（材料加工工程专业论文）az31b镁合金钎料及接头性能研究.pdf

摘要 摘要 镁及其合金的应用由于加工成形困难和耐腐蚀不良等问题受到限制。镁合金 部件主要是利用其良好的铸塑性生产的压铸件。如采用合理的焊接工艺，可以加 工结构更复杂、尺寸更大的镁合金部件，进一步扩大镁合金的应用范围。本文设 计了用于镁合金a z 3 1 b 钎焊的低熔点钎料，为实现镁合金在更低的温度下连接 提供基础。 本文研制了m g - a i z n 系钎料，并通过坩埚熔炼和熔剂覆盖保护的熔炼工艺 制备钎料合金，利用差热分析、光学金相显微分析、扫描电子显微镜及能谱分析、 x 射线衍射分析及荧光分析等手段，通过铺展和润湿试验、钎焊接头剪切强度试 验、钎焊接头拉伸强度试验等方法，分别对所研制钎料的熔化特征、微观组织、 铺展和润湿性能、钎焊接头剪切性能以及拉伸性能进行了测定和分析。本文研究 成果如下： 1 ) 钎料熔化温度区间处在3 3 6 4 之间，钎焊温度最高为5 l o ，钎焊温 度较低；且固液温度区间较小，有利于钎焊。自行设计的钎焊氩气保护装置具有 良好的保护效果，与自行设计的钎缝间隙调节夹具结合使用，钎焊工艺稳定。 2 ) 对铸态钎料组织进行分析发现：钎料中存在大量粗大的a l 和m g 的先析 出相，由于凝固速度较快，钎料中存在大量非平衡组织，脆性的共晶相主要依附 于先析出相凝固，钎料均呈现较大的脆性。 3 ) 钎料对母材的润湿性和铺展性能较好，润湿角较小，最小为1 3 2 0 。钎料 的钎焊性能良好，钎焊界面平整，无明显钎焊缺陷。钎焊组织形貌与铸态钎料组 织有较大差别，基体均为a m g ，在q m g 周围分布m g - a i 和m g - z n 的共晶组织； 撑l 和群2 钎料钎焊接头共晶组织粗大，为骨骼状，呈连续的网状分布；群3 钎料钎 焊共晶组织为蜂窝状和层片状。钎料中存在这些共晶组织较脆，对接头性能有不 利的影响。钎料耐腐蚀性能优于母材合金，撑3 钎料的自腐蚀电位最接近母材，其 接头耐腐蚀性能较好。 4 ) 所研制钎料钎焊所得搭接接头中撑3 的剪切强度最高为6 0 4 4 m p a ，约为母 材剪切强度的6 0 ，强度较高。对接接头拉伸强度最高为7 7 2 9 m p a ，约为母材 拉伸强度的3 0 。钎料钎焊接头的断裂均为脆性断裂，断裂均沿钎焊组织中的脆 性共晶组织扩展。 关键词m g - a i z n 钎料；高频感应；钎焊；共晶 a bs t r a c t t h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y s a r er e s t r i c t e db yt h ep r o b l e m si ni t sp r o c e s s i n ga n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e m a g n e s i u m a l l o yc o m p o n e n t sa r em a i n l y d i ec a s t i n g sp r o d u c e do nt h eb a s i so fi t sh i g hp l a s t i c i t y g i v e nt h e a p p l i c a t i o n o fp r o p e rw e l d i n gt e c h n o l o g y , c o m p o n e n t s w i t hm o r e c o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dl a r g e rs i z ec a i lb ep r o d u c e d ，t h u se x p a n d i n g t h ea p p l i c a t i o n o fm a g n e s i u ma l l o y i nt h i sp a p e r ，l o w - m e l t i n gf i l l e rm e t a l sf o ra z 3 1bm a g n e s i u m a l l o yw e r ed e v e l o p e d ，w h i c hc a nb et h ef o u n d a t i o no fm a g n e s i u ma l l o yj o i n i n ga ta l o w e rt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , m g - a 1 一z nf i l l e rm e t a l sw e r ep r e p a r e dt h r o u g hc r u c i b l em e l t i n ga n d f l u x p r o t e c t i n g t h e i rm e l t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，m e t a l l o g r a p h i c s t r u c t u r e , s p r e a d a b i l i t i e s ，w e t t i n ga b i l i t i e s ，s h e a rs t r e n g t ho fm el a pj o i n t sa n d t e n s i l es t r e n g t ho ft h e b u t tj o i n t sw e r em e a s u r e do ra n a l y z e dt h r o u g hs p r e a d i n ga n dw e t t i n gc a p a c i t yt e s t ， s h e a rt e s t t e n s i l et e s ti nt e r m so fd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ，o p t i c a lm i c r o s c o p i c s t r u c t u r ei n s p e c t i o n , s e ma n de n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ，x - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s a n df l u o r e s c e n c ea n a l y s i s t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 1t h em e l t i n gt e m p e r a t u r e so f t h ef i l l e rm e t a l sr a n g e df r o m3 3 6 ct o4 6 4 ( 2 t h e b r a z i n gt e m p e r a t u r e sw e r ec o m p a r a t i v e l yl o w , t h eh i g h e s to f w h i c hw a s510 c t h e s o l i d 1 i q u i dt e m p e r a t u r er a n g ew a sn a r r o w , w h i c hw a s c o n d u c i v et ot h eb r a z i n g t h e s e l f - d e s i g n e da r g o np r o t e c t i o nd e v i c eh a dr e c e i v e dg o o de f f e c t s ，a n d t h eb r a z i n g p r o c e s s w a ss t a b l ew h e nt h ee q u i p m e n tw a su s e di nc o n j u n c t i o nw i t h t h e s e l f - d e s i g n e db r a z i n gj o i n ta d j u s tj i g 2 ) al a r g en u m b e ro fo v e r s i z ep r i m a r yp r e c i p i t a t e dp h a s e so f a 1a n dm gi na s c a s t f i l l e rm e t a l sw e r ef o u n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r eo f t h e f i l l e rm e t a l s d u et ot h eh i g hs o l i d i f i c a t i o nr a t e ，t h e r ew e r em a n yn o n - e q u i l i b r i u m m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e si nt h ef i l l e rm e t a l s t h es o l i d i f i c a t i o no f t h eb r i t t l ee u t e c t i c p h a s e sm a i n l yd e p e n d e do nt h ep r i m a r yp r e c i p i t a t e dp h a s e s t h e a s 。c a s tf i l l e rm e t a l s s h o wg r e a tb r i t t l e n e s s 3 1t h ew e t t a b i l i t i e sa n ds p r e a d a b i l i t i e so ft h ef i l l e rm e t a l sw e r ec o m p a r a t i v e l y g o o d ，w i t ht h em i n i m u mw e t t i n ga n g l eb e i n g13 2 。t h ef i l l e r m e t a l sb r a z e dw e l l ， w i t hs m o o t hb r a z i n gi n t e r f a c ea n dn oo b v i o u sb r a z i n gd e f e c t s t h e r ew a sag r e a t d i f f e r e n c eb e t w e e nt h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r eo ft h ej o i n t sa n dt h ea s c a s tf i l l e r m e t a l s t h eb a s e sw e r ea l la m g ，a r o u n dw h i c hw e r ee u t e c t i cs t r u c t u r e so fm g a 1a n d m g - z n t h ee u t e c t i cs t r u c t u r e so f 群1a n d 撑2f i l l e rm e t a l sw e r eo v e r s i z e ，b o n e - s h a p e d 北京工业大学工学硕上学位论文 a n di nac o n t i n u o u sn e t l i k ed i s t r i b u t i o n ，w h i l et h ee u t e c t i cs t r u c t u r e so f 群3f i l l e rm e t a l w e r ec e l l u l a ra n dl a m e l l a r t h eb r i t t l ee u t e c t i cs t r u c t u r e si nt h ef i l l e rm e t a l ss h o w e d u n f a v o r a b l ei m p a c to np r o p e r t i e so ft h ej o i n t s 1 1 1 ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ef i l l e r m e t a l sw a sb e t t e rt h a nt h a to ft h eb a s em e t a l t h es e l f - c o r r o s i o np o t e n t i a lo ft h e 牟3 f i l l e rm e t a lw a sc l o s et ot h a to ft h eb a s em e t a l ，s oi t sj o i n tw i t ht h eb a s em e t a li sb e t t e r t h a nt h eo t h e r s 4 ) t h el a pj o i n to ft h e 并3j o i n th a dt h eh i 曲e s ts h e a rs t r e n g t h ，w h i c hw a s 6 0 4 4 m p a ，u pt o6 0 o ft h a to ft h eb a s em e t a l t h eh i g h e s tt e n s i l es t r e n g t hw a s 7 7 2 9 m p a ，u pt o3 0 o ft h a to ft h eb a s em e t a l t h ef r a c t u r e so ft h ei o i n t sw e r ea l l b r i t t l ef r a c t u r e sw h i c he x t e n d e da l o n gt h eb r i t t l ee u t e c t i es t r u c t u r e si nt h ej o i n t s k e yw o r d sm 分a l - z nf i l l e rm e t a l ；h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o n ；b r a z i n g ；e u t e c t i c i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：皇过： 日期：2 竺盆：上：2 跫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢主磕=翩签兰! ! 乞期：趟：剑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究意义 镁及其镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强， 易切削加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和 国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为二十一世 纪的绿色工程材料【l 】。采用镁合金结构件可大大减轻结构重量，而轻质结构刘。j ： 汽车、航空航天等工业来说非常重要，可减轻重量、节约燃料、利于控制污染、 可减少对环境的影响、安全性高、能促进循环经济等。 目前镁合金的研制和应用因其加工成形问题和耐腐蚀问题受到限制。镁合金 部件主要是利用其良好的铸塑性生产的压铸件。如采用合理的焊接工艺，可以加 工结构更复杂、尺寸更大的镁合金部件，进一步扩大镁合金的应用范围【2 - 3 l 。由 于镁合金具有熔点低，线膨胀系数及热导率较大，与氧、氮的亲和力强，焊后易 形成夹杂和脆性相，易产生焊接变形、裂纹、氧化燃烧和气孔等问题，使焊接接 头的力学性能下降，较难实现可靠连接，获得满意的焊接质量【卜卯。因此，镁合 金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接已成为制约镁合金广泛应用 的障碍和急待解决的关键技术之一。 钎焊作为材料连接方法中的一种，是当今高技术中一项精密的连接技术，在 许多行业得到广泛的应用。相对于熔焊与压焊，钎焊具有独特的优点：钎焊加热 温度一般远低于母材的熔点，因而对母材的物理化学性能通常没有明显的不利影 响；钎焊温度低，可对焊件整体均匀加热，引起的应力和变形小，容易保证焊件 的尺寸精度；有对焊件整体加热的可能性，使钎焊可以用于结构复杂、开敞性差 的焊件，并可一次完成多缝多零件的连接；容易实现异种金属、金属与非金属材 料的连接；对热源要求较低，工艺过程较简单。因此制备镁合金钎焊接头具有广 阔的应用前景。 镁合金钎焊技术还不是很成熟。从钎料方面来看，也没有广泛应用的镁合金 焊接的钎料，甚至镁合金焊接技术在我国也是 团j i n 起步阶段即】。所以，研制高 质量的镁合金钎焊材料对促进镁合金焊接技术的发展具有重要意义。 1 2 镁及镁合金的特点及应用 镁合金晶体结构为密排六方晶格，密度约为1 7 3 8 9 e m 3 ，熔点在5 0 0 6 8 0 范围内，在o 。c 1 0 0 时平均线膨胀系数为2 6 8 x l o 巧。镁的常见性质如表 1 1 。镁合金与钢铁、铝合金、工程塑料等材料相比较，具有轻质( 比铝、锌、 铁的密度分别低3 6 、7 3 、7 8 ) 、高阻尼性、抗震、高导热性、抗电磁干扰、 高电负性和易于回收等一些非常明显的性能优势。因此镁合金是所有目前广泛应 北京工业大学t 学硕- l ：学位论文 用的工程材料中质量最轻，也是比强度最高的金属材料。 表1 1 镁的常见性质 t a b l e1 - 1t h ec o m m o nq u a l i t yo fm a g n e s i u m 随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产品所 使用的材料及性能提出了更高的要求。同时，降低能源消耗、减少环境污染、节 约地球有限资源已成为产品设计师面临的十分重要与紧迫的任务，在这一背景 下，被认为二十一世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”【8 ，9 】的金属镁受到了极 大的关注。镁在地球中的储量极其丰富，镁的化合物存在于地壳( w ( m g ) - 2 5 ) 、海水( w ( m g ) - - 0 1 4 ) 、盐泉及湖水中【l o l 。且近年来，随着镁合金生产 第1 荦绪论 技术的完善成熟和价格的不断降低，镁合金在航空航天、汽车、3 c 产品( 通信、 计算机及电器) 、军工产品等领域的广泛应用推动了镁合金产业的发展，镁合金 正在成为新的结构材料而成为人们在产品材料上的首选。 作为高性能轻型结构材料，与其它材料相比，镁具有许多优点。如镁比重小， 比强度、比刚度却比铝和钢都高，具有很好的尺寸稳定性、抗震性、电磁屏蔽性、 导热导电性、切削性，特别是无污染易于再生回收利用。由于性能良好，镁合金 在机械、化工、交通、航天航空、核工业、石油设备等领域具有十分广阔的应用 前景，世界各国越来越重视对镁的开发利用。目前，国内外镁合金用量持续增长， 据文献介绍近年来镁合金的应用每年以2 5 的速度递增【9 】，已经远大于钢铁、铝 合金、锌及铜等材料的增长速度，特别是低成本、高强高韧、抗疲劳的高性能的 镁合金更是有着巨大的应用潜力，因此，镁及镁合金材料具有极大的市场前景。 我国是镁资源大国、镁生产与出口大国，镁合金将成为今后我国高新技术产业最 有希望大量采用的金属材料。因此，伴随着镁合金加工、制备技术的只臻完善， 我国高性能镁合金的产业应用即将来临。图1 1 是i m a 和h y d r om a g n e s i u m 于 1 9 9 7 年统计和预测的1 9 9 1 - - , 2 0 0 7 年世界镁合金压铸件的需求量【lo i l 】。 年份 图1 1i m a 统计与预测的压铸镁合金用量的发展 f i g 1 - lt h ed e v e l o p m e n to fd i ec a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y sa m o u n tc o u n t e da n dp r e d i c t e db yi m a 镁合金产品达到广泛应用于汽车始于2 0 世纪9 0 年代，为了达到轻量、低耗 的目的，镁合金在汽车等领域的应用范围逐渐扩大。例如，2 0 0 0 年，福特汽车 公司镁合金的使用量达到了历史最高点2 2 0 4 5 吨，大众汽车公司目前每年需要 3 8 0 0 0 吨镁及镁合金。据有关专家预计，1 0 年后每辆汽车中镁合盒的重量将增至 5 0 , - - 6 0 公斤【l o ，1 2 】。镁合金在汽车工业中主要用于制造驾驶盘、仪表板、转向轴、 车轮、底盘、变速箱、发动机焊件、座椅架、离合器外壳等。 镁合金除了以上应用外，镁合金的型材、管材以前主要用于航空航天等尖端 或国防领域，近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，极大地刺激了其在 北京t 业大学下学硕十学位论文 民用领域的应用。国外近些年还出现了采用镁合金制造高档豪华型建筑装饰材料 的趋势【1 3 - 1 9 1 。另外，轮椅、康复和医疗器械及健身器材也开始大量使用镁合金型 材。 1 3 镁合金焊接研究进展 镁合金的铸造和塑性变形等零部件的制造都离不开焊接，铸件缺陷的修补也 离不开焊接。二战初期，镁合金第一次采用连接技术被用作结构材料f 2 0 1 。战后 人们主要在电弧焊方法的应用方面进行了大量的研究。英国焊接研究所( t 、v i ) 对 镁合金与铝合金、镁合金与钢材的连接方法和工艺进行了研究，重点开展了点焊、 摩擦焊及镁合金铝合金异种材料的激光焊研究。目前，随着新型焊接技术、焊 接材料的发展，镁合金的应用领域正日益扩大。 由于镁合金具有密度和熔点低，热导率、电导率及热膨胀系数大，化学活性 强，易氧化且氧化物的熔点高等特点，使镁合金的焊接必须解决以下一系列问题： 1 ) 粗晶镁的熔点低，热导率高，焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝 及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降低了接头性能。 2 l 氧化与蒸发镁的氧化性极强，易同氧结合，在焊接过程中易形成m g o ， m g o 熔点高( 2 5 0 0 c ) ， t j 缓) k t ( 3 2 9 e r n 3 ) ，易在焊缝中形成细小片状固态夹渣， 不仅严重阻碍焊缝成形，也降低焊缝性能。镁在焊接高温下，还易与空气中的氮 化合生成镁的氮化物，氮化镁夹渣也会导致焊缝金属的塑性下降，使接头性能变 坏。镁的沸点不高( 1 t 0 0 c ) ，在电弧高温下很易蒸发。 3 ) 薄件的烧穿与塌陷在焊接薄件时，由于镁合金熔点较低，而氧化镁的 熔点很高，两者不易熔合，焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高，熔 池的颜色也没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。 4 ) 热应力和裂纹镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2 倍，铝的1 2 倍，在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。镁易与一些合金元素( 如c u 、 a l 、n i 等) 形成低熔点共晶体( 如m g c u 共晶点温度为4 8 0 c ，m g - a i 共晶点温度 为4 3 0 c ，m g - n i 共晶点温度为5 0 8 。c ) ，脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。研 究发现，当w ( z n ) l 时会提高热脆性，并可能导致焊接裂纹。在镁中加入 w ( a l 琏1 0 可细化焊缝晶粒，改善焊接性。含少量t h 的镁合金具有良好的焊 接性，无裂纹倾向。 5 ) 气孔焊镁时易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度也是随温度的降低而急 剧减小。 6 ) 镁及其合金在空气环境下焊接时易氧化燃烧，熔焊时需用惰性气体或焊 剂保护。 镁合金的焊接方法主要有：钨极惰性气体保护焊( t i g ) 、熔化极惰性气体保 护焊( m i g ) 、激光焊( l b w ) 、激光电弧复合焊( h y b r i dl a s e r - a r ew e l d i n g ) 、真空 第1 章绪论 电子束焊( e b w ) 、电阻点焊( r s w ) 、搅拌摩擦焊( f s w ) 、钎焊等。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，这些特殊的性质使 镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难，其焊接工艺更为复杂。镁合金的热膨 胀系数大，在熔化焊时易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷，需要采用夹具固定、 坡口预处理、焊前焊后热处理等措施，以保证获得性能良好的焊接接头。 1 3 1 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊在镁合金焊接最常用的焊接方法，由于常规的t i g 焊的单道焊 缝熔深较浅，熔敷率低，一般都用于镁合金薄板的焊接。钨极氩弧焊时，电极和 填充丝独立，可以在较大焊接规范条件下进行稳定焊接。为了满足人们对高质量 高效率焊接的追求，获得较大的熔深，a t i g 焊接法( a c t i v a t i n gf l u xt i g ，活性 钨极氩弧焊) 逐渐进入了研究应用领域。目前应用在镁合金的a - t i g 活性剂主要 是一些金属氯化物，例如：l i c i ，c a c l 2 ，c d c l 2 ，p b c l 2 和c e c l 3 等。与常规t i g 焊相比，采用a t i g 活性剂能够使焊缝熔深增加一倍。关于熔深增加机理的研 究，尽管利用活性剂增加t i g 焊熔深已在实践中得到了应用，但对活性剂增加 熔深的机理仍然不清楚f 5 】。冯吉才等人【6 】认为，这主要是由于氯化物的添加增大 了电弧电压和电弧温度，而且在焊接方向上增大了电弧的宽度，使得焊接过程中 在增大热输入的同时伴随着热流的重新分布。 1 3 2 熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊是采用连续给送焊丝( 金属丝) 作为电极，在氩气流的保护下， 依靠焊丝与焊件之间产生的电弧熔化母材金属及焊丝的一种焊接方法。熔化极惰 性气体保护焊( m i g ) l l 钨极氩弧焊的焊接规范范围窄，焊接速度要快，生产效率 高，但m i g 时焊缝中存在的一个重要缺陷就是热裂纹。镁合金属于典型的共晶 型合金，易熔共晶体( 如p 相的m g l 7 a 1 1 2 ) 的存在使得镁合金焊缝容易产生凝固 裂纹。 l o c k w o o dlf 较早就进行了a z 31 b 镁合金薄板的m i g 焊接试验，并探讨了 各工艺参数对焊缝成型的影响，分析了焊接缺陷的形成原剧2 1 1 。w o h l f a h r th 等 人研究了a z 3 1 、a z 6 1 板材的m i g 焊接头的性能【2 2 1 。研究结构表明接头的抗拉 强度可达到母材强度的8 0 1 0 0 ，在弯曲应力作用下的疲劳强度为母材强度的 5 0 ，去除余高后的疲劳强度可达母材的7 5 。 f u j i em s a t s u g u 等采用m i g 焊对1 6 m m 厚a z 3l 镁合金板材进行了成功的焊 接【2 3 1 。试验采用直流m i g 焊，填充金属为a z 6 1 ，焊接速度为3 m m i n ，焊接电 流和焊接速度对焊缝的外貌和宏观组织形态至关重要，接头的抗拉强度为 2 5 0 m p a ，为母材的9 8 ，而延伸率为6 ，远低于母材的延伸率。 1 3 3 激光焊 激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工 方法。与其他熔焊方法相比，具有能量密度高，热输入低，焊缝残余应力和变形 小，熔深大，冷却速度高，焊缝组织细小等优点，但焊缝易产生气孔。m i k w x k i 和s h e a r o u s e 研究发现a z 9 1 合金中气孔的数量与合金的氢含量成正比，并且金 属阐化合物m g l 7 a i l 2 对氢的阻碍作用有利于凝固阶段微气孔的形核和长大【州。 z h a oh 和d e b r o yt 分析了激光焊接a m 6 0 b 镁台金时气孔的形成过程及补救措 施1 2 4 。用y a g 激光器焊接镁合金时，存在于基体中的气孔会随着焊接进行而逐 渐扩展。随着焊接速度的减小，激光能量韵提高和热输入量的增加，熔池内气孔 增多。国内的大连理工大学及华中科技大学激光技术国家重点实验室对镁合金 a z 3 1 b 激光焊接工艺特点进行研究，探讨了焊接工艺参数对接头组织及性能的 影响。 134 激光电弧复合焊 英国帝国大学s t e e n m 首次提出利用电弧辅助激光进行焊接旧其原理如图 1 2 。该技术综合了激光与电弧的优点，将激光的高能量密度和电弧的较大加热 区组台起来，同时通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的耦合现象( 焊 件表面受能量激发产生的等离子体吸收光子能量，使到达焊缝的能量减少) 和电 弧的稳定性，以获得一种综合的焊接效果【2 6 i 。激光电弧复合焊接工艺克服了 镁合金激光焊接时镁合金表面吸收率低地缺点同时降低了单独采用激光焊深熔 焊时对阀值的要求，明显地增加了熔深，增强了接头地桥接性，提高了焊接速度， 降低了焊接成本。 图l 五复合热豫原理图圈1 - 3 熔深对比哪 f i g l op r i n c i p l e d i a g r a m o f h y b r i dh e a t f i g1 - 3 c o m p r a s i o n o f p e n e t r a t i o n 大连理工大学刘黎明等对复合热源焊接a z 3 1 b 镁舍金过程中熔深和表面成 型，以及电弧稳定性进行了研究。研究结果表明复合热源焊接熔深是同等焊接规 柔1 辛绪论 范下单独t i g 焊的2 倍左右( 图1 3 ) ，电弧稳定燃烧的最大速度也提高1 倍以 上，复合热源正向焊接比反向焊接熔深大，后者仅为前者的4 5 t 2 7 1 。 1 3 5 搅拌摩擦焊 与弧焊、激光焊、电子束焊等传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊( f s w ) 具有 焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小等优点。由于搅拌摩擦焊的焊接 温度低于合金元素的熔点，从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损 失，接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊的这些优点，使 得搅拌摩擦焊接头的力学性能明显提高，在镁合金的焊接应用上具有明显优势， 已有学者对多种镁合金进行了搅拌摩擦焊焊接试验【2 8 3 3 1 。但搅拌摩擦焊焊速低， 焊件夹持要求高，焊缝末端形成的搅拌头残留孔洞需补焊或切除。 1 3 6 真空电子束焊接 真空电子束焊接( e b w ) 具有焊接速度快，热影响区小，焊接变形小，焊 缝深宽比大，焊缝纯洁度高等优点。然而，电子束焊接镁合金也存在一些典型的 焊接缺陷，如焊缝成型不良、冷隔等。电子束焊焊缝虽然比t i g 焊焊缝窄，但 焊缝形状特别是焊根的余高与母材过渡较陡峭，这对要求精密的装配是不允许 的。焊缝中易产生气孔，可在接头部位加入适量的填充金属或采用相同金属的垫 板有助于减少气孔。z n 含量超过1 时难以焊接，这是由于z n 的蒸气压高，易 形成气孔。由于电子束设备复杂，费用较高，使其在镁合金的焊接应用上受到限 制，所以这方面的研究不多【3 3 】。 1 3 7 电阻点焊 镁合金板材或挤压板材电阻点焊与铝合金点焊所需要的焊接条件相似。它需 要大电流短时间的强焊接规范，这与镁合金电阻小、散热系数大有关。由于镁的 热膨胀系数大，在镁合金点焊过程中易出现较大变形。镁合金的表面状态对点焊 质量具有明显的影响，因此在点焊前必须对焊件进行清理，去掉其表面的铬化物 保护层和镁的氧化物。镁易与电极铜发生反应生成金属问化合物，使得电极与试 件发生粘附现象，影响焊点的质量。因此在点焊镁合金时要加强电极的冷却，同 时需要电极与工件接触面电阻均匀分布，不会因为电流的强烈集束作用而在接触 面上产生大量的电阻热，进而有效地改善电极粘附现象【3 3 】。 m g - a 1 系和m g z n 系合金的电阻焊性能较好，m g m n 系合金次之。电阻点 焊一般用于低应力场合工件的焊接，也可用于高应力、振动小或无振动条件下的 镁合金板材和挤压件的焊接。 1 4 镁合金钎焊材料研究进展 铸造和挤压镁合金的钎焊工艺、钎料和钎剂在上世纪六十年代和七十年代已 北京t 业入学t 学硕1 ：学位论文 l i i , , l l l 皇曼曼量舅寰曼曼曼曼寰曼置寰皇曼曼置鼍曼曼量曼曼曼皇皇量曼曼置皇罾鼍量鲁量曼鼍量鼍舅量量量皇曼皇皇曼曼量曼蔓曾量皇曼曼曼曼曼曼罾曼曼鲁曼皇量量 经得到一定的发展。其钎焊方法主要有火焰钎焊、炉中钎焊、浸沾钎焊等。钎料 主要使用主组元和母材相同的共晶类合金。从那以后钎焊工艺一直无很大进展。 由于九十年代镁合金应用的剧增，镁合金钎焊又引起了人们的兴趣，特别是由于 在航天领域作为轻体结构材料的应用。镁产量的大增和世界市场上随之而来的新 的高性能镁合金的应用给钎焊领域带来了一个科学技术上的挑战。 表1 2 为几种可钎焊镁合金的成分和物理性质。 表1 - 2 几种可钎焊镁合金的成分及其物理性质【孙3 6 】 t a b l e1 - 2c o m p o n e n ta n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fb r a z i n gm a g n e s i u m a l l o y s 注：o m n 的含量为最小值。a s t m 一美国材料试验学会 钎焊加热可以降低回火态镁合金板的性能，使之返回到退火回火状态。例如： 挤压并回火的a z 3 1 b 镁合金在5 9 5 钎焊l 2 分钟后降低了大约3 5 的延伸 率，2 2 的屈服强度以及8 的抗拉强度【3 7 郊l 。 火焰钎焊只是加热钎焊部位降低母材局部的性能；炉中钎焊以及浸渍钎焊降 低整体结构的性能。钎焊加热对铸造合金或退火的板合金性能影响不大。 由于镁有很高的化学活性，镁钎焊并非一个简单的过程。在空气中加热时镁 合金母材表面会形成含有氧化镁和氢氧化镁的复杂氧化膜【3 9 1 。这层氧化膜化学 性质稳定，在常规的活性气体气氛以及真空度高达1 0 巧托环境中不易被去除。通 常镁合金的氢氧化物在3 0 0 - - 一4 0 0 c 加热时会分解成氢和水，阻碍钎焊进行。因 此，镁合金钎焊必须用惰性气体或者用钎剂保护，以防止在高温停留阶段产生氧 化。 镁钎料的密度一般比钎剂的要小，这样钎焊时在接头会出现熔渣包覆现象。 镁合金的电位很低( 2 3 8 v ) ，可以阻碍稳定的电解产物或化学覆盖物的沉积，从 而提高熔融钎料的浸润性，也使镁合金免受钎剂腐蚀。 第1 章绪论 1 4 1 镁合金钎料 美国焊接学会编写的钎焊手册列举的目前可用于镁合金钎焊的商业钎料 有：b m g l 、b m g - 2 a ( 美国试验材料学会牌号分别是a z 9 2 a 和a z l 2 5 ) 。表1 3 所示为它们的相应成分和物理性质。以上两种钎料都适合于火焰钎焊、炉中钎焊 和浸渍钎焊。但这两种钎料熔点较高，配以的钎剂熔点温度也较高( 约5 3 8 c ) ， 超过大多镁合金的燃点及熔点温度，因此只适于钎焊a z l 0 a 、k 1 a 及m 1 a 等 少量几种镁合金，并不适于钎焊得到应用的如m g - a 1 z n 系等镁合金。中国机械 工程学会焊接学会编写的焊接手册中有关镁合金的钎焊仅列举了m g - a 1 z n 钎料，其成分为a 1 1 2 、z n 0 5 、b e 0 0 0 5 、m g 余量，其他相关内容极少【删。 在低温下火焰钎焊或浸渍钎焊镁合金，可采用表1 4 所示钎料： 表l - 3 商业钎料的成分及物理性质3 4 1 t a b l e1 - 3c o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fc o m m e r c i a lb r a z i n gf i l l e rm e t a l 注：a w s - 一美国焊接学会 表1 _ 4 低温钎料的成分及物理性质3 7 4 i 】 t a b l e1 - 4c o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fl o wt e m p e r t u r eb r a z i n gf i l l e rm e t a l 根据文献【4 2 】的报道，用钎剂f 3 9 0 m g 钎料m g - 1 2 a 1 1 1 c d - 4 n i ( 熔化温度 5 6 0 c - 5 8 0 c ) 钎焊时接头的剪切强度可达19 0 m p a 。 文献 4 3 】报道了二元的m g z n 、a i z n 系钎料在氩气保护下钎焊铸造a z 9 1 a 。 二元的m g - z n 钎料如m g - 4 2 z n 、m g 一5 1 z n 、m g - 6 3 z n 、m g 9 2 z n 在3 0 0 - - 5 0 0 ( 2 沿 母材表面铺展性较差，钎焊时间从0 1 1 0 分钟变化时，形成了界面反应层并对 北京 二业人学工学形! 一l j 学位论文 母材造成了腐蚀。 1 5 1 t m 厚的纯a l 薄片可用于钎焊挤压a z 3 1 镁合金的电阻钎焊，电流为5 0 0 - - 8 0 0 a ，但这样得到的接头强度不够( 4 3 l 。 在传统钎料的基础上，近几年出现了新的合金系统，有些钎料是可以提高钎 焊接头机械性能的。钎料a 1 2 5 m g - 3 5 c u ，固相线温度4 4 8 ，液相线温度4 6 2 ， 钎焊接头抗拉强度在室温时达到1 2 2 1 3 6 m p a ，在2 6 0 时为9 3 m p a t 4 4 1 。用s i 部分地取代c u ，钎料a i 3 2 m g 一2 c u 1 s i 的室温抗拉强度显著降低到8 7 m p a 。a i 基钎料真空钎焊的热循环要尽量快( 4 8 5 ( 2 ，l m i n ) ，避免界面形成脆的金属间化 合物层。焊后钎焊接头的沉淀强化为2 5 0 保温2 4 h 热处理。由于钎焊接头里 c u 元素的存在，用这种钎料钎焊的结构应进行防腐保护。 4 3 7 , - - , 5 6 5 用m g - 1 2 a i 2 c a 钎料钎焊镁基复合材料a z 9 1 1 5 s i c p ( s i c 颗粒 增强) ，室温抗拉强度达1 8 0 - - 1 9 3 m p a ，2 0 0 c 时为5 8 7 0 m p a t 4 5 1 。钎焊接头的 金相显示m g a i c a 钎料具有良好的流动性，形成了平滑的钎角，跟母材有良好 的界面反应，但有非平衡微观结构，包括固溶晶粒、m g a 1 共晶体以及由y - a 1 3 m 9 4 和弥散相( 推断是c a m 9 2 和a h c a ) 结晶成的金属间化合物。 低熔点的含钙钎料m g - ( 3 2 3 5 ) a 1 2 c a 在4 4 0 - - - - 4 4 8 c 温度范围内存在共晶 点，在2 0 0 时的抗拉强度只有1 1 1 4 m p a 。为了避免冷却后复合结构中存在残 余应力，要求钎焊温度尽量低，要在镁结构基体合金的再结晶温度附近进行钎焊 脚】 o 一些新型铸造镁合金，如：z a c 8 5 0 6 ( m g - 4 7 a i 一8 z n 0 6 c a ) ，液相线为6 0 0 ， 与b m g 1 相近，但在室温下抗拉强度达2 1 9 m p a 和延伸率高达5 ，其蠕变强度 比b m g - 1 要高【4 7 】。研究表明z n 的少量增加会使钎料的熔点降低3 0 - - 4 0 ，而 强度并无显著的损失。 理论上讲，把铸造镁合金a z 8 8 ( m g - 8 a 1 8 z n 一0 2 m n ) 作为低熔点的钎料是可 行的，这是因为a z 8 8 液相线为5 2 0 ，如果用a z 8 8 作为钎料可以在5 3 0 , - - - , 5 5 0 进行钎焊。另外，3 5 0 - 4 0 0 1 2 热轧可以得到a z 8 8 的棒材或带材。 日本新滹大学工程系w a t a n a b e 教授等研发了用于钎焊a z 31b 镁合金的低熔 点钎料和钎剂 4 8 - 5 0 】。钎料熔点较低( “8 0 ) ，主要成分为 i i l 一3 4 5 m g - ( 0 2 6 4 ) z n 一0 8 a i 。钎剂以5 9 7 c a c l 2 - 18 5 l i c i - 2 1 8 n a c i m o l - o o 】 配方的浸润性最佳，其熔点低于4 5 0 ，能有效减少并去除镁的氧化膜。接头具 有高的横向拉强度，接头沿带状富锌相发生断裂。 三元系合金相图对研发新型钎料有重要帮助。德国亚琛工业大学的研究人员 根据m g - a 1 z n 、m g - a 1 c u 以及m g - a i g a 的三元系相图【5 1 】研发了用于钎焊 a z 3 1 b 镁合金的低熔点钎料，其中以a 1 3 7 m g - l o z n ( 液相线4 4 8 。c ) 、 m g - 3 3 a 1 - 4 c u ( 液相线4 2 5 c ) 、m g - 1 5 a 1 2 7