（材料加工工程专业论文）az31b镁合金焊接冶金性能研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 a z 31 b 镁合金焊接冶金性能研究 摘要 镁合金具有一系列优点，尤其是作为轻质工程结构材料备受关注， 镁合金及其加工技术也就成为人们研究的热点。由于熔点低、导热快、 热膨胀系数大等特点，镁合金的焊接性能较差。针对镁合金连接方面需 要解决的众多问题，镁合金焊接冶金基础理论的研究仍然是一个关键内 容。本论文针对镁合金常用的电阻点焊s p o tw e l d i n g s w 、钨极氩弧焊 t u n g s t e ni n e r tg a sa r cw e l d i n g t i g 和熔化极氩弧焊m e t a li n e r tg a sa r c w e l d i n g m i g 等三种方法的焊接冶金性能进行了详细研究。 本文研究了厚度为2m m 的a z 3 1 b 镁合金板材电阻点焊焊接性能， 能够获得成型良好的点焊焊接接头。最佳工艺参数是焊接电流4 8 5k a 、 焊接时间1 3s 、加压时间o 4 4s 、冷却时间0 4s 、维持时间o 4s 、休止 时间o 4s 。点焊接头中母材、热影响区h e a ta f f e c t e dz o n e h a z 和熔核 区分界明显；h a z 形成环状的塑性区将母材和熔核区分割开。熔核区得 到树枝晶和等轴晶的混合组织。点焊接头的最大抗剪力达到2 3 0 0n 。 t i g 焊接8m m 厚度a z 31 b 镁合金时，焊缝区和母材的物相种类组 成一致，均为q m g 固溶体和m g l 7 a 1 1 2 金属间化合物，但物相含量略有 区别，母材的强度峰值比焊缝区的高。随着焊接电流的增大，h a z 和焊 缝区的晶粒尺寸均增大，共晶物m g l 7 a 1 1 2 的析出数量增多，且连续弥散 分布在晶界和晶粒内部。焊缝区晶粒的变化幅度较h a z 的小。，a z 3 1 b 镁合金母材和t i g 对接焊接接头的抗拉强度分别为2 2 8 7 6l v p a 和1 4 9 31 m p a ，对接接头的抗拉强度是母材的6 5 2 7 。同时，h a z 的硬度值低 于母材，最小值为4 2h k ；焊缝区的共晶物较多，硬度最高可达9 5h k 。 a z 31 b 镁合金在t i g 焊接的情况下，具有较大的焊接热裂纹倾向。 热裂纹均在焊缝金属中产生，开裂处始于焊缝上表面。主裂纹是沿晶扩 展，两侧存在多次分叉裂纹。分叉裂纹为沿晶与穿晶扩展方式共存。焊 接工艺参数对焊接热裂纹的产生有较大的影响。焊接电流大于1 7 0a 的 焊接试件均出现了焊接热裂纹，而焊接电流小于1 6 0a 的焊接试件未产 太原理工大学硕士研究生学位论文 生任何裂纹。 斜y 型坡口焊接裂纹试验焊后对每个试件焊缝区进行了观察，线能 量较大的两个试样在焊缝区出现了焊接热裂纹。焊接热裂纹的扩展特征 与自熔焊热裂纹的特征类似，主裂纹亦属于沿晶断裂，裂纹扩展中也存 在多次分叉裂纹，不同的是分叉裂纹属于穿晶扩展。形成机理与自熔焊 热裂纹的分析结果相近。未产生裂纹的试件在放置4 8 小时以后仍然没有 观察到任何形式的表面和内部裂纹，a z 31 b 镁合金t i g 焊接冷裂倾向小。 a z 31 b 镁合金m i g 焊接时，熔滴颗粒细小均匀，存在飞溅和焊瘤 现象，焊缝成型不及t i g 焊接时均匀。1 0m l n 厚a z 3 1 b 镁合金m i g 焊 接的最佳焊接工艺参数为：焊接电流2 5 0a 、焊接电压2 7v 、焊接速度 1 3 3 7m m s 、保护气体流量2 5l m i n 、干伸长1 5m l t l 。m i g 焊接与t i g 相比，焊缝区晶界连续弥散分布的共晶物增多，晶粒得到细化；h a z 晶 内的共晶物呈块状分布。m g l 7 a 1 1 2 相的弥散分布，可以弥补焊缝区晶界 的缺欠，使得m i g 焊接热裂纹的扩展受到限制，裂纹长度减小。同时， m i g 焊缝区的显微硬度可达1 0 2h k ，比t i g 的高。 a z 31 b 镁合金母材、t i g 和m i g 焊缝金属在3 5 n a c l 中性溶液中 电化学腐蚀反应剧烈。母材的自腐蚀电位瓦i t - - 1 4 2 5v ，自腐蚀电流 厶。盯- 1 0 9 3x1 0 一a 。t i g 焊缝金属的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为 1 4 8 9v 和1 5 9 8 x 1 0 a 。m i g 焊缝金属的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别 为1 4 9 7v 和1 6 4 5 x 1 0 a 。焊缝金属的耐腐蚀性能比母材的低，m i g 焊 接接头的耐腐蚀性能较t i g 的弱。 关键词：a z 3 1 b 镁合金，钨极氩弧焊，熔化极氩弧焊，焊接性能，冶金 性能 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nt h e 慢l d a bi l i t ya n dm 匣t a l l u r g i c a l p e r f o r m a n c eo fa z 31ba l l o y a bs t r a c t m a g n e s i u ma l l o yh a sas e r i e so fm e r i t s ，e s p e c i a l l ya sal i g h t q u a l i t y e n g i n e e r i n gs t r u c t u r em a t e r i a l ，i ta t t r a c t sg r e a ta t t e n t i o n t h ep r o c e s s i n g t e c h n i q u eo fm a g n e s i u ma l l o ya l s ob e c o m e st h eh o t s p o t o nt h er e s e a r c h b e c a u s eo ft h el o wm e l t i n gp o i n t ，t h eh i g hh e a tc o n d u t i o na n dt h et h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n ds oo n ，t h ew e l dp e r f o r m a n c eo fm a g n e s i u ma l l o yi s b a d a i m e dt os o l v et h ep r o b l e m so ft h em a g n e s i u ma l l o yjo i n i n g ，t h e r e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r yo fi t sw e l da n dm e t a l l u r g yp e r f o r m a n c ei ss t i l la k e yc o n t e n t t h i sp a p e r t r a v e r s e st h ew e l da n dm e t a l l u r g yp e r f o r m a n c eo ft h e ， m a g n e s i u ma l l o yo fi t st h e r ec o m m o nw e l d i n gm e t h o d s - t h er e s i s t a n c es p o t w e l d i n gs w , t h et u n g s t e ni n e r t g a sw e l d i n gt i ga n dt h em e l t i n gi n e r t - - g a s w e l d i n gm i g t h ew e l dp e r f o r m a n c eo ft h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n go nt h et h i c k n e s so f 2m ma z 31bm a g n e s i u ma l l o yw a ss t u d i e d t h ew e l lw e l d e djo i n t so ft h e r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n gw e r eo b t a i n e d t h eo p t i m a l w e l d p r o c e s s i n g p a r a m e t e r sw e r ew e l dc u r r e n t4 8 5k a ，w e l dt i m e1 3s ，s q u e e z et i m eo 4 4s ， c o o lt i m e0 4s ，h o l dt i m e0 4s ，o f ft i m e0 4s t h eb a s em e t a l ，t h eh e a ta f f e c t z o n ea n dt h en u g g e ti nt h es w jo i n t sw e r ec l e a r l yd i v i d e d t h eb a s em e t a l a n dt h en u g g e tw e r es e g m e n t e db yt h er i n g e dp l a s t i c i t yz o n eo ft h eh a z t h e m i x e dm i c r o s t r u c t u r eo fd e n d r i t ea n de q u i a x e dg r a i ni nt h en u g g e tw a sf o u n d t h em a x i m u mo ft h es h e a r i n gf o r c eo ft h es ww e l d e d jo i n t sr e a c h e dt o2 3 0 0 n w h e nw e l d i n gt h et h i c k n e s so f8m i l la z 31bm a g n e s i u ma l l o yb yt i g t h es a m ek i n do fm a t t e r sa n dp h a s e s - q - m gm a t r i xa n dm g l 7 a l l 2p r e c i p i t a t e w a sa c h i e v e di nt h ew e l dm e t a lz o n ea n dt h eb a s em e t a l b u tt h e i rc o n t e n t s w e r ed i f f e r e n t ；t h ei n t e n s i t yp e a kv a l u eo ft h eb a s em e t a lw a sh i g h e rt h a nt h e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w e l dm e t a lz o n e a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ew e l dc u r r e n t ，t h es i z eo f t h ec r y s t a lg r a i ni nt h eh a za n dw e l dm e t a lz o n eb e c a m ec o a r s e r ；t h e q u a n t i t yo ft h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d m g l 7 a i l 2b e c a m em o r e a n d m g l 7 a l l 2w a sd i s t r i b u t e di nt h eg r a i nb o u n d a r ya n di n n e rg r a i nd i s p e r s e d l y h o w e v e r , t h ec h a n g i n ge x t e n to ft h ew e l dm e t a lz o n ew a sl i t t l et h a nt h eh a z t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea z 31bm a g n e s i u ma l l o ya n di t sb u t tw e l d i n g j o i n t sw a sm e a s u r e d ，r e s p e c t i v e l y2 2 8 7 6m p a 和1 4 9 31m p a ，s ot h et e n s i l e s t r e n g t ho f t h ew e l d e dj o i n t sw a s6 5 2 7 o ft h eb a s em e t a l m e a n w h i l e ，t h e m i c r o - h a r d n e s so ft h eh a zw a sl o w e rt h a nt h eb a s em e t a l ，t h el e a s tw a s4 2 h k ；b u tt h em i c r o h a r d n e s so ft h ew e l dm e t a lz o n ew a sh i g h e s ti no r d e rt o t h em o r ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ，r e a c h e d9 5h k t h et e n d e n c yo ft h ew e l dh o tc r a c ko ft h ea z 31bm a g n e s i u ma l l o y u n d e rt h et i g w e l d i n gw a sb i g g e r t h eh o tc r a c kw a sd i s c o v e r e di nt h ew e l d m e t a l ，w h i c hs t a r t e df r o mt h eu p p e rs u r f a c eo ft h ew e l dm e t a lz o n g 。t h em a i n c r a c kw a si n t e r c r y s t a l l i n ee x t e n d i n g ，a n dt h e r ew e r es o m eb r a n c h e si nb o t h s i d e s t h eb r a n c h e sw e r em i x e de x t e n d i n gw a y s i n t e r c r y s t a l l i n ea n d t r a n s c r y s t a l l i n e t h ef o r m a t i o no ft h ew e l dh o tc r a c kw a sm a i n l ye f f e c t e db y t h ew e l dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s w h i l et h ew e l dc u r r e n tw a so v e r17 0a ，t h e h o tc r a c kw a sa p p e a r e di nt h ew e l ds p e c i m e n w h e nt h ew e l dc u r r e n tw a s l e s st h a n1 6 0a ，t h e r ew e r en oa n yc r a c k s 二 t h ew e l dm e t a lz o n eo fe v e r ys p e c i m e nw a so b s e r v e da f t e rt h ey g r o o v ec r a c k i n gt e s t ，t h eh o tc r a c kw a sf o u n di nt h et w os p e c i m e n sw h o s e w e l dh e a ti n p u tw a sh i g h e r t h ee x t e n d i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ew e l dh o t c r a c kw a ss i m i l a rw i t ht h eu p p e r ；t h em a i nc r a c ka l s o b e l o n g e dt ot h e i n t e r c r y s t a l l i n ef r a c t u r e ；t h e r ew e r eb r a n c h e sc r a c kd u r i n gt h ee x t e n d i n g b u t t h ed if f e r e n c ew a st h a tt h eb r a n c h e s b e l o n g e d t ot h e t r a n s c r y s t a l l i n e e x t e n d i n g t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h eh o tc r a c kw a sa l i k e t h e r ew e r e a l s on oa n yc r a c ko nt h es u r f a c ea n di n n e rt h ew e l dm e t a lz o n eo ft h e n o - c r a c ks p e c i m e na f t e rd e p o s i t e d4 8h t h e r e f o r e ，t h e r ew a sl i t t l et r e n do f t h e t i gw e l d i n g c o l dc r a c kf o ra z 31bm a g n e s i u m a l l o y w h e nw e l d e da z 31bm a g n e s i u ma l l o yw i t hm i g w e l d i n g ，t h eg r a i n so f i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ef u s i o nd r o p sw e r ef i n ea n du n if o r m ；t h e r ew e r es p l a s ha n du n d e r c u t ；t h e m o l d i n go ft h ew e l db e a dw a si n f e r i o rt ot h et i gw e l d i n g t h eo p t i m a lw e l d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ft h et h i c k n e s so f10r n ma z 3lbm a g n e s i u ma l l o y w e r ew e l dc u r r e n t2 5 0a ；w e l dv o l t a g e2 7v ；w e l dv e l o c i t y1 3 3 7m m s ； s h i e l d i n gg a sf l u x2 5l m i n ；w i r ee x t e n f i o n15n a l n c o m p a r e dw i t ht i g w e l d i n g ，t h ei n t e r m e t a l l i n ec o m p o u n dw a sc o n t i n u r a l l yd i s t r i b u t e di nt h e g r a i nb o u n d a r ya n di t sq u a n t i t yw a si n c r e a s e d ，t h ec r y s t a lg r a i nw e r ef i n e r ； a n dt h ep r e c i p i t a t ew e r ep r e s e n t e da sp i e c e si n n e rg r a i n t h eg r a i nb o u n d a r y o ft h ew e l dm e t a lz o n ew e r er e m e d i e db yt h ed i s p e r s e dm 9 1 7 a l l 2 ，s ot h e e x t e n d i n go ft h ew e l dh o tc r a c kw a sl i m i t e d ，t h ec r a c kw a sd e c r e a s e d t h e m a x i m u mo ft h em i c r o s t r u c t u r ei nt h ew e l dm e t a lz o n eo fm i g w e l d i n gw a s 10 2h kt h a tw a s h i g h e rt h a nt h et i gw e l d i n g t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t yi nt h e3 5 n a c ln e u t r a ls o l u t i o no ft h e a z 31bm a g n e s i u ma l l o ya n di t st i ga n dm i gw e l dm e t a lw a ss t u d i e d t h e 忍。丌a n d 如f ro f t h eb a s em e t a lw e r e 1 4 2 5va n d1 0 9 3 x 1 0 a t h e 丘。疗a n d k r ro f t h et i gw e l dm e t a lw e r e 一1 4 8 9va n d1 5 9 8 x 1 0 a t h e 瓦r ra n dk o ft h em i gw e l dm e t a lw e r e - 1 4 9 7va n d1 6 4 5 x 1 0 a t h e r e f o r e t h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ew e l dm e t a lw a sw o r s et h a nt h eb a s em e t a l ；a n d t h a to fm i gw e l d e d o i n tw a sp o o r e rt h a nt h et i g k e yw o r d s ：a z 31b m a g n e s i u ma l l o y , 1 1 gm m , w e l d a b i l i t y , m e t a l l u r g i c a lp e r f o r m a n c e v 声n 廿n f i芦 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的 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，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。 论文作者签名： 剖金争 日期：加分o t - , 耐 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规 定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交论文的原 件与复印；学校可以采用影印、缩印或其它复制并保存学位 论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术， 交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：趔金牮 e l 期：脚p 、妤彩 导师签名：多乏础 日期：莎州矿口f 参歹 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 2 l 世纪人类更注重自然资源和环境的可持续发展问题，随着钢铁和铝等传统金 属矿产的开发利用趋于枯竭，镁合金作为一种轻质工程结构材料倍受关注。基于镁 的一系列优点和丰富资源，镁合金及其加工技术成为各个国家尤其是德国、美国、 日本、俄罗斯和中国研究的热点问题【l 刀。 中国是镁矿产资源大国，镁的产量和储藏量都居世界前列，其中原镁产量占全 球总产量的1 3 ，而且8 0 用于出口 3 1 。但是，我国却不是镁产品制造大国，原因就 包括焊接技术在内的镁合金加工技术落后于国外。 纵观现今镁合金产业的发展状况发现，镁合金虽然得到了一些应用，但这些应 用仍以铸造和压铸产品为主，如电子设备的外壳、汽车和摩托车的零部件等。这相 对于众多应用领域和大型结构而言，还是显得微不足道的。尤其对于复杂的大型镁 合金结构产品，铸造或压铸技术是无法实现的，这就限制了镁合金材料进一步广泛 应用和镁合金特性的充分发挥。基于轻质高强、抗振、节能降耗、环保等一系列优 点【4 5 l 的考虑，镁合金最具发展前途的应用领域是民用与军事用途的“陆海空天”交通 运载装备，如：飞机、火箭、导弹、高速铁路机车和车辆、高速客船、轻型汽车【6 】、 摩托车等，这些结构离开焊接技术的支持是无法完成的。回顾钢铁材料和铝合金材 料从最早的铸造、锻压加工产品逐渐发展到铸焊结构、锻焊结构和全焊结构的发展 历程，可以预见镁合金产品也将逐渐向焊接结构方向转变。 由于镁合金熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点，使得其焊接性能较差。镁 合金焊接问题己成为制约镁合金广泛应用的重要障碍之一，并引起了世界各国相关 专家的高度重视。镁合金焊接时，要解决的关键问题如下： ( 1 ) 镁合金焊接基础理论研究； ( 2 ) 镁合金焊接过程的质量控制； ( 3 ) 镁合金与其它金属的连接技术： ( 4 ) 高质量镁合金焊接材料的研制； ( 5 ) 焊接接头质量及寿命评价。 其中镁合金焊接冶金性能方面的研究是重要的基础理论之一，仍然是研究的一个重 点内容。 随着人们对镁合金的应用认识越来越深入，关于镁合金焊接工艺性能及其焊接 冶金性能的研究逐渐增多。镁合金结构件加工过程中主要应用到电阻点焊s w 、钨极 太原理工大学硕士研究生学位论文 氩弧焊t i g 和熔化极氩弧焊m i g 等焊接方法。本论文对这三种焊接方法的镁合金焊 接冶金性能进行了系统分析。重点集中在镁合金焊接冶金性能的研究、焊接裂纹敏 感性的分析和高质量高效率m i g 焊接技术的初步探讨。 镁合金s w 是汽车工业、电子产品外壳和航空航天装配中应用最广的一种焊接 方法，焊接质量的好坏直接影响到构件承载时的使用性能。研究s w 焊接接头的微 观状态和薄弱环节具有指导实践应用的作用。 焊接过程中容易引起的氧化、蒸发、粗晶、热应力、裂纹和气孔等问题【7 8 j 严重 影响着镁合金焊接结构的综合力学性能。其中焊接裂纹是导致其失效的一个危害性 最大的缺陷，研究镁合金焊接裂纹的形成机理对其预防措施具有一定的指导意义。 由于镁合金导热系数大，焊接冷却速度快，而且液固结晶温度区间大，焊接热裂纹 是不可避免的。此外，镁合金液态熔池高温下能够溶解大量的氢，随着温度的下降 氢的溶解度急剧减小，导致氢遗留在焊缝中，在焊接接头的拘束应力作用下可能产 生延迟裂纹。所以镁合金的焊接必须考虑裂纹的敏感性，需要有极高的焊接应用技 术。应用灵活性最好、焊接质量控制性最强的焊接方法是钨极氩弧焊t i g ，所以本 文集中研究镁合金t i g 焊接方法的焊接冶金性能。针对镁合金t i g 焊接进行了焊接 裂纹敏感性的分析，这是本论文的重点研究内容之一。 熔化极氩弧焊生产效率高，能够实现焊接的自动化。但是由于自动焊焊丝生产 困难，焊接工艺性能差，因此其发展受到很大的限制。开发自动焊焊丝及其焊接工 艺性能研究，对于镁合金的发展具有积极的促进作用。研究镁合金m i g 焊接物理性 能、焊接工艺及其成型质量，可以显著提高其焊接生产效率。镁合金m i g 焊接方法 的初步探讨是本论文的另一个重点研究内容。 所以，镁合金焊接技术和焊接生产效率的提高将有利于镁合金产品的开发，对 地球资源利用和环境保护具有极大的促进作用，同时对社会进步和长远发展具有积 极的影响。 1 2 镁及镁合金的基本性质 1 2 1 镁的性质 镁的元素符号为m g ，原子序数为1 2 ，原子量为2 4 3 1 ，电子结构为l s z 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ， 位于周期表中第3 周期第2 族。镁的晶体结构为密排六方，在2 5 时的晶格常数为： a = 0 3 2 0 2n l n ，c - - 0 5 1 9 9n l t l ；晶胞的轴比为c a = 1 6 2 3 7 ，接近完美的密排结构。配位 数等于1 2 时的原子半径为o 1 6 2n n l 。 镁在2 0 时的密度只有1 7 4g c m 3 ，是常用结构材料中最轻的金属；在2 0 时 的热容量为1 7 7 8j 1 3 k ，比其它所有的金属都低：而热导率为1 6 7w m k ，仅略低 于铝。因此，镁及其合金的加热升温和散热降温都比其它金属快。镁的物理性质及 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 其与其它金属的比较如表1 1 。镁的标准电极电位为一2 3 7v ，比铝( 1 7 1v ) 低，是电 负性很强的金属，其耐蚀性很差。镁在潮湿大气、海水、无机酸及盐类、有机酸甲 醇等介质中均会发生剧烈的腐蚀。镁在金属中是电化学顺序最后的一个，因此具有 很高的化学活泼性。在室温下，镁的表面能与空气中的氧起作用，形成氧化镁薄膜， 但是由于氧化镁薄膜比较疏松，不像氧化铝薄膜那样致密，所以耐蚀性很差。另外， 该氧化膜在焊接时不能提供保护，极易形成氧化夹渣，严重影响焊缝的成型。镁的 表面张力小，远低于铝和铁，所以其在焊接时焊缝容易下塌，不利于焊缝成型。 表1 一lm g 、a 1 及f e 的物理性质比较 ! 垒! ：! ：! ! 垫宝p 垒z ! i 呈型曼2 翌仑坠! 1 2 翌：2 1 巴璺罂宝! ! 竺巴：皇! 旦巴i 翌坚翌塑垒i 1 2 翌 物理参数温度范围 m g a if e 镁是密排六方( h o p ) 晶体结构，承受的变形量有限，特别在低温条件下更是如 此。镁在室温时变形主要通过在基面上密排的 方向的滑移和在角锥面 1 0 12 ) 上的孪晶。在温度高于2 2 5 时，附加角锥滑移面 1 0 1 1 ) 、 1 121 ) 启动，这时镁呈 现明显的延性转变，塑性大大提高。 1 2 2 镁合金的性质 纯镁的力学性能很低，不能直接用作结构材料，向镁中加入一些合金元素，即 镁的合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径。 镁合金与镁一样，其最大的优点是密度小，约为铝的2 3 ，钢铁的1 4 ；具有较 高的比强度和比刚度。镁合金的力学性能优良，具有良好的切削加工性能和铸造性 能。镁合金既是优异的导体，又具有良好的电磁屏蔽性。镁合金还具有其它一些优 良性质，如：吸震性好，有利于减震和降噪；可回收性能好，符合环保要求：尺寸 稳定性高等。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 镁合金材料广泛应用于汽车、电子、3 c 等相关行业。镁合金产品应用于汽车行 业始于2 0 世纪9 0 年代，目前，汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北 美、欧洲、日本和韩国，预计年增长率将达到2 0 。国外在汽车上大规模应用镁合 金生产的零部件已超过6 0 种，如驾驶盘、仪表盘框架、变速箱、发动机零件、座椅 架、离合器外壳等。 目前工业上生产的基本合金系列基于以下主要合金元素：铝、锌、锰、锆和稀 土金属等。他们可以分为以下合金系列：镁铝锌锰( a z ) ，镁锰，镁铝- 锰( 舢旧， 镁锆，镁一稀土金属锆，镁银稀土金属锆，镁钇稀土金属锆。上述合金系列通 常可分为含有铝合金元素或不含铝合金元素两种类型。镁合金的标记方法有多种， 其中以美国试验与材料学会( a s t m ) 标准的标记规则应用最为广泛，目前我国的镁产 品出口也是采用a s t m 标准的标记规则。商业上最早应用的合金元素为铝、锌和锰， 并且镁铝一锌一锰合金系仍然是当今最广泛应用的镁合金【9 ，删，主要通过挤压变形成 型。本文采用的主要焊接板材即为该系列的a z 3 1 b 镁合金板材。a 、b 、c 、d 等后 缀表示同一牌号合金在某一特定范围内的改变。 所以，凭借中国丰富的镁资源，研究镁合金的加工工艺具有得天独厚的优势。 1 3 镁合金焊接特点及其焊接方法的发展现状 1 - 3 1 镁合金的焊接特点 镁合金焊接时出现的问题与铝合金相似，但由于镁合金的化学性质更活泼，具 有高导热率、大膨胀系数、更低的熔点和沸点等特性，使得在镁合金焊接时有更加 严格的要求。镁合金的焊接有以下共性问题： 1 粗晶问题 镁的熔点低( 6 5 1 ) ，另外因镁导热快，焊接时要用大功率热源，所以焊缝及 近缝区金属易产生过热和晶粒长大，这是焊接镁合金时的显著特点之一。 2 氧化和蒸发 镁的氧化性极强，在焊接高温下，易形成氧化膜( m g o ) ，m g o 熔点高( 2 5 0 0 ) ， 密度大( 3 2 咖m 3 ) ，在熔池中易形成细小片状的固态夹渣，降低焊缝的性能。在高 温下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物，使接头性能变坏。 镁的沸点不高( 1 1 0 0 ) ，因此在电弧高温作用下镁元素容易蒸发。为避免镁的 蒸发和氧化，可在焊接过程中采取一些必要的工艺措施，如添加专用焊剂，采用脉 冲电流进行焊接，在保证焊透的情况下尽可能选择小的焊接热输入等，以降低焊缝 区化学成分的不均匀性和镁的蒸发及氧化烧损。 3 热应力 镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2 倍，铝的1 2 倍，所以在焊接过程中易 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 引起较大的热应力。这会加剧裂纹的产生和引起焊件变形。 4 裂纹 镁容易与一些合金元素( 如a i ) 形成低熔点共晶物( m g a i 共晶物的熔点为4 3 0 ) ，易在晶界处偏析，使结晶温度范围增大( 脆性温度区间变宽) ，在应力作用下， 极易形成热裂纹，尤其是弧坑裂纹的敏感性更大。为减少热裂纹敏感性，可以在焊 接过程中采用大电流快速焊的焊接工艺。 5 气孔 焊接镁合金时，容易出现氢气孔。氢气在镁中的溶解度随温度的降低而急剧减 少，液态和固态下氢的溶解度相差2 0 倍，焊缝金属在迅速凝固过程中析出大量的氢 而形成气泡。同时由于镁合金冷却速度较快，形成的气泡受到的浮力较低，致使气 泡溢出困难，因此在焊缝中形成较多的气孔。弧柱中的水分、焊接材料及其表面氧 化膜吸附的水分都是焊缝气孔中的氢来源，应尽量避免。 6 夹渣 焊接高温下极易形成高熔点和大密度的氧化膜( m g o ) 混杂在密度较小的熔融 合金液体中，不易排出，容易形成细小的片状固态夹渣，并严重地阻碍焊缝的成形。 氧化镁薄膜没有氧化铝薄膜那样致密，所以在焊前要用化学方法或机械方法将其清 理干净。在熔焊过程中熔池上产生的氧化膜需借助于气剂或电弧的阴极破碎作用加 以去除。 此外，镁及其合金在未隔离氧气的情况下焊接时，还易燃烧，在熔化焊时须用 惰性气体或焊剂保护。由于焊接镁合金时要求用大功率的电流或火焰，接头处温度 过高，使镁合金组织中低熔点化合物在晶界处熔化出现空穴，以及晶界氧化等，产 生所谓“过烧”现象。控制焊接线能量显得尤为重要。 1 3 2 镁合金焊接方法的研究现状 所有常用的焊接方法几乎都适用于镁合金焊接，其中比较常用的有电阻点焊 s w 、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 、激光焊接l b w 、电 子束焊接e b w 和搅拌摩擦焊f s w 等焊接方法。 1 电阻点焊s w 清华大学的张晓宏等对镁合金a z 3 1 b 进行点焊研究】，确定出合理的工艺参数， 进行了力学性能试验，包括撕裂试验和拉剪试验。哈尔滨工业大学的王亚荣等采用 交流电阻点焊焊接了a z 3 1 b 镁合金【1 2 1 7 】，研究了点焊接头力学性能的变化规律，分 析了点焊接头的显微组织，研究了a z 3 1 b 镁合金交流点焊中焊接电流、电极压力及 焊接时间等工艺参数对接头拉剪力的影响规律，研究了镁合金点焊过程中不同清理 方法得到的试件表面状态对接头质量及焊接缺陷的影响。并且采用直流方法对 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 a z 3 1 b 镁合金进行了电阻点焊，分析了接头的组织形态。 2 钨极惰性气体保护电弧焊t i g 钨极惰性气体保护电弧焊接方法因其经济实用的特性而得到了广泛应用，是应 用最普遍的焊接方法，并且在有无焊丝的情况下都可以进行镁合金的焊接。在有焊 丝的情况下，其电极与焊丝独立，克服了熔化极惰性气体保护电弧焊接m i g 方法焊 接规范窄的缺点，可以在大范围条件下进行稳定焊接，特别适合镁合金薄板的焊接。 t i g 焊接镁合金与铝合金焊接时类似，采用交流a c 或直流反接d c e p 。这是因为当 母材为负极时，可利用在母材表面产生的阴极斑点破坏、蒸发和去除母材表面的氧 化膜，完成清洗，从而避免氧化夹杂。另外，为防止变形和焊接裂纹的产生，须注 意母材的约束、焊接顺序、以及预热等【1 8 l 。 美国的m a r y a ，m 详细探讨了t i g 焊接a z 8 0 镁合金时保护气对焊接接头性能 的影响【l 引。以色列的m u n i t z ，a 等应用t i g 焊接了a z 9 1 d 板材，研究了焊接接头 的力学性能和显微组织，对镁合金热影响区进行了分区和显微组织研究发现了 a z 9 1 d 板材焊接接头中存在着部分重熔区，并探讨了其成因1 2 0 l 。日本大阪大学 t s u j i k a w a m 教授采用t i g 焊接a z 31 和a z 6 1 镁合金，对其各种焊接接头类型的力 学性能进行了研究，结果表明：对接接头静载拉伸强度是母材的9 0 ，而疲劳强度 是母材的8 0 ，其他型式的焊接接头疲劳强度仅为母材的6 0 蚶2 1 1 。 哈尔滨工业大学、西安理工大学以及南昌航空工业学院等院校相继开展了镁合 金的t i g 焊接研究，研究主要集中在了a z 3 1 、a z 6 1 、a z 8 1 、a z 9 1 等镁铝锌系的通 用、高强度镁合金上【2 2 2 6 1 。 3 熔化极惰性气体保护焊m i g m i g 焊接方法具有以下特点：以焊丝作为电极，与t i g 焊接方法相比焊接规范 范围窄；由于熔融镁的表面张力小，熔滴从电极丝前端脱离困难且焊接电流过高时 熔滴爆炸蒸发易造成飞溅；对焊丝的输送要求高。其优点是，焊接速度快，能够获 得高效率高质量的焊接结构产品。 w o l l l f a h r t , h e l m u t 等研究了a z 3 1 、a z 6 1 板材的m i g 焊接接头的性能，接头的 拉伸强度可达到母材强度的8 0 1 0 0 ，在反复弯曲应力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为母材的7 5 2 7 】。德国b r a u n s c h w e i g 焊接研究院 r e t h m e i e r , m 教授研究了镁合金m i g 焊的材料、组织和电弧物理形态观察【2 羽。潘际 銮院士研制出工业机器人操作的m i g 焊机，其焊接的a z 6 1 、a z 3 1 镁合金焊接接头 疲劳强度可达母材的7 5 附2 9 1 。 自动焊丝是m i g 焊接的关键。国外的镁合金焊丝大多是采用挤压法和铸造方法 制备的。近年来，日本有了新的镁合金丝的制备方法问世，该方法将挤压与拉拔方 法结合起来，制各的镁合金丝具有较高的强度【3 0 1 。同时，大连理工大学也已展开了 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 镁合金焊丝的热挤压、挤压拉拔方面的研究，并取得了较好的成果【3 1 , 3 2 j 。 4 激光焊接l b w t i g 焊接能量密度小，焊接热输入大，所以易造成焊缝及热影响区的晶粒粗大， 从而影响焊缝的性能。而激光焊接方法l b w 能量集中、热输入低、焊道宽度及热影 响区窄、可获得较大的熔深等优点，在镁合金中得到了广泛的应用【3 3 1 。激光焊接也 存在一定的缺点，如在焊接压铸镁合金时，焊缝容易产生气孔，而且焊接装置也比 较昂贵。z h a o ，h 等对压铸镁合金a m 6 0 b 的n d ：y a g 激光焊接过程中气孔的形成 机理及防止措施进行了系统研究，表明焊接时的热输入变化对气孔的形成影响很大， 而小孔的稳定性不再是主要因烈3 4 j 。m a _ r y a ，m 等研究了镁合金的c 0 2 激光深熔焊， 发现焊缝形态与焊接热输入有很大的关系【3 5 1 。大连理工大学也进行了镁合金激光焊 接的工艺、微观组织特征分析等工作p 6 j 。 5 电子束焊接e b w 采用电子束焊接时，在能束下方立即产生蒸汽，熔融金属随即进入所形成的小 孔中。镁合金的蒸汽压较高，因而所形成的小孔尺寸比其它金属大，易在焊缝根部 形成气孔。因此，要求在焊接中密切监控操作工艺以防止熔融金属过热产生气孔。 与激光焊相比，使用电子束焊得到的镁合金接头质量更好( 如熔深更大、熔宽更小) ， 焊接速度更高。其最大的缺点是不能在大气中进行焊接。a s a h i n a , t o s h i k a t s u 等研究 了纯