（材料加工工程专业论文）az31镁合金搅拌摩擦焊接头组织和性能研究.pdf

摘要 摘要 车体轻量化是国内外铁路客车技术发展的一个重要方向。镁合金作为工业应用中最 轻的金属材料，有希望成为铁路车辆制造轻量化的首选材料。镁合金在高速列车中的应 用，首先要解决的问题就是镁合金的连接问题。 本文采用搅拌摩擦焊，选用优佳的工艺参数，以对接方式焊接a z 3 l 镁合金板。对 接头进行金相组织分析和力学性能分析，包括拉伸性能、弯曲性能、显微硬度分布，分 析了接头的冲击性能，并观察了冲击断口形貌。论文结论如下： 1 a a z 3 1 镁合金搅拌摩擦焊接接头成型良好，表面光滑，没有出现飞边、沟槽等缺 陷，背部焊合良好。 2 。a z 3 1 镁合金板搅拌摩擦焊接头金相组织分析表明，焊核区组织是细小、均匀的 等轴晶；热机影响区晶粒局部较细小，有明显变形；热影响区晶粒部分细小，部分长大， 晶粒大小不均；母材是典型的轧制组织。 3 a z 3 1 镁合金板搅拌摩擦焊接头焊核区硬度下降明显，发生了软化。 4 a z 3 l 镁合金板搅拌摩擦焊接头抗拉强度2 1 5 3 4m p a ，母材抗拉强度2 4 1 2 9m p a ， 接头强度系数为0 8 9 ；接头伸长率8 3 ，母材伸长率1 5 2 ；拉伸断口呈韧窝和准解理 形貌，表现为韧脆混合型断裂。 5 接头正弯试验，弯曲角度为6 4 0 ，裂纹出现在热影响区；背弯试验，弯曲角度为 5 6 0 ，裂纹出现在焊核区与热机影响区的过渡处。 6 a z 3 1 镁合金板搅拌摩擦焊接头冲击吸收功高于母材，冲击断口呈韧窝和准解理 形貌，表现为韧脆混合型断裂，焊核、热影响区塑性断裂特征较母材明显。 关键词：a z 3 1 镁合金；搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能 大迮交通入学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t l i g h t w e i g h tt e c h n o l o g yo f r a i lp a s s e n g e rc a ra th o m ea n da b r o a di sa ni m p o r t a n td i r e c t i o n a st h el i g h t e s tm e t a lm a t e r i a l sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，m a g n e s i u ma l l o yi st h el i g h t w e i g h t m a t e r i a lo fc h o i c e m a g n e s i u ma l l o yi nt h eh i g h s p e e dt r a i na p p l i c a t i o n ，f i r s to fa l lt os o l v e t h ep r o b l e mo fm a g n e s i u ma l l o yi st h ec o n n e c t i o ni s s u e t h i sa r t i c l ei sa b o u ta z 31 m a g n e s i u ma l l o yp l a t ef s ww e l d i n gw i t hb u t t - j o i n t i t i s a d o p t e dt h a tt h eb e s tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a z 3 1m a g n e s i u mf s ww e l d si ss t u d yo nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt e n s i l ep r o p e r t i e s ，b e n d i n gp e r f o r m a n c e ， t h ei m p a c to fp e r f o r m a n c e m i c r o h a r d n e s sd i s t r i b u t i o n ，a n do b s e r v i n gt h ei m p a c to ft h e f r a c t u r es u r f a c e t h ec o n c l u s i o no ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 a z 31m a g n e s i u ma l l o yf s w j o i n ti si ng o o ds h a p e ，s m o o t hs u r f a c e ，n of a s h ，g r o o v e 2 a z 31m a g n e s i u ma l l o yf s wj o i mm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ew e l dn u g g e t o r g a n i z a t i o ni ss m a l l u n i f 0 1 t n t h e r m o m e c h a n i c a l l ya f f e c t e dz o n eo r g a n i z a t i o n si ss m a l l e r p a r t l ya n dc l e a rd i s t o r t i o n h a zo r g a n i z a t i o n ss o m e o n ei ss m a l l ，s o m e o n ei sb i g ，n o te v e n b a s em e t a li st y p i c a l r o l l i n go r g a n i z a t i o n s 3 f s wi o i n tt e n s i l es t r e n g t hi s2 15 3 4 m p a b a s em e n t a lt e n s i l es t r e n g t hi s2 4 1 2 9 m p a f s wj o i n ts t r e n g t hf a c t o ri so 8 9 f s wj o i n te x t e n s i o np e r c e n t a g ei s8 3 b a s em e t a l e x t e n s i o np e r c e n t a g ei s15 2 t e n s i l er u p t u r ei sm i x e dp a t t e r n 。t o u g hr u p t u r ea n db r i t t l e r u p t u r e 4 a z 31m a g n e s i u ma l l o yf s w j o i n tw e l dn u g g e th a r d n e s sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ，i th a s b e e ns o f l e n e d 5 t h eb e n d i n ga n g l eo fn o r m a lb e n dt e s ti s6 4 0 c r a c k sa p p e a ri nt h eh e a ta f f e c t e dz o n e t h eb e n d i n ga n g l eo fr o o tb e n dt e s ti s5 6 0 c r a c k sa p p e a ri n t e rt h ew e l dn u g g e ta n d t h e r m o m e c h a n i c a l l ya f f e c t e dz o n e 6 t h ef s w j o i n ta b s o r b e dt h ei m p a c te n e r g yh i g h e rt h a nb a s em e n t a l i m p a c tr u p t u r ei s m i x e dp a t t e m ，t o u g hr u p t u r ea n db r i t t l er u p t u r e t h ep l a s t i cf r a c t u r eo fw e l dn u g g e ta n d h e a t a f f e c t e dz o n ei sm o r eo b v i o u st h a nb a s em e t a l k e yw o r d s ：a z 3 1m a g n e s i u ma l l o y ；f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ；m i e r o s t r u e t u r e ；p r o p e r t i e s 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：狱考翠 日期：z 口p g 年 2 月f7 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 艾。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：狄彰晕 日期：2 o o g 年协月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：丁硪磊司 日期：2 弼年期厂矿日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 引言 随着航空航天、汽车、交通等工业的迅速发展，对材料的轻量化提出了更高的要求。 在高速轨道交通方面，车体轻量化是国内外铁路客车技术发展的一个重要方向。车体轻 量化具有降低原材料消耗、降低车辆制造成本、节省牵引动能、降低列车运行费用、减 轻车辆对线路的冲击、提高列车启动加速度等优点。镁合金作为最轻的常用金属材料， 具有一系列的优点，如密度小、比强度比刚度高、减震性好、电磁屏蔽性能优异、抗辐 射、摩擦时不起火花、热中子捕获截面小、切削加工性和热成形性好、易回收等，是理 想的轻量化材料。 镁合金在工业中的广泛应用，要解决的关键技术问题就是焊接问题。然而，由于镁 合金焊接性较差，加上人们对镁合金焊接性及焊接工艺的研究较少，因此镁合金的焊接 问题就成为制约其广泛应用的主要障碍之一。全方位开展镁合金焊接技术的研究工作， 提高镁合金的焊接性，获得优质焊接接头是进一步拓宽镁合金应用范围的首要条件。在 国内外对镁合金需求日益高涨的形势下，加强镁合金焊接技术的开发和应用对镁合金产 业化具有重要的现实意义。 1 1 镁及镁合金 镁是所有常用金属中最轻的金属，它的熔点为6 5 1 ，密度为1 7 4 9 c m 3 ，纯镁由于 强度低，所以很少用它作为工程材料，常以合金形式使用。镁合金具有较高的比强度和 比刚度，并具有较高的抗振能力，能承受比铝合金大的冲击载荷，此外还具有优良的切 削加工性能，并易于铸造和锻压。所以在航空航天、汽车、电子等工业领域获得较广泛 的应用。镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和 发展还不够充分，镁合金的应用也相对有限，镁合金的产量只有铝合金的1 1 2 j 。 1 1 1 镁及镁合金的特点 ( 1 ) 密度小； 镁的密度大约是铝的2 3 ，是铁的1 4 ，它是最轻的实用金属。 ( 2 ) 高比强度、高比刚度； 镁合金的密度虽然比塑料高，在保持同等强度的情况下，镁合金的零部件比塑料还 薄，质量也轻。另外，由于镁合金的比强度比铝合金和铁高，在不减少零部件强度的前 提下，镁合金要比铝或铁零部件的质量轻很多。 大连交通人学l 。：学硕十学能论文 ( 3 ) 传热能力强、导电性好； 镁合金的传热系数比锅小，比钢大，比塑料高出数十倍，导电率高于铝和钢。 ( 4 ) 电磁屏蔽性能好； 镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效采妊，搜用镁合金可省去电磁 波屏蔽膜的电镀工序。 ( 5 ) 机械加工性能好； 镁合金比其它金属的切削阻力小，若镁合金切削阻力为l ，则锅合金为l1 8 ，黄铜 为2 1 3 ，铸铁为3 1 5 ；机械加工速度快，刀具使用寿命长。 ( 6 ) 对振动、冲击的吸收性高； 由于镁合会对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另 外，镁合会对冲击能量吸收性能很好，受到冲击后，能吸收冲击能量焉不会产生断裂， 凼冲撞而引起的凹陷小于其它金属。 ( 7 ) 抗蠕变性能好； 镁合金随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少，可以确保工件的尺寸精度。 ( 8 ) 荐生性和易回收； 镁合金可以简单地再生使用且不降低其力学性能，由于熔点低、比热容小，再生熔 解时所消耗的能源是新材料制造耗能的4 。 镁合金的主要优点是能减轻产品的燕量，主要缺点是在潮湿大气中耐腐蚀性能差， 缺口敏感性较大。镁在水及大多数酸盐溶液中易遭腐蚀，只在氢氟酸、铬酸、碱及汽油 中比较稳定1 3 1 。 1 1 2 镁合金的分类 镁合金的分类主要有三种方式：化学成分、成形工艺和是否含锆。根据化学成分， 以五个主要合金元素m n 、a i 、z n 、z r 和稀土( i 迮) 为基础组成基本合金系：m g m n ， m g - a 1 一m n ，m g - a 1 - z n m n ，m g z r ，m g z n z r ，m g r e - z r ，m g - a g r e z r ，m g - y r e 一 及等。按有无锅，分为含铝镁合令和不含铝镁合金；按有无锫分为含锆镁合金和不含锆 镁合金。根据加工工艺划分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合盒两大类【4 j 。 目前在工业中应用最广泛的镁合金是压铸镁合金，主要有以下四个系列：a z 系列 ( m g a 1 一z n - m n ) ：a m 系y l j ( m g a 1 一池) ；a s 系y i j ( m g a 1 一s 稿a e 系列( m g - a i r e ) 。 a z 系合金一般指a z 9 1 系列合金，它具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性， 其屈服强度高，一般用于制造形状复杂的薄壁铸件，是目前应用最广泛的压铸镁合剑训。 儇它也存在耐热性差这一严重缺点，当使用温度超过1 5 0 时，其强度就大幅度下降。 2 第一章绪论 其中a z 9 1 a 和a z 9 1 b 可以用回炉料和回收的废料重熔，生产成本较低，一般用于耐蚀 性要求不高的零件。a z 9 1 d ( m g 9 a 1 0 7 z n 0 2 m n ) 是a z 系列的典型型号，为高纯 牌号，通过加入质量分数为o 2 的m n 来形成m g f e m n 化合物而减少f e 的质量分数， 改进合金的耐蚀性能，是一种室温使用的主要高纯压铸镁合金1 5 j 。它严格限制了合金杂 质含量，其中f e 、n i 、c u 的质量分数仅为一般镁合金的1 1 0 ，镁合金中几乎没有a 1 3 f e 、 m 9 2 c u 、m g z n i 等阴极相的存在，大大提高了合金的耐蚀性，其抗腐蚀能力明显高于 a 3 8 0 铝合金和碳钢。 a m 系合金具有优良的韧性和塑性，用于经常受冲击载荷、安全性较高的场合，常 用于座架和设备仪表盘等，其主要合金为a m 6 0 。a m 6 0 b ( m g 6 a 1 0 2 m n ) 为典型型 号，与a z 9 1 d 一样具有优良的耐盐雾性能。a z 9 1 d 和a m 6 0 b 构成了汽车上镁合金应 用量的9 0 ，与a z 9 1 合金相比，a m 6 0 合金由于含a l 量较低，使合金中含铝的二次化 合物相的析出量有所减少，故该合金的塑性和韧性较高，强度则有所降低。a m 2 0 合金 的含触量相对较低，强度也较低，但塑性较高1 6 1 。 a s 系合金有较好的抗蠕变性能，通常用于工作温度较高的发动机零件。a s 4 1 a ( m g 4 3 a 1 1 0 s i 0 3 5 m n ) 在1 7 5 时的蠕变强度要高于a z 9 1 d 和a m 6 0 b ，而且有 较好的抗拉强度、屈服强度和高的延伸率。铝含量较低的a s 4 1 a 要求较高的铸造温度。 a s 4 1 a 已用于空冷汽车发动机的曲轴箱和大众汽车公司零件( 如风扇罩和电机支架) ，最 近大众汽车公司将其用于叶片导向器和离合器活塞。a s 系列合金由于s i 的引入在组织 中易形成硬的硅质点，钠和锶能从根本上改善硅相的结构而起到很好的变质效果1 7 j 。 a e 系合金比a s 系合金有更好的抗蠕变性能，a e 4 2 ( m n 4 a 1 2 r e ) 应用于汽车 动力系统颇受好评。由于稀土( a e ) 对m g a i 基合金强度及蠕变性能有很大影响，压铸 a e 4 2 合金具有比m g a 1 s i 合金更好的抗蠕变性能，能在2 0 0 。c 2 5 0 4 c 下长期使用1 8 】。 但是由于稀土对镁合金高温性能的改善有限，再加上稀土成本较高，所以暂时无法推广 应用a e 系列合金。 许多镁合金既可做铸造镁合金又可做变形镁合金。变形镁合金经过挤压、轧制和锻 造等工艺后具有比相同成分的铸造镁合金更高的力学性能。 在变形镁合金中，常用的合金系是m g a i z n 系与m g z n z r 系。m g a i z n 系变 形合金一般属于中等强度，塑性较高的变形镁合金，典型的合金为a z 3 1 、a z 6 1 、和 a z 8 0 合金，由于m g a 1 z n 系合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀等综合性能，而且 价格较低，因此是最常用的合金系列。m g - z n z r 系合金一般属于高强度材料，变形能 力不如m g - a 1 z n 系合金，典型合金为a k 6 0 合金。 人连交通人学。1j 学硕十学侮论文 a z 3 l 镁合会是目前应用最广泛的变形镁合金，其化学成分见表1 1 ，它具有较好 的室温强度，良好的延展性以及优良的抗大气腐蚀能力。a z 3 1 镁合会属于m g a i z n 系合会，合金元素对a z 3 1 镁合金的性能有很大影响，镁中加入铝和锌导致固溶强化并 使晶粒细化。但由于a z 3 l 合金元素含量较少，时效强化效果差，一般不进行热处理强 化，主要是在加工念和退火状态下使用。通过控制轧制、挤压或锻造温度以及退火保留 部分加工硬化。因为这种合金塑性高，所以可用于制造不同厚度的镁合金板材及形状复 杂的锻件、模锻件或挤压件睁】。 表1 1a z 3 1 镁合金的主要化学成分( w t ) t a b l e1 。1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa z 3lm a g n e s i u m a lz nm ns f ec un i m g 2 。5 3 5o 6 4o 2 1 0o 0 80 。0 0 3o 。o 0 0 0 1 余鼙 1 1 3 镁合金的应用 在2 0 遵纪2 0 年代至3 0 年代晚期，镁合金的开发和应用达到第一个高峰；在2 0 世 纪5 0 年代，达到第二个高峰；从2 0 世纪9 0 年代至今是第三个高峰。由于镁性能独特， 正成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被誉为“2 l 世纪绿色工程材料”。世界 各国高度重视镁合金的研究与开发，加强了镁合金在汽车、交通、计算机、通讯和航空 航天等领域的应用开发与研究。 ( 1 ) 镁合金在交通运输工业中的应用 镁合金用l 乍汽车零部件通常具有以下优点：提高燃油经济性综合标准，降低废气排 放和燃油成本，据测算，汽车所用燃料的6 0 消耗予汽车啻重，所以汽车减重，耗油 将大大减少。质量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，同时还可改善刹车和加速 性能。此外，镁合金具有优异的变形及能量吸收能力，大大提高了汽车的安全性能，可 以改善车辆的嗓声、振动现象。 镁合金零部件运动惯性低，应用到高速运动零部件上效果尤其明显。在铁路大提速 的大环境下，车体轻量化是一种趋势。车体轻量化中开始使用镁合金的构件代替部分铝 合金的构件以及其他材料的构件。例如，镁合金型材可以代替木骨架，采用镁合会电线 槽代替普通线槽，用镁合金代替铝合会制作 j 框、驻线等车内装饰等。 此外，镁合金在摩托车和自行车上也得到了应用。摩托车的曲轴箱等近十个部件可 采用镁合金雁铸而成，一台l x l 5 0 型镁合金绿色概念车的整车质量可比采用铝合金的 4 第一章绪论 减轻6 k g t l 0 1 。自行车是镁合金全新的应用领域，主要用作自行车车架。用镁合金制造的 折叠式自行车车架质量仅为1 4 k g ，整车质量仅4 k g i j 。 ( 2 ) 镁合金在通讯电子行业的应用 镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件的壁厚可达0 6 1 o m m ，并保持一定的 强度、刚度和抗撞能力，这非常有利于产品超薄、超轻和微型化的要求，这是工程塑料、 甚至铝合金无法达到的。目前，用镁合金制作零部件的电子产品有照相机、摄影机、数 码相机、笔记本电脑、移动电话、电视机、等离子显示器、硬盘驱动器等。辽宁营口的 金属镁制品公司己经能为我国台湾的笔记本制造商提供优异的镁合金笔记本外壳来代 替常用的工程塑料，在不增加重量的前提下大幅度的提高笔记本的强度和散热性能。 ( 3 ) 镁合金在航空和国防军工领域中的应用 从2 0 世纪2 0 年代开始，镁合金就在航空航天领域得到应用。目前镁合金在航空的 应用领域包括各种民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构及火箭、 导弹和卫星的一些零部件等。减轻兵器质量是兵器装备轻量化的主要手段之一，它对提 高兵器机动性及战场生存能力有重要意义。欧美一些国家己经将镁合金用于便携式兵器 支架、单兵用通讯器材壳体等，德国、以色列已采用镁合金制造枪托。 ( 4 ) 镁合金其他方面的应用 用镁合金作为阳极消耗可有效防止金属构件的电化学腐蚀，这己被应用于延长热水 器、地下铁制管道、电缆、塔基、石油贮藏、海水蒸馏器、轮船壳体和海洋环境中的钢 桩等的寿命。目前，镁合金作为阳极消耗的用量以每年2 0 的速度增长。镁及镁合金还 被用于电力工业、冶金行业、化学化工领域、家庭消费品、家具、办公室设备、光学设 备、运动器械、车床设备等众多领域，应用非常广泛。 1 2 搅拌摩擦焊概述 搅拌摩擦焊f s w ( f r i e t i o ns t i rw e l d i n g ) 是由英国焊接研究所( t w i ) 于1 9 9 1 年发明 的一种新型固相连接技术【l2 1 ，是自激光焊接技术以后的又一项革命性的连接技术。经过 十多年的发展，搅拌摩擦焊已经成功突破试验研究阶段，在诸多制造领域达到规模化、 工业化的应用水平，成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的实用固相连接技术， 该技术己应用到包括轻轨、地铁、快速列车和高速列车等轨道交通行业在内的众多领域 1 1 3 1 o 1 2 1 搅拌摩擦焊原理 搅拌摩擦焊是一种纯机械化连续的固相连接方法。搅拌摩擦焊接过程如示意图1 1 所示。搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊形状轴肩和搅拌针的搅拌头旋转着插入被焊 大迕交通大学i 学硕+ “学位论文 工件，搅拌头和被焊材料之间的摩擦产生了摩擦热，使材料热塑化，当搅拌工具沿着待 焊界面向前移动时，热塑化的材料由搅拌头的前部向后部转移。并且在搅拌工具的机械 锻造作用f ，实现工件之间的吲相连接。在焊接过程中不需要填充材料，焊前没有复杂 的准备工作，焊接时小存在熔焊时的各种缺陷，因而有利十镁合会的焊接。 图l1 搅拌摩擦焊示意幽 f i g1 is c h e m a l i cd i a g r a mo f f r i c t i o ns t i rw e l d i n g 区 搅拌摩擦焊作为项新型焊接方法，在短时| 百j 内就完成了从发明到工业化应用的力 程。图11 中给出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语，主要拙述性术语定义如下： 搅拌头( p i nt 0 0 1 ) ：搅拌摩擦焊的施焊工具： 搅拌头轴肩( t o o ls h o u l d e r ) ：搅拌头与工件表面接触的肩台部分，主要作用是在焊 接过程中产生热量和防止材料溢出，并帮助材料移动到工件周围； 搅拌针( t o o lp i n ) ：搅拌头插入工件的部分，主要作用是使搅拌钊周围的材料变形， 产牛塑性流动，次要功能是产生热量： 前进侧( a d v a n c i n g s i d e ) ：焊接方向与搅拌头旋转方向致的焊缝侧面； 后退侧( r e t r e a t i n gs i d e ) ：焊接方向与搅拌头旋转方向相反的焊缝侧面； 轴向压力( d o w no r a x i a lf o r c e ) ：向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴 肩与t 件表面接触的压力，可以用压入量束代替。 搅拌摩擦焊接头老观断面分为4 个不同的区域：a 是焊核区( w e l dn u g g e t ) ，由】在 焊接过程中材料在高温变形下发生了动态再结晶，所以又称为动奁再结晶区 第一章绪论 ( d y n a m i c a l l yr e c r y s t a l l i z a t i o nz o n e 简称d r z ) ，b 是热机影响区( t h e r m o - m e c h a n i c a l l y a f f e c t e dz o n e 简称t m a z ) ，c 是热影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e 简称h h z ) ，d 是母材，如 图1 2 所示。从图中可以看出，焊缝区上宽下窄，呈“v ”字形。 图1 2 搅拌摩擦焊接头宏观断面分区示意图 f i g 1 2m a c r os e c t i o no ff s ww e l d s 焊核区金属在搅拌头的强烈搅拌摩擦作用下发生显著的塑性变形和完全动态再结 晶，形成细小、均匀的等轴晶：邻近焊核区的外围区域为热机影响区，此区金属在搅拌 头的热机作用下发生不同程度的塑性变形和部分再结晶，形成由弯曲而拉长晶粒组成的 微观组织；在热机影响区以外的部分区域为热影响区，该区金属没有受到搅拌头的机械 搅拌作用，只在热循环的作用下发生了晶粒长大现象；热影响区以外的金属未受任何热 机影响。 1 2 2 搅拌摩擦焊的技术特点 搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术，具有普通熔焊所不具有的优点，主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 焊接温度低，焊后应力和变形小。搅拌摩擦焊焊接温度较低，热影响区小，焊 接后工件的残余应力和变形量都比传统熔化焊小很多。 ( 2 ) 焊接接头的力学性能好( 包括疲劳、拉伸、弯曲) ，焊缝表面平整，无焊缝凸起， 不变形，接头不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷，没有裂纹、气孔、夹杂等熔焊常见 的焊接缺陷，并且其组织由于塑性流动而细化。 ( 3 ) 适用范围广，可以焊接多种材料，能够进行全位置的焊接。由于搅拌摩擦焊可 以减少熔焊过程常见的多种缺陷，因此可以焊接对热比较敏感的材料，如镁和铝等；可 以实现不同材料的连接，如铝和银的连接；可以取代传统的氩弧焊实现铝、铜、镁、锌、 铅等合金材料的对接、搭接、t 字型等多种接头形式的焊接，甚至可以焊接厚度变化的 结构和多层材料的连接，另外这种焊接方法特别适合于高强铝合金、铝锂合金、钛合金 等宇航材料的焊接。 ( 4 ) 焊接适应性好，效率高，成本低。搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作 的优点。焊前及焊后处理简单焊接过程中不需要保护气体、填充材料。焊接过程中无 人迮交通人学j r 学硕十学位论文 烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种环保型工艺方法。 搅拌摩擦焊的不足主要有以下三个方面： ( 1 ) 焊接时需要夹具和挚板，防止工件移动和被焊穿。不同形式的接头类型需要不 同的工装夹具，灵活性较差。 ( 2 ) 由于其利用摩擦生热进行连接，速度上受到限制，比一些熔焊方法焊接速度低。 ( 3 ) “匙孔”问题，焊接结束后搅拌针所处的位置会留下一个小孔，称为“匙孔”。 解决这个问题，可以通过增加引出板，焊后切除；或是在“匙孔处用其他材料填满， 也可以用其他焊接方法填满。还有一种方法就是设计搅拌针长度可调整的搅拌头，这样 不仅可以解决“匙孔”问题，还可以实现变厚度材料的焊接。 1 2 3 搅拌摩擦焊的接头形式 与传统摩擦焊相比较，搅拌摩擦焊也是一种压力焊。传统摩擦焊包括：旋转摩擦焊、 惯性摩擦焊和线性摩擦焊。传统摩擦焊利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性变形 所产生的热量，使接触面及附近区域的材料达到热塑性状态，并产生适当的宏观塑性变 形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。传统摩擦焊技术受工件形状 的限制，主要用于回转体零件的焊接，且对焊件的表面状态要求严格，应用受到了一定 的限制1 1 5 , 1 6 j 。 搅拌摩擦焊虽然基于摩擦焊的基本原理，但与常规摩擦焊相比，其不受轴类零件的 限制，是长、直焊缝( 平板对接和搭接) 的理想焊接方法。搅拌摩擦焊可以进行多种接 头形式的焊接，如图1 3 所示：a i 型对接；b 对接和搭接复合接头；c 双片搭接；d 多片对接e 三片t 型对接；两片t 型对接；g 两片角对接；h 两片内角对接。搅拌 缁缁绁 缁鲻膨缸 幽嘭吲 图1 3 搅拌摩擦焊的接头形式 f i g 1 3d i f f e r e n tw e l dj o i n t so ff s w 8 第一章绪论 摩擦焊也适用于环形、圆形、非线性和立体焊缝。由于重力对这种固相焊接方法没有影 响，搅拌摩擦焊也可以用于全位置焊接，如横焊、立焊、仰焊、环形轨道自动焊等。在 实际的工业应用中，搅拌摩擦焊已成功地焊接了火箭推进器燃料箱的纵向对接焊缝和环 形搭接焊缝。 1 3 镁合金的焊接 1 3 1 镁合金的焊接特点 由于镁合金熔点低、热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活性强，易氧化且氧 化物熔点比镁高，使镁合金在焊接过中出现一系列的问题。所出现的问题与铝合金有些 类似，但镁比铝更容易被氧化，在保护气上要求更加严格。主要特点如下i l 7 j ： ( 1 ) 粗晶 镁合金的熔点低，导热率高，电阻率低，在焊接镁合金时要采用大功率热源，因而 容易造成焊缝和近缝区金属过热，晶粒长大，结晶偏析，造成接头性能降低，这是镁合 金焊接时的显著特点之一。 ( 2 ) 氧化与蒸发 镁是很活泼的金属，与氧的亲和力很大，在常温下即可形成氧化镁、氢氧化镁等化 合物，该氧化镁薄膜会阻碍焊缝的行成。氧化镁的熔点约2 5 0 0 ，与镁的熔点6 5 0 相 差很大，在焊接过程中形成的氧化镁混杂在比重较轻的熔融金属中不易被排除，容易形 成细小的片状固态央渣，存在夹渣的焊缝易产生电化学腐蚀。焊接过程中由于高熔点的 氧化膜覆盖熔池，温度不易控制( 镁的表面张力小，氧化膜在熔化时与镁合金并无颜色 区别，很难观察到熔化的程度) ，易造成焊接热影响区大块塌陷，破坏焊缝金属的形状 及性能。在高温下，镁能与空气中的氮强烈化合生成的脆性氮化物会降低接头的力学性 能。镁的沸点为1 1 0 0 ，而g t a w 焊接的电弧温度一般在2 0 0 0 。c 以上，在焊接电弧作 用下镁和低熔点合金元素很容易蒸发。 ( 3 ) 变形 镁及镁合金的热膨胀系数大，约为钢的2 倍，铝的1 2 倍，导热系数高，弹性模量 较小，在焊接过程中镁合金变形较大、冷却速度快、熔池结晶速度快，其线膨胀系数大， 凝固时体积收缩率达4 6 ，使焊缝的内应力和焊接接头的刚性拘束度较大，易引起较 大的内应力，从而使焊件易产生较大的焊接变形。 ( 4 ) 气孔 与铝合金焊接类似，镁合金焊接时容易产生氢气孔。由于氢气在镁中的溶解度随温 度的降低而急剧减少，使焊缝金属在迅速凝固过程中易产生氢气孔。氢的来源较多时， 大连交通入学t 学硕十学位论文 出现气孔的倾向较大。因此，在焊接自i 必须严格清理焊缝，并合理选择焊接工艺，以防 止氢气孔的产生。 ( 6 ) 焊缝下塌 因为镁的表面张力比较小，焊接时很容易产生焊缝金属下塌。 ( 5 ) 热裂纹 镁易与一些合金元素( 如c u 、a i 、n i 等) 形成低熔点共晶体( 如m g c u 共晶点为4 8 0 ， m g a i 共晶点为4 3 0 ，m g n i 共晶点5 0 8 。c ) ，导致镁合金的结晶温度范围增大，易形 成热裂纹。当接头温度过高时，接头组织中的低熔点共晶体在晶界处会熔化出现空穴， 或产生晶界氧化，产生过烧等现象。 1 3 2 镁合金焊接国内外研究现状 随着镁合金在工业领域中的推广应用，镁合金的连接技术越来越引起国内外的广泛 关注，镁合金的连接技术是镁合金材料实用化必须解决的关键问题之一。然而由于镁合 金本身材料的特点，焊接过程冶金问题特别复杂，焊接难度大，从各国公开发表的技术 资料来看，镁合金焊接性和焊接工艺研究进展缓慢。近年来，随着各种焊接力n - r - 设备的 不断开发，在同本、美国、英国、德国等发达国家，焊接技术得到较大的发展，镁合金 的焊接研究主要集中在氩弧焊、激光焊、电子束焊、摩擦焊等方面。与铝合金相比，镁 合金在焊接时更易形成疏松、热脆性较大的氧化膜及夹渣，其焊接工艺更为复杂。 1 3 2 1 镁合金的钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是目前镁合金最常用的焊接方法，它是在惰性气体的保护下，利用钨极 与工件间产生的电弧热熔化母材和填充金属从而形成结合的一种方法。钨极氨弧焊焊接 镁合金，接头的变形小且热影响区较窄，接头的力学性能和耐腐蚀性能都较高。镁合金 化学活泼性很强，表面覆盖着一层氧化膜。焊接镁合金时采用交流钨极氩弧焊，可以同 时兼顾阴极清理作用和合理分配两极发热量。由于焊接镁合金时速度快，且高温时镁合 金易与氧气和氮气反应，故保护气体流量要较焊接其它金属时有所增大，以避免因气流 滞后而使熔池暴露于空气中，焊丝端部不得浸入熔池，以防止在熔池内残留氧化膜。焊 丝应做前后不大的往复运动，不做横向摆动，这样可有助于焊丝端头对熔池的搅拌作用， 破坏熔池表面的氧化膜。 徐锦锋、翟秋亚等使用s y n c r o w a v e 2 5 0 型氩弧焊机，分别用e ra z 9 1 和e r a z 6 1 焊丝在试板坡口表面进行逐层堆焊直至填满整个坡口。为了破碎氧化膜，试验采 用高频交流电源焊接。主要焊接工艺参数为：钨极直径为3 m m ，焊接电流1 4 0 2 2 0a ， 氩气流量为9 l m i n 。母材选用工程上应用较广泛的a z 9 1 b ，镁合金焊材使用5 m m 的挤 1 0 第一章绪论 压态e ra z 6 1 和e ra z 9 1 。用a z 6 1 和a z 9 1 焊丝t i g 焊a z 9 1 b 镁合金获得组织致密、 焊缝与母材结合良好的焊接接头。焊缝组织由分枝发达、呈雪花状的a 枝晶以及晶间 ( a + m g l 7 a l | 2 ) 低熔点共晶体组成；熔合区组织由细小的a 2 m g 等轴晶和晶间共晶体组成； 热影响区组织接近母材，由粗大的o t 2 m g 树枝晶和分布于其间的a + m g l 7 a l l 2 共晶体组成。 由于焊接过程中镁的过热蒸发导致焊缝相对含舢量升高，共晶体含量增多，从而使焊 缝热裂纹倾向增大。使用e r a z 6 1 焊接a z 9 1 b 合金更易获得抗热裂性能高、与母材成 分和组织一致性好的接头；而且接头抗拉强度和伸长率也较高。在电流适中的情况下， 使用e r a z 6 1 焊丝t i g 焊a z 9 1 b 镁合金形成的接头抗拉强度和伸长率高于e r a z 9 1 焊 丝所形成的接头，接头硬度分布更趋合理。宜优先选用e ra z 6 1 焊接和修复a z 9 1 b 镁 合金铸件【1 8 1 。 活性化焊接( a c t i v a t i n gf l u x t i g 简称a t i g ) 方法是使用特殊研制的活化材料( 活性剂) 焊前涂敷到被焊工件表面，在焊接工艺参数不变的情况下，与常规的t i g 焊相比，活性 化焊接能增大熔深一倍以上，而且并不增加正面焊缝宽度。它起初由前苏联巴顿焊接研 究所在2 0 世纪6 0 年代研制，但是直到2 0 世纪9 0 年代末期才在欧美国家的研究机构( 如 e w i 和t w i 等) 开展广泛的研究。 徐杰、刘子利、沈以赴、陈文华等人针对a z 3 1 镁合金材料，研究了在a t i g 焊中 单一成分的活性剂对焊缝成形的影响。试验结果表明与无活性剂的焊缝相比，活性剂 t i 0 2 、s i 0 2 、c r 2 0 3 、c d c l 2 和c a c l 2 能够有效地增加镁合金焊缝的熔深和深宽比。镁合 金涂敷活性剂c d c l 2 后焊缝接头的微观组织与未涂敷时焊缝接头的微观组织没有明显区 别，只是前者热影响区稍宽。未涂敷活性剂和涂敷c d c l 2 的试样硬度值分布相差不大。 在a z 3 1 镁合金的焊接中，活性剂c d c l 2 的作用效果最好【1 9 j 。 张兆栋、刘黎明选取t i 0 2 作为活性剂，研究了单一活性剂t i 0 2 对镁合金焊接后微 观组织的影响。得出以下结论：活性焊剂可以显著增加镁合金焊缝熔深。在此试验条件 下单一活性剂t i 0 2 可以使焊缝熔深比常规的t i g 焊增加2 倍左右；镁合金涂敷活性剂 后焊缝接头的微观组织与未涂敷时焊缝接头的微观组织没有明显区别，焊缝的熔合线两 侧结合良好，没有裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷；镁合金涂敷t i 0 2 活性剂后，t i 元素 只分布于焊缝上表面附近，呈弥散分布状态，在镁合金焊缝中部、下部没有t i 元素存 在【2 0 1 。 曲广学、刘庆忠、郭道厚等采用交流g t a w 焊接方法对a z 3 1 镁合金薄板进行了 焊接，焊后发现镁合金板主要存在波浪变形、焊后错边、焊瘤、表面有“麻点”现象， 但通过调整焊接顺序，采用大电流、快速焊工艺参数和刚性固定等措施可以避免上述缺 人迮交通大学i ：学硕+ 学位论文 陷，接头强度可达到母材强度的8 0 以上，接头断口呈脆性断裂，母材呈混合断口的特 征，为剪切型断裂。硬度测试表明，热影响区硬度有所下降，而焊缝硬度与母材相当1 2 。 m u n i t i za 等研究了g t a w 焊变形镁合金a z 9 1 d 板材接头的力学性能和显微组织， 发现从焊缝金属中沿焊缝长度方向截取的试样的屈服强度、抗拉强度和延伸率比铸态母 材高，这主要与熔化区相对较高的冷速引起的显微组织细化有关。此外，垂直于焊缝截 取的试样的抗拉强度和延伸率较差。研究还发现焊后显微组织中存在b 相( m 9 17 a 1 1 2 ) ，1 3 相( m 9 7 a l j 2 ) 是一种脆性相，沿着晶界连续分布。由于其熔点低，偏析于晶界，增大了结 晶温度区间范围，在应力作用下极易形成热裂纹，尤其是弧坑热裂纹敏感性更大。断口 分析发现断裂总是发生在热影响区的晶界处，即b 相( m g l 7 a l l z ) 连续分布的晶界，通过焊 缝背面加垫板或采用大电流快速焊以提高冷却速度，减小热影响区，是避免热影响区断 裂的有效方法【2 引。 1 3 2 2 镁合金的搅拌摩擦焊 目前己实现了a z 3 1 f 2 3 1 、a z 6 1 1 2 4 1 、a z 9 1 d 1 2 5 1 等镁合金的搅拌摩擦焊接。f s w 焊接 镁合金时不会产生与熔化有关的缺陷，如气孔、裂纹等，焊缝宽度均匀，表面成型美观 无任何缺陷。由于焊接过程中搅拌头机械搅拌作用，f s w 接头发生了动态再结晶。观 察接头组织发现，在接头处产生了一个椭圆形的搅拌区域，该区域由具有高密度的、混 乱的再结晶晶粒组成；焊缝中心晶粒细小，且在靠近焊缝的上表面和下表面晶粒更加细 小，这是因为在搅拌头的作用下，产生变形和摩擦热导致该部位余属在较低温度下发生 动态再结晶过程，从而形成细小的等轴晶粒；热影响区晶粒较粗短，逐渐向等轴晶、微 细晶粒转变。整个接头的综合机械性能几乎与母材完全相同，接头抗拉强度达到母材强 度的9 0 左右，接头韧性与母材相比降低很少。 邢丽、柯黎明等人采取3 m m 厚的m b 8 镁合金作为待连接材料，采用搅拌摩擦焊， 发现焊核区晶粒细小均匀，而热影响区的晶粒粗大，其晶粒尺寸甚至大于母材的晶粒尺 寸。焊核区与热影响区交界处有某些晶粒呈现黑色，使之宏观组织面形成明显的分界。 连接工艺规范参数对其表面成型有很大的影响。规范参数选择不当时，会出现表面沟槽 或反面未熔合。沟槽的出现，一方面与搅拌头的形状有关，另一方面与所选择的规范参 数有关。因为当摩擦热量不够时，接头部位材料的塑性流动不充分，不能有效地填满孔 洞，以致在搅拌头后方表面留下沟槽。有时虽然表面可形成光滑的焊缝，但内部仍有孔 洞缺陷。搅拌头对工件的压力对镁合金薄板的塑化连接有很大的影响。因为在搅拌过程 中此压力对焊缝的形成起到一个封闭的作用，当材料处于塑性状态后，在焊头向前运动 时，塑性材料一方面被搅拌头带动绕轴线运动，另一方面由前向后流动。材料的这种塑 1 2 第一章绪论 性流动，使搅拌头后方的孔洞填