镁合金焊接性及激光冲击强化镁合金焊接件研究

摘要

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、导热性好、易回收等优点，被誉为21世纪的“绿色工程材料”，在航空航天及交通等领域有着广泛的应用前景。但镁合金强度低、耐蚀性和焊接性能差，限制了其优越性的发挥。随着能源问题和环境问题的日益严峻，构件的轻量化成为解决这些问题的重要途径。因此，加大镁合金基础研究，不仅符合我国可持续发展的需要，而且经济和社会效益十分可观。为此本文开展了AZ31B镁合金氩弧焊焊接性研究及焊接件激光冲击强化研究，为镁合金表面自纳米化和冲击韧性的提高提供了新的工艺方法，在镁合金氩弧焊接件表面改性处理方面，具有重要的实用价值。
　　 采用钨极氩弧焊接方法，根据优化的焊接工艺参数:焊接电流45～50A，钨极直径φ2mm，焊丝直径φ2唧，保护气体（氩气）流量8～10L/min，焊接速度以获得理想的焊接接头为准。利用自制的焊丝，采用单面焊接双面成型工艺手工焊接2.2mm厚AZ31B镁合金薄板，获得了理想的焊接接头。观测了焊接接头宏观和微观结构，测定了焊缝成分、残余应力、动电位极化曲线以及焊接件力学性能，分析了焊缝组织成分的变化、残余拉应力和焊接缺陷产生的原因。实验结果表明:焊接头熔池由细小的等轴晶组成，热影响区晶粒粗大，TIG焊接件抗拉强度为母材的70％，热影响区表层残余拉应力高达60MPa，TIG焊接件自腐蚀电位减小了27mV，腐蚀电流增大了41.4％，说明AZ31B镁合金焊接件在3.5％NaCI溶液中的腐蚀倾向高于母材。
　　 根据优化的激光工艺参数，采用法国Thales公司研制的YAG激光器，波长为1.054μm，脉冲宽度为15ns，脉冲能量4J，光斑直径3mm，选用美国3M公司生产厚度为0.1mm的铝箔作为涂层，选用厚度为3mm水帘作为约束层，在AZ31B镁合金焊接件热影响区表面制得纳米晶，表层纳米晶粒大小在35nm左右。测定了残余应力、动电位极化曲线、力学性能。与基体硬度(61.4HV)相比，表面硬度提高了78.2％，塑性变形层深度达到800um左右;激光冲击强化不但消除了焊接件表面有害的残余拉应力，而且在焊缝热影响区诱导的残余压应力高达—125MPa;激光冲击强化后，AZ31B镁合金焊接件腐蚀电位正移88my，腐蚀电流减小了73.4％，说明激光冲击强化降低了AZ31B镁合金焊接件在3.5％NaCl溶液中的腐蚀倾向。
　　 室温拉伸实验表明:激光冲击强化使镁合金AZ31B抗拉强度提高了15.2％左右，屈服强度提高了15.7％，但延伸率下降了2％左右，这说明激光冲击强化在提高镁合金强度的同时，塑性略有下降。夏比冲击实验表明:激光冲击强化后AZ31B镁合金的平均冲击功由原来的3J增大到4.8J，提高了60％，这表明激光冲击强化提高了AZ31B镁合金冲击韧性。运用数理统计的方法，对激光冲击前后AZ31B镁合金TIG焊接件夏比冲击功进行数字特征分析，发现二者存在显著差异，得出了激光冲击强化对AZ31B镁合金TIG焊接件夏比冲击功有显著影响的结论。激光冲击强化诱导AZ31B镁合金TIG焊接件力学性能提高的机理是晶粒细化、形变强化和残余压应力共同作用的结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 镁合金的特性和应用

1．1．1 镁合金的特性

1．1．2 镁合金的应用

1．1．3 镁合金应用中存在的主要问题

1．2 镁合金焊接技术研究现状

1．2．1 钨极气体保护焊(TIG焊)

1．2．2 熔化极钨极氩弧焊(MIG)

1．2．3 激光焊(LBW)

1．2．4 搅拌摩擦焊(FSW)

1．2．5 电子束焊(EBW)

1．2．6 电阻点焊(RSW)

1．3 激光冲击强化技术的研究现状

1．3．1 激光冲击强化的原理和特点

1．3．2 激光冲击强化技术的研究现状

1．3．3 激光冲击强化技术在焊缝表面改性中的应用研究

1．4 本论文选题的意义和研究内容

1．4．1 选题的意义

1．4．2 研究内容

第二章 AZ31B镁合金TIG焊接工艺及性能研究

2．1 引言

2．2 实验材料及方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 试样制备

2．2．3 实验仪器

2．2．4 AZ31B镁合金TIG焊接工艺

2．2．5 AZ31B镁合金TIG焊接件拉伸实验

2．2．6 电化学实验

2．3 AZ31B镁合金TIG焊接件组织与性能

2．3．1 AZ31B镁合金TIG焊接件宏观形貌

2．3．2 AZ31B镁合金TIG焊接接头微观组织

2．3．3 析出相化学成分分析

2．3．4 焊缝元素分析

2．3．5 AZ31B镁合金TIG焊接件热影响区表层残余应力

2．3．6 AZ31B镁合金TIG焊接件拉伸性能

2．3．7 极化曲线

2．3．8 物相分析

2．4 AZ31B镁合金TIG焊接缺陷分析

2．4．1 热裂纹

2．4．2 气孔

2．5 本章小结

第三章 AZ31B镁合金TIG焊接件激光冲击强化实验研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 试样的制备

3．2．2 实验仪器

3．2．3 激光冲击实验

3．2．4 拉伸实验

3．2．5 夏比冲击实验

3．3 激光冲击工艺参数的优化

3．3．1 一维应变问题的本构方程

3．3．2 激光功率密度的选择

3．3．3 涂层与约束层的选择

3．4 激光冲击强化对AZ31B镁合金TIG焊接件表层微观组织结构的影响

3．4．1 物相分析

3．4．2 激光冲击强化诱导表面纳米化

3．5 激光冲击强化诱导残余压应力

3．6 极化曲线

3．7 激光冲击AZ31B镁合金焊接件显微硬度变化

3．8 激光冲击强化对AZ31B镁合金焊接件拉伸性能的影响

3．8．1 拉伸实验结果

3．8．2 拉伸断口分析

3．9 激光冲击强化对AZ31B镁合金焊接件冲击韧性的影响

3．9．1 夏比冲击实验结果

3．9．2 数理统计分析

3．9．3 夏比冲击断口分析

3．10 力学性能提高的机理

3．10．1 细晶强化

3．10．2 形变强化

3．10．3 激光冲击强化诱导的残余压应力对裂纹的抑制作用

3．11 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况