程中不仅仅产生热影响区，在焊缝附近也产生机械热影响区。焊接母材与深入厚度方向上的指针相接触。广大的区域变形和随后的再结晶与旋转的工具轴肩是有关系的。用搅拌摩擦焊焊接2.5mm厚的AZ31镁合金板可以形成一个大约5mm宽的焊透的焊缝。31 微观组织结构的发展图 2用光学显微镜来观察是为了说明如图2a所示的微观组织结构的特点。焊缝区域（图2b和c）是由细化的再结晶的微小颗粒组成。这些区域都经受过高温、很大程度的塑性变形，并且含有比基体金属更细化的颗粒。被焊接位置前面的材料首先进入旋转区域，该区域与指针一起旋转前进，同时也发生了很大的变形。指针前面的金属被拖被挤，然后到指针后面的金属中。焊接位置前部的和后部的金属都由细小的颗粒构成，几乎没有什么不同。接近焊缝的是机械热影响区，在机械热影响区中的基体金属也经历了一些变形。机械热影响区在搅拌摩擦焊焊接过程中经历了高温和变形，但这样的变形不足以引起再结晶。图2d揭示了机械热影响区的变形可以导致颗粒结构的严重弯曲。图2e说明了焊缝区和机械热影响区的粒度不同。图2a显示AZ31基体金属的颗粒是被拉长的，成薄烤饼形的，反映出变形是在旋转过程中产生的。相反，焊缝的组织结构在搅拌摩擦焊焊接过程中由于再结晶而显得更加细小和各方等大。32 透射电镜分析图3基体金属区域、机械热影响区和焊缝区的透射电镜镜像如图3a所示。透射电镜镜像说明机械热影响区和焊缝区有较高位错密度的颗粒群（如图3d和c）。图3c显示搅拌摩擦焊焊接的AZ31镁合金有再结晶晶粒的焊缝，同样含有很高的位错密度。动态的再结晶过程的结晶部分以尽可能多的能量来驱动自身的移动。自从材料还如动态再结晶过程一样联系比较紧密的时候，在移动方向的前方非结晶材料和移动方向的后方结晶材料中，搅拌区域中结晶颗粒被观察到含有一定的位错。事实上，在移动方向后方有些位错密度减小的区域，但是这些区域相对较窄，用透射电镜不容易观察到。图3a显示的是基体材料得到的许多成对变形中的一个样板。这些成对的变形，腐蚀过的要在显微照片上观察到是很困难的（如图2）。图3d是焊缝区域和机械热影响区域的组织的能量分布图。镁和锌元素在重量百分比中各占51.1%和48.9%，而在机械热影响区中的原子比例各占73.8%和26.2%，如图3e所示。机械热影响区组织的成分可以被计算的X和Y的比率为2.83。同样地，在焊缝组织中X和Y的比率为0.114。铝镁组织图显示，高于593K的温度会引起分子的分碎，分碎为原子。在焊缝和机械热影响区中，搅拌摩擦焊焊接过程中足够的摩擦热可以引起不包含共熔结构的微观组织结构的变化，这或许可以解释为什么在焊缝和机械热影响区的组织中不含铝元素。33 X射线衍射帕克曾明确指出，有一个0001面的再结晶组织很另类地分布在搅拌摩擦焊的搅拌区域。镁合金是一个六面体结构。X射线衍射表明，在搅拌摩擦焊焊接过程中没有新组织产生，仅仅由于优先选择方向而加强了002面和101面的强度（如图4）。这可以用来均匀化搅拌摩擦区域的位错积累。图434 硬度在材料的平均厚度位置，在与搅拌摩擦区域垂直的方向上，基体金属上沿着一条线来做维氏硬度测量。上海XH1000数字硬度测试机加以0.5N的载荷。图5绘出了测量结果。图5搅拌摩擦区域硬度值有一点点空缺，这与硬化铝合金的硬度和强度空缺是大不相同的，这种铝有Al2024，6061和7075，没有强度空缺或其它特性突变的先进的焊接方法可能会在镁合金的搅拌摩擦焊焊接中出现，在此焊接中不会发生退火效应。这样的情况会出现在很多的锻造和铸造产品中，例如压铸件镁合金AZ91D，还有其它合金，如AM50和AZ60，这些合金含有很少的。退火效应在AZ31B合金中没有发生过。4组织结构发展机制在搅拌摩擦焊焊接过程中，轴肩与基体金属的摩擦产生了足够的热量来使材料塑性变软并变形，从而形成好的接头。焊接温度低于相变点并且没有新相产生，但是存在一个动态再结晶过程。在焊缝区域的热和变形是集中的，在指针周围存在塑性变软的材料，之后冷却形成可靠的接头，在冷却过程中由于动态再结晶作用形成了许多新核。镁合金具有很好的导热性，晶粒没有时间长大，所以随着冷却的迅速完成仍然是细小的。机械热影响区同样经历了变形和再结晶，但不像焊缝区域那样明显，这是因为机械热影响区在指针的周围，仅受轴肩的影响，微观组织结构的变化主要依靠轴肩与指针的摩擦。考虑到基体金属的晶粒，在旋转操作过程中产生的格子位错可以得到低能量位错结构，也可以均匀地分散在晶粒的内部。5结论用搅拌摩擦焊焊接AZ31镁合金可以得到低变形和无裂纹的焊缝。在搅拌摩擦焊焊接AZ31镁合金时，检验微观组织结构与硬度轮廓分布的研究运用了光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、结果如下：（1）焊缝的晶粒结构可分为三个区域：焊缝中心周围的再结晶细化晶粒；在基体金属中被拉长和呈薄烤饼形的晶粒；在机械热影响区内的有很大变形的晶粒。（2）焊缝硬度稍微低于母材硬度，但不是很明显。（3）焊缝中无新相产生，但存在高的位错错密度。致谢这项工作受到中国国际高端技术开发基金会的支持，作者非常感谢吴博士对手稿有建树性的阅读指导，也很感谢J.X.Ning和G.H.Xue两位同志对实验的协助。参考文献1 RJohnson，Prelinan Assessment ofthe Friction Stir Welding ofMagnesium Alloys(The Welding Institute，UK,March，2002)7382 SHCPark,YSSam and HKokawa,Sct Mater 49(2o03)l613 WMThomasandEDNicholas，MaterDesign 16(46)(1997)2694 JAEsparza,WCDavis，EATrillo and LEMurr, MaterSciLett21(12)(2002)9175 LEMutT,GLiuandJCMcClur， MaterSci 33(5)(1998)l2436 FContrcras，EATrilloandLEMurr, MaterSci37(1)(2002)897 KColligan，WeldJ78(7)(1999)2298 YLiYing，Trill0EAandLEMuir, MaterSciLett1粤I(12)(200)10479 ASandersonCSPunshon andJDRussell，Fusion Engand Design495o(2000)7710 MASutton,BYang，APReynolds，andRTaylor，MaterScL Eng脚(2002)1601l LEMurr