（材料加工工程专业论文）hear气体及磁场对az31镁合金tig焊接头组织和性能影响.pdf

原创性声明 y 1 煳i i i i i 必 8 3 j ：| | i 8 。毯。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 琴次鸶 ， 日期：2 咖年乡月2 弓日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 琴次瑶亏 日期：2 0 l o 年岁月2 多日 郑州大学硕士学位论文 摘要 2 1 世纪人类发展主题是可持续发展，镁合金是理想的环保与节能材料，符 合可持续发展战略要求。镁合金因其本身的特殊物理化学性能给焊接带来了一 系列的问题，焊接已成为制约镁合金结构件广泛应用的障碍之一。 本文的目的是在t i g 焊的基础上，研究氦氩混合气体及外加磁场对a z 3 1 镁合金结构件焊接接头的组织和性能影响，从而为a z 3 1 镁合金结构件连接技术 的进一步应用提供理论和实践依据。 采用金相观察、扫描电子显微镜、显微硬度、极化曲线等分析测试手段， 研究了不同配比氦氩混合气体、外加直流或交流纵向磁场对电弧形态、焊缝成 形、熔深熔宽、力学性能的影响；并研究了含c e 、s b 焊丝对镁合金t i g 焊接接 头的组织和性能影响。 研究表明，氦氩混合气体中，随着氦气体积分数的增大，电弧稳定性增强， 当氦气体积分数等于5 0 时，焊接电弧稳定性最好。焊缝的平均显微硬度为 6 0 h v ，达到母材的8 2 6 ，抗拉强度为1 7 8 6n m m 2 ，是母材的7 1 4 ，断裂发 生在热影响区，属于韧脆混合断裂。 加入直流磁场可稳定电弧并促使其收缩、旋转，热量集中，熔池搅拌均匀。 焊缝由均匀细小且沿一定方向生长的等轴晶组成，其组织为a m g 相和点状 3 - m g l 7 a l l 2 相。焊缝平均显微硬度达到6 4 1 h v ，抗拉强度最高达到2 0 1 n m m 2 ， 是母材的8 0 4 ，断裂发生在热影响区，属于韧脆混合断裂。交流纵向磁场可 促使焊接电弧周期性旋转，有利于焊缝成形。交流磁场的电磁搅拌作用使得焊 缝晶粒细化和组织均匀化，当励磁电压为2 0 v 时所得到的焊缝成形性好，组织 均匀细小；交流磁场作用下焊缝区和热影响区显微硬度均高于母材，最高达 7 0 4 5 h v ，抗拉强度达到2 2 0 n m m 2 ，达到母材的8 8 ，断裂发生在焊缝区，属 于剪切断裂。 在焊接过程中添加含c e 、s b 元素焊丝，可以减少焊缝中脆性相m g l 7 a l l 2 ， 同时可以使其不连续分布，但热影响区中m g l 7 a 1 1 2 相呈网状分布。焊缝平均抗 拉强度达到1 9 0 4n m m 2 ，达到母材7 6 2 ，断口存在少量韧窝和撕裂棱，属于 混合型断裂。 关键词：镁合金；钨极氩弧焊；氦氩保护气体；氦气；磁场 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti st h et h e m eo ft h e21s tc e n t u r y , a n dm a g n e s i u ma l l o y i st h ei d e a le n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya n de n e r g y - s a v i n gm a t e r i a l s ，w h i c hi si n a c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y as e r i e so f w e l d i n gp r o b l e m sa ref o u n dd u et ot h ep a r t i c u l a rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f m a g n e s i u ma l l o y , w e l d i n gh a sb e c o m eo n eo ft h e o b s t a c l e so fw i d e l yu s e d m a g n e s i u ma l l o ys t r u c t u r a lp a r t s ，t h er e s e a r c ho fm a g n e s i u ma l l o ys t r u c t u r a lp a r t s c o n n e c t i o nm e t h o dh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea tt h i ss t a g e t h ee f f e c to ft h et y p ea n dp r o p o r t i o no fs h i e l dg a s ，e x t e r n a l l y - a p p l i e dm a g n e t i c f i e l do nt h ea r es h a p e ，w e l da p p e a r a n c e ，p e n e t r a t i o n ，w e l dw i d t ha n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fa z 31 m a g n e s i u ma l l o y t i gw e l d i n gw e r e i n v e s t i g a t e db y m i 凹o s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n ， o p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r i c m i c r o s c o p y ( s e m ) ，m i c r o h a r d n e s sa n dp o l a r i z a t i o nt e s t t h ei n f l u e n c e so fa d d i n g a z 31w i r e sw i t hc ea n ds bo nt h ew e l d i n gj o i n tm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f a z 31m a g n e s i u ma l l o yw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t e dt h ea r cs t a b i l i t yi m p r o v e sw i t ht h eh ev o l u m e r a t i oi n c r e a s i n g ，w h i l et h ev o l u m er a t i oo fh eg a si s5 0 ，t h ea r cs t a b i l i t yi st h eb e s t t h ea v e r a g em i c r o h a r d n e s so fw e l dr e a c h e s6 0 h vw h i c hi s8 2 6 o ft h eb a s ep l a t e t h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l di s17 8 6n m m 2w h i c hi s71 4 o ft h eb a s ep l a t e t h e f r a c t u r eo c c u r r e di nt h e h e a t - a f f e c t e d z o n e ，b e l o n g i n g t o t o u g h b r i t t l em i x e d m o r p h o l o g y t h ea r es h a p ei ss t a b i l i z e d ，s h r a n ka n dr o t a t e d t h ew e l d i n gh e a ti sc e n t r a l i z e d a n dt h em o l t e nb a t hi ss t i r r e de v e n l yb ya d d i n gd c m a g n e t i cf i e l d t h ee q u i a x e d g r a i n si nw e l dz o n e ，w h i c ha r em i x e do f0 【一m ga n dp u n c t u a t e dp - m g l 7 a 1 1 2a r e h o m o g e n o u sa n dg r o wa l o n gc e r t a i nd i r e c t i o n i na d d i t i o n ，t h ea v e r a g em i c r o h a r d n e s s o fw e l di s6 4 1h v t h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l di s2 01n m m 2 ，w h i c hi s8 0 4 o ft h e b a s ep l a t e ，t h ef r a c t u r eo c c u r r e di nt h eh e a t - a f f e c t e dz o n e ，b e l o n g i n gt ot o u g h b r i t t l e m i x e dm o r p h o l o g y t h ea r cs h a p ew a sr o t a t e db yl o n g i t u d i n a la c m a g n e t i cf i e l d p e r i o d i c i t i l y , a n d i tw a sg o o df o rw e l df o r m a t i o n ，r e f i n i n gw e l dg r a i na n d i i 郑州大学硕二e 学位论文 h o m o g e n i z i n gm i c r o s t r u c t u r e t h ew e l df o r m a b i l i t y , m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sa r e g o o dw h e nt h ee x c i t a t i v ev o l t a g ei s2 0 v t h em i c r o h a r d n e s so fw za n dh a z i s h i g h e rt h a nb a s ep l a t e ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l di s2 2 0 n m m 2 ，w h i c hi s8 8 o ft h e b a s ep l a t e ，t h ef r a c t u r eo c c u r r e di nt h ew z ，w h i c hb e l o n g st ot h es h e a rf r a c t u r e a d d i n gw i r e sw i t hc ea n ds bi nw e l d i n gp r o c e s sc a l lr e d u c eb r i t t l ep h r a s e m g l 7 a l l 2 ，a n dm a k e st h em g l 7 a 1 1 2d i s c o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o n h o w e v e rt h en e t w o r k m g l t a l l 2a p p e a r si nh a z t h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho fw e l di s1 9 0 4 n r a m 2 ， w h i c hi s7 6 2 o ft h eb a s ep l a t e ，a n dt h ef r a c t u r eb e l o n g st om i x e dm o r p h o l o g yi n w h i c haf e wd i m p l ea n dt e a r i n ge d g e sw e r ef o u n di n k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；t i g ；h e l i u m a r g o ns h i e l dg a s ；h e ；m a g n e t i cf i e l d i i i 郑州大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t - i i 1 绪论1 1 1 研究背景l 1 2 镁及镁合金的性质及应用、2 1 2 1 镁的发现及发展2 1 2 2 镁及镁合金的性能2 1 2 3 镁合金的应用现状3 1 2 4 制约镁合金焊接技术发展应用的主要因素5 1 3 镁合金焊接研究现状6 1 3 1 钨极惰性气体保护焊( t i g 或g t a w ) 6 1 3 2 熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 8 1 3 3 搅拌摩擦焊( f s w ) 9 1 3 4 电子束焊( e b w ) l o 1 3 5 激光焊( l b w ) 1 0 1 4 本课题研究意义1 1 1 4 1 研究内容1 l 1 4 2 技术路线1 3 2 试验方法及分析手段1 4 2 1 试验材料1 4 2 2 试验设备1 4 2 3 焊接t 艺过程1 6 2 3 1 焊前准备1 6 2 3 2 焊接1 ：艺参数确定1 7 2 4 组织分析方法1 8 2 4 1 光学金相显微分析方法1 8 2 4 2x r d ( x - r a yd i f f r a c t i o n ) 分析方法1 8 郑州大学硕士学位论文 2 4 3s e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 分析方法1 8 2 5 性能测试1 9 2 5 1 常温拉伸测试1 9 2 5 2 显微硬度测试1 9 2 5 3 耐腐蚀性测试1 9 3 氦一氩混合气体对a z 3 1 镁合金焊接性的影响2 l 3 1 氦一氩混合保护气体对电弧形态的影响2 l 3 2 氦一氩混合气体焊缝熔宽和熔深的影响2 3 3 3 氦一氩混合气体焊接接头显微组织分析2 4 3 4 氦一氩混合气体焊接接头力学性能分析2 6 3 5 氦一氩混合气体焊接接头自腐蚀电位分析2 7 3 6 本章小结2 8 4 外加磁场对a z 3 1 镁合金焊接性的影响2 9 4 1 直流磁场对镁合金t i g 焊的影响3 0 4 1 1 直流磁场对电弧形态的影响3 0 4 1 2 直流磁场对焊缝成形性的影响3 2 4 1 3 直流磁场对焊接接头显微组织的影响3 3 4 1 4 直流磁场对焊接接头力学性能的影响3 7 4 1 5 直流磁场对焊接接头腐蚀性能的影响3 9 4 2 交流磁场对镁合金焊接接头的影响4 0 4 2 1 交流磁场对电弧形态的影响4 0 4 2 2 交流磁场对焊缝成形性的影响4 2 4 2 3 交流磁场对焊接接头显微组织的影响4 2 4 2 4 交流磁场对焊接接头力学性能的影响4 4 4 2 5 交流磁场对焊接接头抗腐蚀性能的影响4 7 4 3 磁场对焊接缺陷的影响4 7 4 4 本章小结4 9 5 含c e 、s b 焊丝对镁合金t i g 焊焊接性的影响：5 0 5 1c e 和s b 与镁合金熔体作用的热力学分析5 0 5 2 含c e 和s b 焊丝对焊接接头显微组织的影响5 l 5 3 含c e 和s b 焊丝对焊接接头力学性能的影响5 3 郑州大学硕士学位论文 5 4 含c e 和s b 焊丝对焊接接头抗腐蚀性能的影响5 4 5 5 本章小结5 5 6 结论5 6 参考文献5 8 个人简历及在学期间发表的学术论文6 2 致谢6 3 郑州大学硕二l 学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 绿色环保及可持续发展是2 1 世纪人类发展的主题，随着制造业、交通工具、 航天航空、兵器工业的发展及石油、化工、核能及信息工程等新型技术的崛起， 传统的钢铁材料已逐渐被性能更加优异、生产过程无毒污染的新型环保材料所 替代【l 巧】。在哥本哈根会议世界各国虽然没达成一致的协议，但是世界的发展方 向是降低能源消耗，减少污染是一定的。镁及镁合金作为高性能轻型结构材料 具有密度小( 1 7 3 8 9 c n l 。3 ) 、弹性模量高( 4 5 1 0 l o p a ) 、比强度比刚度高，能 承受大的冲击载荷，加工性( 背吃刀量小于1 3 m m 、切削速度小于3 1 0 m m i n 、进 给量在0 1 0 2 6 0 m m r 之间) 和抛光性能优良，耐有机酸及液体燃料的腐蚀性好， 导热导电性好( 常温下热导率为1 5 6w ( m k ) ，电阻率为4 4 6 ( f 2 m ) ) ，热加工成 形性能好，摩擦时不易产生火花、电磁屏蔽性能优异等优点，是目前各国重点 开发的绿色工程金属材料，由于镁合金的可回收性符合可持续发展的人类生存 要划6 。引，在国民经济建设、军工产业及航空航天领域中具有广阔的应用前景。 镁及镁合金最初主要应用在军工领域，随着应用技术的成熟及镁资源的不断 发现，这一新型材料在民用方面也得到很大的发展。到了上世纪7 0 年代，镁合 金在交通、电子等领域得到持续的发展，镁合金的产量以及消费每一年都有很 大的提高。9 0 年代以来，中国加入了w t o 以后我国在国际市场经济活跃使得 我国镁工业的加速发膨9 m 】。在9 0 年代的1 0 年间，我国原镁产量增长了近5 0 倍，年增长率从最初的3 增长为1 5 左右，大大超过了欧洲和美洲等发达国家， 但因为研发水平及应用技术的限制，我国的原镁生产量和出口量居世界首位， 凸现了全世界各行业对镁及镁合会需求的增大，也说明我国的研发及应用技术 急待提高。2 0 0 7 年全国共产金属镁7 0 余万吨，比2 0 0 6 年增长近2 0 ；2 0 0 8 年 在金融危机的影响下，全圈生产金属镁仍达到5 0 多万吨；2 0 0 9 年原镁产量突破 8 0 万吨。冶炼技术的不断发展提高、能量消耗的不断降低，使得镁及镁合金的 生产成本迅速下降，彻底改变了镁合金性能优异、成本昂贵、难以大面积应用 的“贵族金属”特征，广泛应用于人民群众日常生活必需品的生产制造中，其 增长速度远远高于其他有色金属及黑色金属，也成为国家g d p 增长的重要基础 郑州大学硕士学位论文 原材料之一，在国民经济发展中充当重要角色，世界各国均投入巨大的人力、 物力、财力进行镁合金的研制与开尉1 1 出】。 1 2 镁及镁合金的性质及应用 1 2 1 镁的发现及发展 1 8 0 8 年，英国科学家戴维在实验室用从含碳酸镁的菱镁矿焙烧获得的镁的氧 化物苦土作为原材料，成功制得了金属镁。1 9 2 7 年世界上首次出现了具有工程 应用价值的高强度镁合金，8 0 多年来，镁及镁合金的开发及应用一日千里，已 成为今天各行各业不可或缺的高性能金属材料【1 6 郴】。 1 2 2 镁及镁合金的性能 与目前的主流材料相比，镁合金具有众多优点，表1 1 给出了m g 、a i 、c u 、 钢的物理性能对比。 表1 1 镁、铝、铜、钢的物理性能 t a b 1 1p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i co fm g ，a 1 ，c ua n ds t e e l 2 郑州大学硕士学位论文 镁不能直接用作结构材料，是由于其室温塑性很差，纯镁的强度和硬度很 低。材料的力学性能与组织形态有关，镁变形加工后力学性能明显提高，在镁 中添加一些合金元素如铝、锰、稀土等进行合金化后，能显著改善镁的性能， 得到高强度轻质的合金，可以用作结构材料。这些合金元素主要是通过固溶强 化和时效处理后的沉淀硬化来提高合金的常温和高温性能【2 0 之3 1 。 按照合金的化学成分，镁合金可分为二元、三元、或多元合金。根据镁与 其中主要合金元素将镁合金划分为镁铝、镁锰、镁锌、镁稀土、镁一银、镁 钍、镁一锂系【2 4 1 ，按照成型工艺可以将其分为铸造镁合金和变形镁合金。实际应 用的镁合金，无论是铸造镁合金还是变形镁合金，主要有以下四个系列如表1 2 所示： 表1 2 镁合金分类、性能及用途【2 ”6 】 t a b 1 2c l a s s i f i c a t i o i l ，p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y 类别性能及用途 具有很好的力学性能和铸造性能，高屈服强度，有 a z ( m g - a 1 - z n ) 一定抗腐蚀能力，适合制造形状复杂的薄壁件 具有优良的塑性和韧性，通常用于受冲击严重的零 a m ( m g 。a l m n ) 件，比如白行车，汽车轮毅 抗蠕变性能较好，同时具有强度高和塑性韧性好的 a s ( m g a 1 s i )优点，通常用作受持续高温工作件的外壳，比如汽车引 擎外壳 a e ( m g a 1 r e ) 抗蠕变性更好，但是抗氧化性以及耐疲劳性差 1 2 3 镁合金的应用现状 镁合金具有上述的众多优点，其铸造产品及加工产品多种多样，我国的科技 工作者据此制定了相关的技术标准【2 7 2 8 1 ，如表1 3 所示。 3 郑州大学硕士学位论文 4 郑州大学硕十学位论文 1 2 4 制约镁合金焊接技术发展应用的主要因素 焊接质量的好坏是焊接结构件使用性能的决定因素，但是在实际焊接过程 常会因为操作不当、焊接工艺参数的选择不当等因素带来各种缺陷。镁合金因 其本身的特殊物理化学性能给焊接带来了一系列的焊接问题，例如氧化、蒸发、 气孔、热烈纹、热应力和变形等问翘2 9 彤】，如下表1 4 所示。 表1 4 镁合金焊接缺陷 3 6 4 0 t a b 1 4m a g n e s i u ma l l o yw e l d i n gd e f e c t s 类型 原因 烧穿与塌陷 镁合金的熔点低，氧化膜的熔点很高，两者不易熔合， 熔池的熔融金属颜色没有显著变化，焊接操作时难以观察 焊缝的熔化过程 热应力与变形 镁及镁合金热膨胀系数较人，在焊接加热和焊后冷却 过程中容易变形从而产生应力，在应力作用下，一方面容 易引起结构的变形，另一方面加剧了品体间裂纹的产生。 氧化 镁的氧化性极强，在焊接高温卜，易形成氧化镁，其 熔点高，密度人，在熔池中易形成同态夹渣，降低焊缝的 性能。镁合金在焊接高温下镁还易与空气中的氮生成氮化 镁，其夹渣将导致焊缝金属的塑性下降。镁与氧形成的氧 化镁薄膜会阻碍焊缝的成形，所以在焊前须将其清理干净， 在熔焊过程中熔池上产生的氧化膜需利用电弧的阴极破碎 作用去除。 蒸发 镁的沸点低，在电弧高温作川下很易蒸发，镁的蒸发 使镁量减少，而其它元素的含量增加，影响焊接接头的性 能。 热裂纹 在焊接过程中镁与一些合金元素发生共晶反应而形成 低熔点共晶体，在晶界在析出，冷却过程中易产生应力， 在廊力的作用下易形成热裂纹，特别是弧坑裂纹敏感性更 大。 因此，焊接已成为制约镁合金结构件广泛应用的障碍之一，现阶段对镁合 5 郑州大学硕士学位论文 金结构件连接方法的研究具有很大现实意义。 1 3 镁合金焊接研究现状 对于镁合金焊接的研究也越来越多，大量的研究集中在怎样改善焊接接头 组织结构和提高接头的性能方面。应用的焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊 ( t i g 或g t a w ) 、熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 、搅拌摩擦焊( f s w ) 、电子束 焊( e b w ) 和激光焊( l b w ) 等。 1 3 1 钨极惰性气体保护焊( t ig 或g t a w ) 钨极惰性气体保护焊利用钨电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。焊接时镁合金作为负极，利用其产生的阴极点破坏作用，除 去氧化膜，从而可以减少焊缝氧化物夹杂【4 1 1 。由于镁合金热膨胀系数大，易产 生焊接裂纹、焊后变形等缺纠4 2 1 ，因此需要采用夹具固定、坡口处理、焊前焊 后热处理等措施，以保证获得完整的焊接接头。 现阶段国内外研究者主要从焊接电弧特性，焊接缺陷和焊缝组织对镁合金 t i g 焊焊接进行研究： 1 ) 焊接缺陷 国内研究者【4 3 喇】采用交流t i g 焊接方法对a z 3 1 镁合金进行了焊接，在焊接 前期发现存在氧化、蒸发、气孔、焊瘤、错边、变形、麻点和裂纹等缺陷，后 期通过加入夹持夹具，利用单面焊双面成形，还有采用高速度高熔敷的焊接工 艺参数可以减少甚至避免上述的一些缺陷的产生，焊接接头抗拉强度达到 1 5 0 n m m 2 ，断口呈脆性断裂，由于热影响区的晶粒较大，因此热影响区的硬度 有所下降，焊缝硬度相当于母材。 2 ) 电弧特性 王生希，宋刚【4 5 】等，利用t i g 焊焊接a z 3 1 镁合金板材，研究焊接过程中的 电弧特性，当焊接过程中加入脉冲电流时，脉冲电流处于峰值时的电弧呈大喇 叭状，明显大于没有加入脉冲电流时t i g 焊的焊接电弧。利用红外法测定焊接电 弧温度以及熔池凝固过程温度分布，并研究记录曲线发现，加入脉冲电流后熔 池两侧区域冷却更快，从金相分析得焊缝其焊缝晶粒较细，焊接接头的热影响 区变窄，而且硬度变高，焊缝区晶粒也较没有加入脉冲电流的细小，抗拉强度 6 郑州大学硕士学位论文 更高。 3 1 焊缝组织 国内也有研究者【倒利用t i g 焊焊接a z 3 1 镁合金后对其组织和性能进行了研 究分析，发现可以从金相观察就可以明显区分焊缝区以及热影响区，这是因为 热影响区晶粒粗大，而焊缝区属于是急冷组织，冷却速度高，和母材和热影响 区相比较晶粒明显细化，同时硬度和抗拉强度也相对比热影响区要高。利用x r d 和能谱分析发现，焊缝中存在比较明显的元素偏析，a l 和z n 元素偏聚在晶界上， 而m g 和m n 元素均匀分布于整个焊缝中。 张兆栋，刘黎明【4 7 f 阿l m m a r y a ，g r e d w a r d s 9 】等通过添加活性剂氧化钛还有 氯化钛研究活性剂在对焊接a z 3 1 镁合金的元素的分布、组织和性能的影响。可 以发现通过添加活性剂涂覆，可以提高焊接熔敷性，使得熔深增加两倍，同时 在加入活性剂后焊接接头的显微组织和没有添加活性剂的焊接接头显微组织相 一致，没有明显变化，而且没有产生缺陷。 刘胜新，陈永和汪喜和【4 9 - 5 3 】等探讨通过改变焊接工艺参数和加入氦气改变 焊接特性，研究t i g 焊焊接a z 3 1 镁合金板对其焊接接头组织和性能的影响。发 现焊接电流为5 8 a ，焊接速度为1 5 m m s ，气体流量为9 5 m l s 的焊接工艺参数下， 焊接3 m m 厚的a z 3 1 镁合金板材可以获得外形平整光滑，没明显变形、应力集中 产生裂纹等缺陷。焊缝区由细小等轴晶组成，热影响区晶粒较为粗大，但是在 氦气的冷却作用下热影响区硬度稍低于母材，焊缝区的硬度和母材相当，抗拉 强度为母材的6 8 左右，断裂发生在热影响区。 国外的研究者a s a h i n a t 和t o k i s u e h 【5 4 】研究t t i g 焊接a z 3 1 镁合金凝固裂 纹的敏感性，发现利用交流t i g 焊同时加入脉冲电流的情况下，焊缝产生裂纹的 机率比没有加入脉冲电流和直流t i g 焊的要少，是由于交流t i g 焊可以清理镁合 金表面氧化膜以及脉冲电流作用下，电弧的收缩扩张作用使得焊缝晶粒细化， 不会产生热应力而导致裂纹的产生。同时也研究了晶粒细化程度即是焊缝晶粒 尺寸对凝固过程中产生裂纹的影响，当焊缝区是细小的等轴晶粒，而且呈一定 方向均匀分布，那么冷却过程中所产生的应力会均匀地分摊在每一个晶粒上， 致使裂纹不易产生。当加入的脉冲电流越大，即产生的脉冲频率越快，焊缝质 量也有影响，当脉冲电流为3 0 a 时，焊缝区的晶粒最为细化，焊接接头抗拉强度， 硬度最高，达到母材的8 0 以上。另外，由于镁合金的物理特性热导率高，散热 速度很快，使得焊缝快速凝固而晶粒得到细化，而镁合金熔点低，轧制变形后 7 郑州大学硕士学位论文 晶粒的稳定性变差，在电弧作用下使得热影响区的晶粒粗大。 a m u n i t z 和c c o t l e r l 5 5 】等用钨极气体保护焊( t i g 焊) 焊接从铸造a z 9 1 d 镁合 金锭机械切割下来的4 m m 厚的镁合金板，利用o m 和s e m 观察显微组织结构和组 织缺陷，通过能谱和x r d 等分析方法发现在融合去区和焊缝的晶粒晶界中存在 大量连续的a l l 2 m g l 7 相，而由于此相的存在使得焊缝力学性能变低，而且明显低 于退火后的a z 9 1 d 镁合金。相反，从焊缝金属加工出来的试样却展现出提高的 强度和韧性，这是由于在熔合区在凝固期间的快速冷却使组织细化的原因。如 像电子束焊那样没有产生大量的部分熔化区时，其接头强度就和母材的强度相 当。 1 3 2 熔化极惰性气体保护焊( mig ) 焊丝作为熔化极惰性气体保护焊电极，可使用比钨极氩弧焊大得多的电流。 因此，熔化极惰性气体保护焊电弧功率大，热量集中，焊接速度快，热影响区 小，生产率比手工钨极氩弧焊可提高2 3 倍，可焊厚件( 5 0 毫米以下) ，3 0 毫米以 下不必预热，只焊正，反两层就可获得表面光滑，质量优良的焊缝，可实现自 动焊或半自动焊。合金元素烧损比较多，而且有飞溅【5 6 1 。其优点是射流过渡临 界转变电流较小，电弧稳定，阴极雾作用强，母材熔深大，生产效率高。 k a m i y a m a ，t o m o y u k i 5 7 】利用h e 舡混合气体作为m i g 脉冲电弧焊保护气体 焊接镁合金，h e a t 中氦气混合比例从2 0 0 o , - , 7 0 ，焊接脉冲电流基值和脉冲的频 率时间设定为产生大量熔滴的峰值范围之内，研究结果表明其可以减少焊接缺 陷的产生，增加焊接熔深，同时使得焊缝外形平滑美观。 m i c h a e lr e t h e m e i e r 并i s t u a r tw i e s n e r t 弱j 研究了利用m i g 焊焊接镁合金过程中 焊丝的热输入量对焊缝质量的影响。由于镁合金的特殊的物理特性，在焊接过 程中，要求输入的热量能够使得焊丝熔化而保证焊缝金属的填充，但不会导致 焊缝中镁金属的蒸发。因此，当m i g 焊接镁合金输入最为适当的热量可以提高焊 缝的抗弯和抗拉强度，抗弯强度达到母材的5 0 ，抗拉强度达到7 5 。 v u j i em s a t s u g u 掣5 9 】用m i g 焊添加a z 6 l 焊丝焊接1 6 m m 厚的a z 3l 镁合金板 材，焊接的速度为3 m m i n 。研究结果发现焊缝的外观形貌和组织形态与焊接电 流和焊接速度由密切联系。最后得到的焊接接头抗拉强度为2 0 0n m m 2 ，为母材 的8 5 ，伸长率远低于母材，为母材的6 。 8 郑州大学硕士学位论文 1 3 - 3 搅拌摩擦焊( f s f f ) 搅拌摩擦焊( f i i c t i o ns t i rw e l d i n gf s w ) 是利用外力的作用以及相对摩擦所产 生的热量使金属达到塑性流动性能，使得两块金属接粗面以及摩擦区域的金属 连接在一起，在这过程中接触面两端的金属产生互相扩散相融合和动态结晶， 并且在外观上没有产生明显的塑性变形的一种焊接方法。搅拌摩擦焊在2 0 世纪 末由英国焊接研究所提出并发明的一种新型固态塑化连接技术，这种新型的连 接技术不会产生传统连接技术由于熔化后再凝固造成的一些如裂纹、气孔及合 金元素烧损等焊接的缺陷，同时不用添加焊丝、保护气体，焊接前处理变得简 化，同时焊接能量的消耗远比传统的焊接方法低，此外，焊接过程中无弧光辐 射、烟尘和飞溅，噪音低。 国内外己有研究者【6 0 】采用搅拌摩擦焊成功地实现了镁合金薄板本体焊和异 体焊的连接，焊接接头光滑平整，没有堆高，裂纹、气孔和变形等缺陷，焊缝 外形美观。 l i ns a n b a o 等【6 l 】研究了f s w 焊接a z 3 1 镁合金接头的组织和力学性能。实验 结果表明焊接接头美观，焊缝区为细小的重熔等轴晶粒，硬度比基体低一些， 力学性能达到母材的9 0 。 w o n b a el e e 6 2 】等人利用f s w 焊接a z 9 1 d 镁合金，并对焊接接头进行组织分 析和抗拉强度、硬度的测试，当焊接速度为3 m m s ，搅拌的转速为1 2 5 r s 时，焊 接接头的质量最高。搅拌区的晶粒最为细化，均为细小的等轴晶粒，硬度稍高 于母材，抗拉强度明显高于其他的传统镁合金焊接，焊接接头由搅拌区、机械 热影响区、和基体4 个部分组成。 s e u n gh w a nc p a r k 等【6 3 】讨论了利用f s w 焊接a z 6 1 镁合会并利用金相和万 能力学试验机测试观察期焊缝组织和力学性能，研究发现焊缝显微组织均匀分 布且焊缝硬度和母材相当，在f s w 焊接接头中晶粒取向、晶粒的大小以及位错 的密度和富集情况决定了抗拉强度的高低。 w a n gx u n h o n g 矛1 w a n gk u a i s h e 6 4 1 利用搅拌摩擦焊得到外观平整光滑的焊 缝，在搅拌摩擦区域，母材组织被细小的均匀等轴晶粒所取代，焊缝区的平均 显微硬度高于基体，焊接接头的抗拉强度达到9 0 ，其断裂的位置发生在热影响 区。 国内还有文献报道【6 5 】利用f s w 焊焊接m b 8 镁板，研究结果发现焊缝搅拌区 晶粒细小均匀，搅拌摩擦热影响区晶粒尺寸介于母材和焊缝之间，焊缝搅拌区 9 郑州大学硕十学位论文 和热影响区分界明显，分界处有些晶粒呈黑色，甚至可以用肉眼看出焊缝区和 热影响区的分界。搅拌的转速以及焊接速度对表面成形有很大的影响，当搅拌 摩擦焊接工艺参数不当时，会出现表明沟槽或反面未熔合。 1 3 4 电子束焊( e b w ) 电子束焊接是利用高压电通过电子发生器发热产生电子逸出，而电子在高 压加速电场装置中被加速，再利用电磁透镜原理把电子聚焦形成高密度电子束， 当电子束轰击在真空或是非真空的焊接结构件上时，电子的动能在极短时间内 转化为热能从而使得焊件金属熔化，通过焊件的移动而形成连续的焊缝，实现 金属件的连接过程。通过电子束焊接，其焊缝质量高、电子束穿透强，可以焊 接厚度达至l j 4 m 的铝合金件，热影响区小，焊缝熔深大，变形小【6 5 1 。当电子束高 压加速时，需要一个聚焦和固定位置的过程，当电子束聚焦点位置和摆动位置 正确时有利用消除焊接缺陷，提高焊缝质量。 a m u n i t z 等 6 6 】研究了a z 9 1 d 镁合金板的电子束焊接，研究结果发现焊缝和 热影响区力学性能高于母材，通过拉伸试验发现断裂发生在母材上，而不会像 传统焊接件一样断裂发生在焊缝和热影响区上，因此利用电子束焊接镁合金板 其焊缝力学性能高于其它传统焊接方法焊接得到的焊接接头。利用金相分析发 现其主要原因是焊缝区晶粒非常细小，热影响区范围小。 虽然电子束焊接具有以上种种优点，但是必须在高真空的焊接室中进行， 而且焊接设备昂贵。 1 3 5 激光焊( l b w ) 激光焊是利用高能量密度激光束作为热源进行焊接的一种加工方法。激光 焊接可以分为热导焊接和深熔焊接，热导焊接仅仅是焊件表面熔化，通过焊件 的热传导形成熔池，熔化金属在气压下形成一个小孔，激光束照射在小孔的底 部不断移动时，小孔前面的金属会及时熔化形成熔池，激光热导焊接法熔深浅， 熔宽比较大，适用于薄零件。激光深熔焊接是利用电子电离产生电离的等离子 体，对激光的吸收而发热，从而达到焊接的目的。激光焊可以利用棱镜或是玻 璃光导纤维引导激光焊接难以焊接部位，灵活多变，同时其不需要保护气体等 辅助设备。与其他熔焊方法相比较，激光焊具有能量密度高，接头区残余应力 和变形小，熔化区和热影响区窄，熔深大、焊缝组织细小、接头性能好等优点。 10 郑州大学硕士学位论文 国内外关于镁合金激光焊接的报导也不多，w a b a e s i a c k 、g c h e n 、 a w e i s h e i t 和h z h a 0 1 6 7 - 6 9 等人分别采用了c 0 2 激光焊和y a g 激光焊焊接镁合金， 发现激光焊接在冷却过程中，在晶界元素富集区域形成层状共晶组织，同时还 存在少量裂纹，这是因为元素富集区域形成了两种或多种不润湿的相或是第二 化合物，即是在液化状态下的裂纹。在利用c 0 2 激光焊焊接变形镁合金a z 9 1 ， 发现焊缝组织缺陷明显减少，甚至不存在，同时获得焊缝熔深熔宽比大。当焊 接过程中添加填充金属，其填充金属采用了同种金属和异种金属的填充，并对 不同填充金属的焊缝进组织和力学性能的比较。发现同种金属填充的缺陷较少， 而异种金属填充缺陷较多。在焊接a z 6 0 镁合金时，在焊缝的熔合区域产生气孔， 这是因为在焊接过程中，热输入的不平衡，或是冷却的散热不均匀，使得镁合 金膨胀和收缩的不平衡导致了气孔的产生，当形成了小气孔时，在原来热压力 的作用下，冷却过程中聚集长大形成大气孔，因此，提出了焊接过程中减少热 输入可以减少焊缝熔合区气孔的产生，而对焊缝重熔进行控制可以消除焊缝区 的部分气孔。 1 4 本课题研究意义 1 4 1 研究内容 利用交流t i g 焊机，通过改变保护气体比例种类，外加磁场，以及添加含 c e 、s b 元素焊丝等方法，研究其对a z 3 l + c e 十s b 镁合金显微组织、力学性能和 腐蚀性的影响，从而为a z 3 1 + c e + s b 镁合金结构件连接技术的进一步应用提供 理论和实践依据。具体内容有： 1 ) 通过拉伸试验、硬度测试来研究焊接接头的力学性能，与母材的力学性 能相比较，力求获得