AZ31镁合金NSA-TIG焊接溶池运动规律及接头性能强化机理研究

摘要

镁合金由于其优异性能（密度低、比强度和比刚度高、减震性好、电磁屏蔽性能优良、切削加工性好等），在交通运输、消费电子、航空航天、国防军工等领域都具有广阔应用前景。然而由于滑移系{0001}<1120>、孪生系{1012}<1011>和密排六方结构导致镁合金在室温下成型能力有限。因此，对于利用铸造和锻压工艺难以制备的镁合金复杂结构件，以及实现镁合金材料之间的连接，焊接是重要的技术手段，对其进行技术创新和科学机理研究十分重要。钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas Arc Welding, TIG）由于其经济性和适用性被主要应用于镁合金的焊接技术中。本文通过数值模拟、宏观形貌观察、显微组织分析和力学性能测试，系统研究了纳米SiC颗粒进入AZ31镁合金纳米增强活性钨极氩弧焊接（Nano-particles Strengthening Activing Flux TIG Welding, NSA-TIG）接头后的运动演变规律及其对接头宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。通过模拟仿真与实验相结合，揭示了纳米颗粒在熔池中的分布规律及其主要影响因素。通过实验探究分析了纳米SiC颗粒溶入焊接接头后与基体发生的化学变化和产物，以及这些产物对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头微观组织和力学性能的影响。
　　本研究利用Fluent软件，建立三维瞬态移动热源作用下NSA-TIG焊焊接熔池的数学模型。从模拟结果可知：溶池内Marangoni对流主要受到表面张力的影响，其次是电磁力的作用，浮力的影响最弱。Marangoni对流的方向可以通过活性剂的成分来控制，在仅用纳米SiC颗粒做活性剂的溶池中，由于 Marangoni对流从溶池中央向边缘运动并带动了纳米SiC颗粒，使其难以融入溶池中，故而纳米SiC颗粒主要分布于溶池表面。而在TiO2和SiC复合活性剂的焊接接头中，Marangoni对流带动纳米SiC颗粒向溶池中央和底部运动，但由于纳米 SiC颗粒还受到电磁力的搅拌作用，虽然纳米 SiC有一定的分布于溶池中央和底部的趋势。但其最终会均匀分布于溶池中。SiC颗粒溶入熔池后，大部分与基体中的Al反应，生成了Al4C3和单质Si，而单质Si进一步与Mg反应生成了Mg2Si相，其中Al4C3相是基体相α-Mg的形核剂，而Mg2Si颗粒则作为弥散相起到了增强NSA-TIG焊接接头的力学性能的作用。此外随着纳米增强活性剂表面涂覆密度的增加，接头的宏观形貌逐渐变差，熔池逐渐加深，焊缝加宽；焊缝中SiC数量增加，焊缝中α-Mg晶粒尺寸减小，第二相的β-Mg17Al12的体积分数减少；焊接接头的微观硬度逐渐增加，极限抗拉强度增加。当表面涂覆密度为20mg/cm2时，焊缝中α-Mg晶粒尺寸最小，第二相的β-Mg17Al12的体积分数最小，NSA-TIG焊接接头的力学性能达到最大。此后，随着表面涂覆密度的继续增加，焊缝中的SiC开始团聚，熔池中的α-Mg晶粒尺寸增大，第二相的β-Mg17Al12的体积分数增多，焊接接头的极限抗拉强度急剧降低，显微硬度继续变大。

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1 绪 论

1.1镁及其合金的性质

1.2镁合金的应用

1.3镁合金焊接技术

1.4 镁合金的A-TIG焊接技术

1.5 焊接熔池数值模拟

1.6本文的主要研究内容

2 研究内容与方法

2.1 数值模拟方法

2.2 实验研究方法

3 模拟研究溶池中各驱动力对AZ31镁合金NSA-TIG焊接溶

3.1 引言

3.2 三维瞬态移动热源下的焊接熔池数学模型的建立

3.3溶池中各驱动力对溶池温度场、速度场分布规律的模拟结果比较

3.4 本章小结

4 Marangoni流对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头中的纳米SiC颗粒分布规律的影响

4.1 引言

4.2 Marangoni对流方向对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头中的纳米颗粒分布规律的影响

4.3 Marangoni对流强弱对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头中的纳米SiC颗粒分布的影响

4.4 本章小结

5 不同表面涂覆密度的纳米增强活性剂对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头的影响

5.1引言

5.2不同涂覆密度的增强活性剂对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头宏观形貌的影响

5.3 不同涂覆密度的增强活性剂对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头显微组织的影响

5.4不同涂覆密度的增强活性剂对AZ31镁合金NSA-TIG焊接接头力学性能的影响

5.5 本章小结

6 全文结论

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录：