毕业论文-镁铝异种熔焊接头组织分析.doc

学院毕业论文 摘 要镁合金密度一般小于2g/cm3，是目前最轻的金属结构材料。镁合金具有高的比强度,强度比铝合金还要高，而与高强合金结构钢相近，尺寸稳定性高,机械加工性能好,易于回收利用，被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。由于镁合金的低密度和低熔点，热导率、电导率及热膨胀系数大，化学活性强，易氧化等特点，使镁合金的焊接易产生热裂纹、气孔、合金元素烧损和焊缝区软化等问题，从而大大限制了镁合金在汽车、飞机、船舶等结构中的应用。因此，镁合金构件之间以及镁合金与其他材料结构件之间的连接已成为制约镁合金广泛应用的障碍和亟待解决的关键技术问题，其中镁与铝的连接就是重要的问题之一。本文以镁和铝为研究对象, 通过研究熔融态镁和铝的金属液相及合金金相组织，找到镁与铝融合的稳态金相，然后通过对各种焊接工艺的分析,对镁和铝焊接性进行探索研究,从接头的微观组织和元素分布状况分析能达到预想目的的工艺，从而选出最优的方法。本文通过对镁铝异种金属的连接问题的总结和分析，为以后对镁、铝异种金属连接的深入研究提供借鉴。关键词：Mg/Al，异种材料，熔焊AbstractDensity of magnesium alloys in general are less than 2g/cm3, is currently the lightest metal construction materials. Magnesium Alloy with high strength, higher strength than aluminum, and similar to the structure of high - strength alloy steel, dimensional stability of High Machining performance, and ease of recycling, known as the most development potential in 21st century and the future of Green Engineering Materials . Due to low density lipoprotein and low magnesium alloy melting point, thermal conductivity, electrical conductivity and thermal expansion coefficient, chemical activity, and is easy to oxidize and other features, easy to produce heat cracks, pores, welding of magnesium alloy weld zone softening of alloying elements and burning issues, which greatly limits the application of magnesium alloy in automobiles, aircraft, ships and other structures. Therefore, between the components of magnesium alloys and magnesium alloys and other materials and structures have become the connection between a wide range of obstacles to the application of magnesium alloy and its key technology issues, one of the connections of magnesium and aluminum is one of the important issues.In this paper, magnesium and aluminum for the study, by studying liquid metal and molten magnesium and aluminum alloy microstructure, find magnesium and aluminum fusion steady - state metallurgical, and then by various Welding Process Analysis, Research on welding properties of magnesium and aluminum, from the joint analysis of the distribution of microstructure and elements to achieve the expected end of the process, and choose the best method. This article by summarizing and analyzing the problem of the connection of MG Al dissimilar metals, for the future study of magnesium, aluminum dissimilar metal connections provide a basis for reference.Key words : Mg/Al, dissimilar welding, fusion welding21目 录前 言11异种金属的焊接311影响异种材料焊接性的因素312获得优质异种焊接接头的措施413异种材料的焊接方法52 镁铝异种金属的非熔焊621 镁铝的压焊621 .1扩散焊6212 搅拌摩擦焊722镁铝的钎焊93 镁铝的熔焊1031 激光焊113.1.1 激光焊接技术的优点1132 TIG焊133.2.1 TIG焊简介133.2.2 TIG焊在镁铝合金焊接中的试验1333激光TIG焊153.3.1 激光TIG焊简介153.3.2 实验分析1534激光胶接焊18总 结19致 谢20参考文献21前 言近年来我国经济高速发展，对高铁、高速公路等基础设施方面的投入加大。然而，高速运输事业的发展离不开高速运输交通工具的发展，尤其当今汽车工业正不断转变为支柱产业的时刻。国内外在汽车、轻型轨道列车、高速列车等方面投入了大量的经费、科研力量攻克技术难关。然而，全球日益严峻的能源危机、环境问题迫使现代的设计理念发生了巨大的变化，节能亦成为设计时的必要设计理念之一。就汽车与轨道列车而言，对其结构和空气动力学不断优化可分别减小自重以降低路面阻力，降低行驶中的风阻，都是降低能耗的有效措施。另外，提高内燃机效率也是降低能耗的措施之一，如燃油喷射电子控制、涡轮增压等技术的广泛应用。但这些技术的发展都存在难以突破的瓶颈，制约了节能技术的发展。目前，汽车轻量化技术的发展使得节能技术有了新的发展方向。随着材料科学与制造业的发展，选用异种材料制作结构件突显出其在实际应用中的优势。轻型有色金属及其合金的应用愈来愈广泛，许多场合钢结构正逐渐被轻型合金取代。如发动机缸体已经开始采用镁合金、铝合金，飞机、航天器等还大量使用了钛合金。针对不同的强度要求以及工艺要求场合选取不同的材料，既能最佳的发挥材料的利用率，亦能使零部件具有良好的加工工艺性，这在现代制造业中具有独特的经济优势。汽车所使用的传统材料以钢材居多，如镀锌钢、高强钢等。但近年来，铝合金、镁合金、复合材料、塑料等在汽车、轨道列车的应用越来越多。比如德国奥迪公司的A8，其就采用了铝合金作为车身材料。与采用钢制车身相比，全车减重200多Kg，燃油经济型大幅度提高，并且铝在碰撞中的吸能效果优于钢，碰撞安全性亦得到提高。新款奔驰SL级亦是大量应用了铝合金构件。新一代奥迪A6将铝合金和钢材结合使用，例如将铝合金制造的副车架、车头、车尾和乘客舱被作为标准组件，然后用钢材和橡胶将它们连接在一起。新车身的重量相比传统钢铁车身轻了一半，并且车身刚性达到普通钢铁车身的15倍。奥迪TT车头采用铝合金面板，车尾则使用传统钢材。宝马5系采用了钢铝复合车身，一汽丰田的新威驰车身采用钢铝合金、塑料聚合物等材料，减轻车重的同时又提高了车身的吸能性。另外，我国研究钢铝混合车体新技术，开发了高寒地铁车辆，钢铝结构复合轨也应用于城市轻轨建设。大型豪华游艇也采用了钢铝混合结构作为上层结构。车身材料的环境友好性成了发展的重点。材料使用后的回收已成为关注的重点，镁、铝合金均具有较高的回收、重复利用率。不可否认，未来轻金属、复合材料等是车身材料的发展趋势，目前各国都广泛开展对于这些新材料车用化的研究，特别是要求轻量化的小型乘用车。相信未来一段时间车身材料会有一个飞跃式的发展，并且更加向航空领域贴近，更轻、更强仍然是车身材料的发展方向。选用异种材料作为结构件就必然涉及到其间的连接问题。目前，材料通用的连接方式主要包括机械、物理、化学、冶金等方式。机械连接主要采用螺纹或斜楔自锁连接，亦或采用铆钉、销钉、扣环等紧固件连接两构件，其特点是以预加在两构件上的机械力来实现构件间的连接，随机械的减小或消失而连接失效。构件上需要加工出孔，其结构简单但两构件需重叠一定的宽度，结构庞大且自重较大，适用于常拆卸的场合。物理和化学连接基于分子热运动理论，两构件通过毛细作用、分子间作用力和扩散运动或相互发生化学反应将两材料连接在一起，常见的胶结和封装等。其特点是扩散所需时间长，常温下金属间不易发生化学反应，连接强度有限，使用于非金属之间、复杂零件之间和有密封性要求但强度要求低的场合。冶金连接通过加热或加压的方法使两分离面的原子达到晶格距离并形成金属键，获得不可拆卸的连接。其特点是连接强度高，生产效率高，适用于金属材料间的连接。通过对比以上材料连接方式不难发现，物理连接存在结构复杂、接头质量大的缺点，化学冶金连接方式是最适合应用于车身的异种材料连接方法，其不仅宏观上形成永久性连接接头，更在微观组织上建立了内在联系。要实现冶金连接，材料必须克服阻碍材料表面紧密接触的各种因素，目前从工艺上讲主要通过对连接材料加热、加压的方式实现，并且所施加的压力与材质的温度存在一定的联系。对于纯铁而言，当材料温度在金属熔化温度以上的时候，实现冶金连接时所需压力几乎为零，连接过程没有施加外力作用。因此，焊接是实现异种金属连接较为理想的方法，发展焊接技术对于推动装备制造业有较大贡献。1 异种金属的焊接1.1 影响异种材料焊接性的因素焊接是具有共熔性的同种或异种金属或合金在焊接部位受热熔化熔合后冷却凝固在一起的过程，是一种不可拆卸连接，常见于各类结构件中。焊接也是材料在受焊接热源的加热及其他条件下局部再熔炼的过程，具有阶段性、瞬时性等。异种材料的焊接实际上也是合金化的一个过程。影响异种材料焊接性的因素归纳起来主要有以下几个方面：1、物理性能方面的差异异种材料之间在物理性能方面存在较大差异，主要包括密度、熔点、沸点、热导率、线膨胀系数等。这些参数上的差异将影响焊接的热循环过程、结晶条件等。若两种材料的熔、沸点、热导率差异较大时会造成两材料熔化量不一致，连接极为困难；线膨胀系数上的差异会使得两材料焊接后的接头极易产生残余应力及变形，焊缝区域及热影响区易产生裂纹。另外，不同的材料其比电阻、电磁性也存在差异。这种差异在电弧作为热源的条件下会使得弧光不稳定，导致焊缝不连续，焊接质量不稳定。异种金属焊接时，焊缝和母材不易达到等强度。这是由于熔点低的金属元素易烧损蒸发，从而使焊缝的化学成分发生变化，组织性能降低，尤其是焊接异种有色金属时更为明显1。2、结晶化学方面的差异结晶化学性能方面的差异亦即通常所说的“冶金学上的不相容性”，这些差异主要包括晶格类型，晶格参数、原子半径、原子的外层电子结构等微观上的差异。冶金上的不相容性决定两材料在液态及固态时的固溶性以及两材料是否在焊接过程中形成金属间化合物。当两者之间冶金学性能上的差异不大于1O一15，且电化学性能差异不大时，两材料能够互溶形成连续固溶体，具有较好焊接性，否则易形成金属间化合物，降低焊接接头的性能。另外，结晶条件、材料的相变及受力状态也决定了焊缝区是否产生裂纹。3、材料表面情况方面的差异材料的表面微观形貌各异，表层往往存在氧化膜，而金属氧化物的性能与母材的性能差异亦较大，这些有限含量的氧化膜影响焊缝质量的均匀性，破坏焊接过程的稳定性。另外，两材料表面的结合情况、吸附的氧离子、氢、水分以及表面粘附的油污、水分、杂质等情况对焊接性亦有较大影响，实践生产中，氧化膜及表面其他吸附物的影响占主导地位。4、材料成分、组织方面的差异异种材料的组织、成分之间往往存在差异，这些差异导致焊缝与母材之问形成过渡层，而过渡层的性能与母材相差甚大，焊缝质量降低。焊缝中成分偏析严重时会使得材料熔合不良，降低焊接接头的性能，且两母材的差异越大，混合越不充分。12获得优质异种焊接接头的措施由于异种材料之间的差异存在，实现异种材料之间的焊接并得到满足使用要求的焊接接头是较为困难的。这种困难主要表现为：异种材料之问难以合金化；异种材料线膨胀系数的悬殊易引起热应力，焊接变形不能达到精度要求；焊接过程中金相组织的变化、新物相的产生恶化接头，增加焊接难度；焊缝区与热影响区力学性能不均匀，焊接接头塑性较差。这些难点成为了异种材料焊接技术发展阻碍的因素。为获得优质的异种材料焊接接头，工艺上通常采取如下的措施：1、使被焊材料在液态下的停留时问尽量缩短，以减少金属间化合物的生成。工艺上常见的方法是采用高能量密度的热源进行加热或者采用多点加热的方法，使材料迅速熔化，以缩短加热时间，并且材料的变形量亦减小。2、加强对被焊接材料的保护，防止焊缝氧化。工艺上常见的方法是吹送惰性或者其他化学性质稳定的气体以包围焊缝，或者将焊接过程置于真空的环境中。3、采用中间过渡层或者加入能与母材连续固溶的合金元素，以抑制金属问化合物的生成，并改善焊缝区的金相组织、母材混合差的情况。工艺上常采用填丝或填粉、“三明治”预置粉末焊接。13异种材料的焊接方法根据冶金连接的条件，只要压力或温度条件可使材料微观上建立联系即可实现焊接，因而材料焊接的方式是多样的。从以上角度即可将焊接方法分为熔化焊、压焊、钎焊及熔焊一钎焊等。其中，熔化焊主要有焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、气焊、电渣焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。这一类焊接方法主要通过升高材料温度，使两母材融化成液态，并在微小的液面张力与重力作用下建立连接关系。压焊主要包括电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻压焊、冷压焊、热压焊等。这一类焊接方法主要通过加压，并辅佐加热使材料升温的方法使两一种材料建立连接关系。钎焊主要包括电阻钎焊、真空钎焊、感应钎焊、火焰钎焊、烙铁钎焊等。这类焊接方法通过选取与两母材无限固溶的材料作为焊丝，通过熔化焊丝、加热母材，使熔化的焊丝铺展于两母材之间，形成过渡层以连接两母材。熔焊一钎焊借助两母材中的一种作为钎料，使之熔化铺展于另一母材，即焊接过程中仅一母材熔化，另一母材保持固相。另外，还有一类介于熔焊与压焊之间的连接方法，如扩散焊。其通过将两待连接材料至于真空或保护气体氛围中，通过加热并保证温度均在两母材的熔点以下并施加压力的方法，使材料中原子相互扩散，形成牢固的连接接头。 影响异种金属焊接性的因素很多，其中最难解决也是异种金属焊接时要尽量避免的就是形成会属间化合物。利用异种金属的熔点差，尽量保持熔点低的金属为固态是解决这类问题的一般方法。例如，铝和铁的焊接就是典型的例子。但是，镁和铝的熔点相差无几，纯镁的熔点为65l，纯铝的熔点为660，在熔焊时很难做到只熔化一种会属而使另一种会属保持固态，因此不可避免地要发生两种金属液态的接触。液态金属之间的反应速度远远大于固态金属之间的反应速度，镁和铝之间生成化合物(A13Mg2，All2Mgl7和A130Mg3等)是很难控制的2。 目前镁与铝异种金属的有效连接方法主要是固相焊，如搅拌摩擦焊与扩散焊。由于搅拌摩擦焊的工艺柔性较差、扩散焊需要在真空室中进行的特点，这些固相焊接方法在应用中是有局限的。熔化焊接方法具有好的工艺柔性，应用广泛。但是，采用TIG焊、电子束焊、以及电阻点焊等熔焊方法进行镁与铝异种金属焊接时，由于较大的热输入，焊缝近缝区易形成较厚的金属闯化合物层，并由此引发热裂纹，严重影响其焊接性。2 镁铝异种金属的非熔焊21 镁铝的压焊21 .1扩散焊扩散焊是在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或在待焊表面上产生微量液相而扩大待焊表面的物理接触，经较长时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法。扩散焊的优势在于可以焊接相互不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料，从而被应用于镁铝异种材料的焊接研究。文献3采用真空扩散焊技术焊接镁和铝。结果表明，通过优化工艺参数可以获得良好的扩散焊接头。试验发现，接头区由铝侧过渡区、中间扩散区和镁侧过渡区组成，各区之间存在明显的界限。过渡区中形成了致密的新相化合物层，其中包含MgAl、Mg3Al2、Mg 2Al3金属间化合物。扩散区的显微硬度比两侧基体高，靠近扩散区Al基体侧的硬度比扩散区Mg基体侧高，这说明两侧过渡区的化合物具有不同的位相结构和分布规律。文献4进一步研究得出以下结论，真空扩散连接镁（Mg1）和铝（1070Al），过渡区靠镁一侧主要由镁基体和少量新形成相Mg3Al2金属间化合物组成，靠近镁基体一侧过渡区中Mg3Al2含量高于铝基体一侧Mg3Al2属于体心立方晶格，晶格常数为1.056nm，大于镁的晶格常数（a = 0.3209 nm ，c = 0.5211 nm），且其均匀分布于镁基体中，作者认为，它的形成有利于基体与扩散层的紧密连接，从而提高了扩散焊接头的强度和抗裂性能，见图2.1。由以上结果分析认为扩散焊焊缝中，过渡区的化合物的不同位相结构和不规律的分布，会使焊缝稳定性较差，容易开裂。而焊缝中粗大的晶粒及稀疏的分布也会使焊缝脆性较大，容易出现裂纹等缺陷。图2.1 过渡区靠镁一侧TEM分析Fig.2.1 One side of the transitin zone of Magnesium in tem analysis212 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转。边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。搅拌摩擦焊是一种新兴的先进焊接技术，特别适合焊接铝、镁等有色金属。文献5将AZ31B-H24镁合金与6061-T6铝合金进行搅拌摩擦焊连接。试验发现焊缝区和过渡区均出现了动态再结晶细晶组织，从基体金属、过渡区一直到焊缝区，晶粒尺寸明显呈现减小趋势，焊缝区未出现孔洞等焊接缺陷，接头中相互流动的漩涡和涡流所形成的插排结构清晰可见。文献6采用搅拌摩擦焊连接1050铝合金和AZ31镁合金，研究证明在焊缝处未出现如裂纹、孔洞等焊接缺陷，但在焊缝区中出现大量的不规则区域，如图2.2所示。经XRD分析，A区为Al12 Mg17金属间化合物，B区为Al12 Mg17+ Mg共晶组织，因此该不规则区含有大量的Al12 Mg17金属间化合物，使得焊缝中心线处硬度明显提高，作者认为结构液化是生成金属间化合物的主要原因。焊缝中Al12 Mg17粗大晶粒的产生致使焊缝硬度明显大于木材，而焊缝脆性也大，塑性很差，这样的连接远不能满足我们的生产需要。图2.2搅拌摩擦焊焊缝中心不规则区形貌Fig.2.2 Friction stir welding center irregular morphology of the region通过以上分析我们可以发现，虽然搅拌摩擦焊在异种有色金属的焊接中表现出了很好地性能，但在镁铝的焊接中由于铝极易产生耐高温的氧化膜，焊缝中氧化物的产生极大的破坏焊缝的性能，而且Al12 Mg17的产生使焊缝脆性过大，此外搅拌摩擦焊对施焊工件外形尺寸有要求，对板材进行单道连接时，焊速不是很高，搅拌探头磨损大。因此此种焊接方法并不能解决镁铝关键的连接问题。22镁铝的钎焊钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。钎焊时，母材不熔化，采用比母材熔点低的钎料，加热温度低于母材固相线而高于钎料固相线。该方法加热温度低，对母材组织和性能的影响小，因此常被用于焊接镁铝等热敏感度高的材料。文献7根据Mg-Zn共晶反应的特征，采用经济可行的锌基钎料钎焊连AZ31B镁合金和6061铝合金板，钎焊温度360度，时间10s，试验结果见图2.3。图2.3镁铝钎焊接头形貌Fig2.3 Magnesium aluminum brazed joint morphology结果表明，在焊缝中除了一些未及时溢出的气孔，无裂纹等缺陷产生，剪切强度为45MPa ，接头中没有产生镁铝金属间化合物。富锌和贫镁区交界处形成的反应层将镁基体与邻近的钎焊区连接在一起，反应层中只有少量的MgZn2金属间化合物，对接头性能影响不大。铝基体与钎焊区之间是一层很薄的AlZn 固溶体，通过该方法有效避免了镁铝金属间化合物的产生。钎焊温度低，焊接过程中母材不熔化，不破坏母材组织和性能，不会产生母材氧化物，但钎焊焊缝强度低，耐热性差，耐腐蚀性差，因此在某些特殊部位不宜使用钎焊焊接。3 镁铝的熔焊熔焊方法是一种经济高效的连接方法，焊接过程中，将联接处的金属在高温等的作用下至熔化状态而完成的焊接方法，可形成牢固的焊接接头。由于被焊工件是紧密贴在一起的，在温度场、重力等的作用下，不加压力，两个工件熔化的熔液会发生混合现象。待温度降低后，熔化部分凝结，两个工件就被牢固的焊在一起，完成焊接的方法。由于在焊接过程中固有的高温相变过程，在焊接区域就产生了热影响区。但在镁铝熔焊中，最难解决的问题是金属间化合物的形成。镁和铝的熔点相差很小，纯镁的熔点为651摄氏度，纯铝的熔点为660摄氏度，两种液态金属的接触不可避免，且它们之间的反应速度远远大于固态金属之间的反应速度，因此在熔焊中控制金属间化合物一直是该研究的核心问题。31 激光焊激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中8。激光焊接因其加热集中、完成单位长度或单位厚度工件所需的热输入量低、适于焊接热敏感性强的金属而被用于镁铝等有色金属的焊接研究。3.1.1 激光焊接技术的优点由于激光本身的特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光焊接对比传统的焊接方法而言有如下优点9：(1)激光的能量密度高，而热输入低，热影响区窄，焊接深宽比大，焊接时产生变形量小，特别是用于精密、热敏感部件的焊接，常可以免去焊后矫形即二次加工；(2)激光焊接时冷却速度高，从而得到的焊缝组织微细，焊接接头性能良好，它不像传统焊接的接头那样软化明显，它的接头性能接近母材，有的甚至高于母材；(3)因为是非接触焊接，也无需电极，所以可以节约大量的工时和成本；(4)不像电子束焊接时需要真空的气氛，并且保护气和压力都可以选择，焊接时不产生对人体有害的X-射线；(5)可以在某些特殊空间作业，如对透明物体内部的工件直接加工、在一些狭小的空间作业等；(6)可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异种材料和不同板厚、不同形状、不同强度、不同镀层的材料进行焊接，效果良好；(7)可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中：(8)激光具有良好的传输和聚焦特性，可以利用光导纤维方便的实现远距离的传输和利用。可焊接传统焊接方法难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广弓应用；(9)激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，不仅很容易实现焊接生产的流水线，为某些特殊的精密焊接提供了条件还可以节约大量的人力(或机器人)，提高生产效率；(10)激光焊接可以利用计算机和机械手实现焊接过程的自动化和精密控制，甚至可以实现在线监控和调节，不仅大大的提高了焊接质量，还很大程度的提高了生产效率。激光焊接根据熔深的不同分为热导焊接和深熔焊接，热导焊接是一般指激光功率密度在104106wcm2时表面金属吸收激光能量向下的热传导后而被加热至熔化，形成的焊缝近半圆形。深熔焊接一般是激光功率密度在106lO7W/cm2，产生所谓的小孔效应，激光深熔焊接的能量传递与转换是通过“小孔”来完成的，小孔作为一个黑体可使焊件获得更多的能量耦合，这是获得良好焊接质量的前提条件。激光深熔焊接过程中，会产生小孔效应、等离子体效应和焊缝区净化效应几种特殊效应。综上所述，激光焊接的能量密度高、热输入小、热影响区窄，这些因素都有利于改变焊接接头中金属间化合物的分布情况，因而可能是解决镁、铝异种金属焊接难题的一种途径。少数发达国家已经开始了对镁、铝异种金属的激光焊接研究10。文献11采用激光焊连接AZ31B镁合A5052-O铝合金，焊接过程如图2.4所示。激光斜入射加热搭接接头镁铝交界处，根据有限元分析与试验结果，优化工艺参数，使镁铝之间形成了冶金结合的焊接接头。通过反应热力学分析，确立了镁板在上铝板在下的搭接形式，并通过试验证实了此搭接方式的优点。试验发现，激光斜入射可以在获得相同熔宽条件下，减小下板的焊接熔深，从而减小金属间化合物层的厚度，达到提高接头剪切强度的目的。结果表明，焊缝剪切强度可达48MPa。图2.4 激光束斜入射焊接镁铝示意图Fig2.4 Sketch Map of obliquely incident laser beam welding of MG - Al32 TIG焊3.2.1 TIG焊简介TIG焊（Tungsten Inert Gas arc Welding），又称为惰性气体钨极保护焊。无论是手工焊接还是自动焊接0.54.0mm厚的不锈钢时，最常用的就是TIG焊。TIG焊还用于较厚断面根部焊道的焊接，主焊缝采用堆焊。TIG焊的热源为直流电弧，工作电压为1015伏，但电流可达300安，把工件作为正极，焊炬中的钨极作为负极。惰性气体一般为氩气。TIG焊作为传统的焊接方法，一直应用于铝等有色金属的焊接生产实践中，研究人员利用TIG焊方法进行了镁铝焊接的研究。3.2.2 TIG焊在镁铝合金焊接中的试验文献12研究了TIG焊直接焊接镁铝和镀锡焊接镁铝的焊缝熔合区形貌，进行了元素扩散行为的分析及比较。结果表明，直接焊接时，镁铝之间有明显的界面，镁元素向铝母材中进行大量扩散形成扩散层，而铝元素向镁母材中的扩散很少，扩散到铝母材中的镁元素与铝形成Mg17Al12和- AlMg金属间化合物，扩散层很容易发生断裂；镀锡焊接时，采用熔焊钎焊焊接方法，获得了质量较好的焊接接头。中间过渡金属锡与母材之间形成了成分、组织和性能均不相同的过渡区，该区对镁铝接头产生了拘束强化作用，过渡层比镁铝直接焊接要狭窄，并且尚余一些没有扩散的锡层，阻止了镁元素向铝母材中扩散，使其对镁铝间直接接触起到一定的阻碍作用。文献13用脉冲钨极氩弧焊焊接镁（Mgl）铝（1060），接头形式为对接接头，采用SAl-3 铝焊丝，焊接电流115120，电弧电压25V，焊接速度1.5mm/s，氩气流量12-14L/min。试验结果表明，接头组织性能良好，如图2.5所示。焊缝区组织形态为细小的树枝状晶，熔合区存在柱状树枝晶、等轴树枝状晶和柱状晶三个明显的结晶过渡区。接头靠近镁一侧的热影响区组织较细小，显微组织的生长方向垂直于熔合区。作者认为，熔合区附近的显微硬度变化不大，表明在熔合区附近无明显的高硬度脆性化合物产生，这对提高Mg/Al焊接区域的抗裂性有利。文献10继续对接头的力学性能展开研究，焊缝区的显微硬度为60-100HM，铝一侧熔合区显微硬度为160-200HM。断口表面形貌显示解理断裂，由连续的亮白片组成，呈现典型的河流花样，这说明焊缝断裂主要由于生成了脆性金属间化合物所致。在镁一侧还存在许多氢气孔。图2.5 脉冲TIG焊接头表面形貌Fig.2.5 Surface morphology of pulsed TIG welding33激光TIG焊3.3.1 激光TIG焊简介激光电弧复合焊接技术：激光电弧复合焊接技术由英国伦敦帝国大学学者W.Steen于20世纪70年代末期首次提出，其特有的优越性和应用潜力受到人们的广泛关注。它是将物理性质能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置的焊接方法，激光与电弧的复合使得两种热源充分发挥了各自的优势，又相互弥补了对方的不足，从而形成一种高效稳定的热源。作用机理：在这种方式中，电弧能量占据主要作用，一般采用不足以形成深熔小孔的激光辅助电弧进行焊接。2001年美国的 C.E.Albright等人首先对这种低功率激光辅助电弧焊接方法进行了研究，发现利用一个能量很低的激光束就能够引燃引导和压缩电弧。图3.1激光TIG焊示意图Fig.3.1 Sketch Map of laser TIG welding3.3.2 实验分析文献14采用激光TIG复合焊焊接异种金属镁（AZ31）和铝（6061）。该方法利用激光增加了TIG电弧能量利用率，同时利用TIG电弧增加了激光的吸率，大大提高了焊接速度，尤其适合于焊接热导率高的金属。优化工艺参数为：TIG电弧电流100A，保护气流量7L/min，激光电流180，脉宽3.5ms，频率39Hz，离焦量1mm，焊接速度1300mm/min。通过比较试验作者认为，传统TIG焊易形成连续的金属间化合物层，导致镁和铝接触的界面开裂，不能实现有效的连接。作者认为该方法焊接速度高并对熔池具有快速搅拌作用，并能使形成的金属间化合物由连续的层状变成弥散的状态，此分布状态使较硬的组织和较软的组织相互交错，改善了异种金属镁和铝的焊接性，该方法焊缝成形均匀，美观。文献15采用激光氩弧焊加中间夹层焊接AZ31镁合金和6061铝合金。由于Ce中间层的加入，裂纹没有产生在异种材料的交界面处，而产生在Ce的匮乏区，Ce大部分分布在镁铝交界区，见图3.2。直接进行激光氩弧焊，焊缝区呈现母材与MgAl共晶的混合体。加入Ce夹层后则使焊缝区均匀纯净，特别在镁铝交界处Ce呈均匀分布并能使断裂的微观结构更加细小。图3.2 熔池与熔合区之间过渡微观结构Fig.3.2 Microstructure of weld pool and the transition between the fusion zone有日本学者对lmm的Az31B镁合金板和A5052-O铝合金板做了异种金属激光焊接的研究16。采用了中心搭接焊和边缘搭接焊两种焊接方式。采用中心搭接焊时，发现铝板在上、镁板在下的情况下，在和铝板接触的镁板上出现了氧化层：而镁板在铝板上面时没有氧化层出现(由于在923K到1380K之A12O3(a)+Mg(1)MgO(s)+Al（1）)。中心搭接焊接头强度很低，为20MPa。主要原因是在熔池底部出现了由A13M和A112Mgl7组成的金属间化合物层(见图3.3)。图3.3中心搭接焊示意图Fig3.3 Center for lap welded diagram为了减少金属间化合物的生成，减小焊缝熔深可能是一个有效途径。通过FEM(Finite element method)分析方法，发现在同样熔深下，边缘搭接焊的熔池宽度(图3.4a)大于中心搭接焊熔池宽度(图3.4b)。那么同样的熔宽下，边缘搭接焊缝的熔深就要小于中心搭接焊缝。采用边缘搭接焊方式，通过优化工艺参数，得到焊接接头的最大抗拉强度48MPa。接头断裂位置在熔池底部，即由All2Mg17和A13Mg2组成的金属间化合物层处。上述方法是通过减小下方板中的焊缝熔深来控制会属间化合物的生成量，从而改善接头的力学性能。那么如果熔深过浅，同样会降低焊缝的力学性能。并且在力学性能较好的边缘搭接焊接头中，金属间化合物层的厚度也达到了110至170m之间，这么厚的硬脆金属间化合物层必然严重影响接头的力学性能。该文献亦没有关于异种会属的对接焊这一应用更为广泛的方法的论述。图3.4相同熔深下的熔池形状Fig3.4 The shapes of weld pool at the same penetration depth34激光胶接焊胶接作为一种新兴的连接工艺，在航空航天、汽车等领域广泛应用17。胶接具有良好的疲劳性能，但抗剥离强度低、耐热性差、胶层容易老化(为此，人们利用焊接和胶接在性能上的互补性，采用胶接点焊技术即采用电阻点焊与胶接的有机结合来实现金属之间的搭接连接18。通常电阻点焊使用的胶粘剂需具有导电性19，其价格昂贵，不利于工业生产的实际应用。为了扩大胶焊技术的应用领域&获得更高质量的接头性能&本文提出一种将激光连续熔化焊接与胶接相复合的新技术，即激光胶接焊技术。该技术不但具有传统胶接点焊的优点，同时实现了线结合与面结合的相互促进强度提高；胶粘剂无需导电性&应用范围扩大，为异种材料的连接提供新的方向。研究镁合金同种材料的激光胶接焊&为镁合金的广泛应用奠定了基础。前苏联于20世纪50年代提出了胶接点焊技术，该技术是胶接工艺和点焊工艺的有机复合。胶接点焊工艺具有应力分布均匀、净载荷强度高，耐剥离、抗老化等优点，目前对其力学性能的研究得到了各国的广泛重视。文献20利用激光胶接焊实现了AZ31B镁合金和6061铝合金的成功连接。激光胶接焊镁铝异种材料时，在一定参数下，焊缝成形良好，无气孔等焊接缺陷。焊缝具有激光焊特征，上板组织均匀，下板组织呈涡流状。因为粘合剂气化引发了熔池流动，与传统的激光焊相比，金属间化合物减少。激光与粘接剂的复合效应使得激光胶接焊镁铝接头的剪切强度比激光焊或胶接焊都大。总 结随着镁、铝等轻质材料在工业中的广泛应用,镁和铝的焊接问题已成为制约其广泛应用的问题,尤其在航空航天工业,汽车工业，交通工业,电子工业等。异种金属镁合金和铝合金的连接能够发挥各自材料的固有特性,是十分令人期待的。镁合金与其他金属连接技术的发展,与镁合金的应用范围扩展相互制约,也相互促进。异种金属连接方式的进步会增加设计方案的可行性,也会增加设计者的可选择机会。另外,镁和铝异种金属的连接可以揭示熔池流动和元素扩散的许多规律。熔焊作为最普遍的焊接方法,如果能成功的连接镁合金和铝合金,其意义无疑是重大的。 上文讨论了镁铝焊接的可行性、主要特点和存在的问题，介绍了国内外镁铝焊接的研究现状，提出脆性金属间化合物的生成是影响接头质量的主要因素。压焊和钎焊由于基体可在焊接过程中保持固态，可通过调节焊接热输入及合金化的方法控制金属间化合物的生长，适于镁铝之间的焊接，但这些方法对工件的尺寸和形状有特殊的要求，现场工作适应性不好。熔焊方法比较灵活，效率较高，但金属间化合物又成为不可避免的附加产物。如何即保证焊接质量，又能适应大规模生产，提高生产率，是未来需要解决的问题。镁铝连接未来在汽车生产领域的应用发展潜力巨大，熔焊在生产率和现场适应性方面具有不可替代的优势，因此采用熔焊工艺如何控制金属间化合物组成、形貌及分布状态是镁铝异种材料连接的重要研究课题。致 谢本学位论文是在我的指导老师的耐心关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，赵老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导论文之余，赵老师仍不忘拓展我们的视野，给了我许多好的文献，对我论文的完成帮助很大。值得一提的是，赵老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向赵老师表示最衷心的感谢！ 此外，本文最终得以顺利完成，也是与机械学院其他老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！参考文献1 李慧.镁铝异种金属激光焊接的研究. 北京工业大学.硕士学位论文.2007，05（25）：4-5.2 刘鹏.Ml/Al异种材料真空扩散焊界面区域的显微组织J.焊接学报，2004,25(5):5-9.3 Liu P A study of phase constitution near the interface of Ml/Al vacuum diffusion bonding J.Materials Letters , 2005,5