镁合金钨极氩弧焊、激光焊及搅拌摩擦点焊接接头微观组织和力学性能的研究

摘要

镁合金具有密度低、比强度高、热传导性好、抗震性能优良，以及电磁屏蔽性能好等优点，在汽车、航空航天和电子信息工业中有着广阔的应用前景。然而，镁在常温下具有密排六方晶体结构，滑移系少，塑性变形能力低。这些性质导致镁合金复杂结构件的生产与制备困难且成本较高。因此，采用焊接的方法将镁合金简单结构件连接成复杂结构件就成为镁合金结构件制造业中既节约成本，又降低工艺复杂性的有效措施之一。本文以AZ31和AZ61变形镁合金为研究对象，通过调整不同焊接工艺下的焊接参数，并结合显微组织分析方法和机械性能测试，系统地研究了不同线能量和焊接速度对镁合金激光焊和钨极氩弧焊接接头微观组织和机械性能的影响，澄清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；并采用强化机理模型预测了镁合金大功率激光焊接接头屈服强度增强机理。最后针对镁合金塑性变形能力较差的特点，开发了一种新型的热搅拌摩擦点焊焊接技术，分析了AZ31镁合金热搅拌摩擦点焊接头特点，并揭示了其拉伸性能的提高机理。在实验事实的基础上，结合理论分析，得到以下主要结论：
　　 通过研究线能量对AZ61镁合金钨极氩弧焊接接头微观组织和力学性能的影响，系统地研究了熔合区和热影响区微观组织、极限抗拉强度和显微硬度与焊接线能量之间的关系。结果表明：线能量增加不仅导致AZ61镁合金钨极氩弧焊接接头热影响区宽度增加，热影响区和熔合区晶粒粗化，而且使热影响区和熔合区中连续状β-Mg17Al12相减少而颗粒状或不连续状β-Mg17Al12相增多。过低的线能量会导致焊缝中出现未焊透和气孔，从而降低了焊接接头的极限抗拉强度。由于锌元素的蒸发，过高的线能量也会使焊缝接头极限抗拉强度轻微下降。焊接接头拉伸断裂位置经常出现在热影响区且断口形貌呈现出典型的脆性和韧性的混合断裂。焊接接头热影响区显微硬度值明显低于母材和熔合区的显微硬度值。随着焊接线能量的增加，焊缝热影响区和熔合区显微硬度值急剧下降后变化趋于平缓。
　　 通过改变焊接线能量，探索了小功率条件下AZ61变形镁合金薄板脉冲激光焊接头微观组织特点及其焊接性能。结果表明：在较小功率条件下，AZ61变形镁合金激光焊缝熔深随着焊接线能量的增加而增加。焊缝表面上稀薄而稳定的等离子体有利于激光焊焊缝熔深增加。随着焊接线能量的增加，受成分过冷度变化的影响，AZ61变形镁合金激光焊焊缝熔合区中，接近部分熔化区的临界区域中微观组织呈现胞状晶→胞状树枝晶→树枝晶→等轴晶的转变。另外，适当提高线能量可以减小镁合金激光焊接接头应变率，进而降低焊缝中凝固裂纹形成的可能性，但过高的线能量又会导致焊缝热影响区液化裂纹增加。本研究中，在焊接线能量为68J.mm-1时，AZ61变形镁合金小功率激光焊焊缝中热裂纹最少。当采用小功率激光焊接镁合金时，其焊缝中的气孔主要为氢气孔。随着焊接线能量的增加，焊缝区氢气孔率和气孔平均直径先增加到峰值，然后减小到接近于零。在较小功率条件下，随焊接线能量的增加，AZ61变形镁合金激光焊焊缝熔池的烧损程度呈现线性比例增加。
　　 通过微观组织观察、拉伸测试和显微硬度测试研究了AZ61镁合金大功率激光焊接速度对焊接接头微观组织和机械性能的影响并讨论了焊接接头强化机理。结果表明：同含细小晶粒的母材相比，焊接接头熔合区主要由细小等轴树枝晶、等轴晶和弥散分布的条状和颗粒状β-Mg17Al12 相组成。随着焊接速度的增加，条状β-Mg17Al12 相减少，而颗粒状β-Mg17Al12 相不断增多。另外，随着焊接速度的增加，焊缝熔池冷却速度增加，焊缝熔合区中β-Mg17Al12相的体积分数增加而β-Mg17Al12相粒子尺寸和α-Mg 晶粒尺寸减小。焊接速度的增加提高了焊接接头的极限抗拉强度、屈服强度和延伸率。焊接接头屈服强度的提高可以归因于细晶强化、固溶强化和沉淀强化，其中沉淀强化对屈服强度的增强作用最大。同热影响区和母材的显微硬度值相比，熔合区显微硬度值由于晶粒细化和β-Mg17Al12相体积分数的增加而显著提高。当焊接速度从1800mm.minute-1增加到2800mm.minute-1时，熔合区显微硬度值从相当于母材硬度的103％增加到116％。同镁合金固相搅拌摩擦焊相比，镁合金熔化焊接接头熔合区显微硬度对晶粒尺寸的变化更为敏感。
　　 针对镁合金塑性变形能力较差的特点，开发了一种新型的热搅拌摩擦点焊焊接技术用来改善其焊接性。在本研究中，通过微观组织观察和拉伸测试研究了加热对AZ31镁合金搅拌摩擦点焊接接头的影响。结果表明：同未加热搅拌摩擦点焊接接头相比，热搅拌摩擦点焊接接头连接区宽度显著提高且连接区中的部分反应区宽度明显减小。另外，由于持续热源的使用，在搅拌摩擦点焊焊接过程中，镁合金的塑性得到大幅提高，材料的流动能力增强，显著降低了热搅拌摩擦点焊接接头中的气孔率。由于连接区宽度的增加和气孔率的降低，AZ31镁合金搅拌摩擦点焊接接头的拉伸性能同未加热的相比有大幅提高。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

2 研究内容与方法

3 镁合金钨极氩焊接接头微观组织和力学性能的关系

4 焊接线能量的变化对镁合金小功率激光焊接性能的影响

5 焊接速度对镁合金大功率激光焊接接头微观组织和力学性能的影响

6 镁合金搅拌摩擦点焊接接头微观组织和力学性能分析

7 全文结论

致 谢

参 考 文 献

附 录