（材料加工工程专业论文）冲击载荷作用下镁合金及其焊接接头断裂行为研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 冲击载荷作用下镁合金及其焊接接头断裂行为研究 摘要 镁合金具有轻质高强、易于回收等一系列优点。正成为现代高新技术 中最有希望的结构材料，而焊接问题成为镁合金广泛应用的瓶颈之一。从 工程结构材料断裂力学角度来看，镁合金材料的一些特性直接影响着镁合 金焊接结构的安全使用性能。因此，研究冲击载荷作用下镁合金及其焊接 接头的断裂行为、断裂机理极其重要，也是镁合金焊接结构工程应用中迫 切需要解决的关键技术问题。这对于镁合金结构的合理设计、制造和安全 使用具有较大的理论价值和实际意义。 本文首先研究了8m m 厚轧制态a z 31 镁合金板材及其t i g 焊对接接 头的抗拉强度。试验结果表明，a z 3 1 镁合金板的抗拉强度为2 3 4 4 8m p a ， 对接接头的抗拉强度为1 8 - 5 6 8m p a ，是母材抗拉强度的7 9 左右。对接接 头断裂发生在热影响区，这是因为热影响区的过热组织晶粒粗大，造成脆 化，成为镁合金焊接接头力学性能下降的原因之一。这对于镁合金焊接结 构设计具有重要的指导作用。 在8 0 3 4 0 温度范围内，研究了a z 3 1 镁合金板材缺口冲击韧性。试 验结果表明，在8 0 8 0 温度范围内，a z 3 1 镁合金冲击功很小，冲击韧性 只有5 4 8 8 7 5j c m ，断口为准解理形貌，属于脆性断裂；在8 0 - 2 0 0 温 度范围内，冲击韧性为8 7 5 1 7 4 4j c m ，断口为准解理+ 韧窝形貌，属于混 合断裂；在2 0 0 2 6 0 温度范围内，冲击韧性为1 8j c m 2 左右，断口为韧窝 形貌，属于韧性断裂；在2 6 0 以上，冲击韧性又有所下降，a z 3l 镁合金 有软化倾向，断口形貌仍为韧窝。在8 0 2 6 0 温度范围内，发现a z 3 1 镁 合金存在韧脆转变现象，韧脆转变温度约为1 4 0 。这是本论文的发现之 一o - 改变镁合金表面状态，研究了a z 3 1 镁合金的缺口敏感性。未开缺口冲 击试样的冲击韧性为5 0j c m - 2 以上，而缺口深度d = 0 1l r l m 的冲击试样， 冲击韧性仅为1 5 9 5j c m 2 。随着缺口深度的增加( 从d = 0 1t u r n 到d = 2 0 r a m ) ，a z 3 1 镁合金的冲击韧性大幅度下降，最低值为7 4 4j c m - 2 。考虑到 太原理工大学硕士研究生学位论文 缺口应力集中对冲击韧性的影响，用有限元模拟计算应力集中系数，对冲 击韧性进行修正，修正后的冲击韧性随缺口深度的增加呈上升趋势，说明 了镁合金对缺口具有强烈的敏感性。这是本论文的发现之二。 研究了a z 3 1 镁合金 r i g 焊对接接头的缺口冲击韧性。对于焊缝金属， 在焊缝方向和板厚方向表现出不同的冲击韧性，焊缝方向缺口冲击韧性最 大值在焊缝中心，为8 6 6j c m 之，比母材缺口冲击韧性8 0 1j c m 。2 大。热影 响区是冲击断裂的薄弱环节；而板厚方向缺口冲击试样在焊缝中心冲击韧 性最小，为6 2 1j - c m 之，随着缺口离焊缝中心的距离增大，冲击韧性迅速增 大，达到一定距离时，逐渐趋于平缓。镁合金焊接接头断口表面崎岖不平， 形貌不仅有准解理特征，而且还有韧窝形貌。 采用示波冲击试验研究镁合金母材和焊接接头的冲击断裂过程，试验 结果显示a z 3 1 镁合金母材和焊接接头的断裂过程极不相同。未开缺口的 a z 3 1 镁合金母材冲击试样，其力一位移曲线为e 型，具有力特征值、f m 、 晶和兄；母材、焊缝中心和距离焊缝中心3m m 处焊缝方向缺口冲击试样， 其力一位移曲线均为d 型，仅具有力特征值和，m ；焊缝中心、距离焊缝 中心3r t l m 处板厚方向缺口冲击试样，其力位移曲线均为b 型，仅具有力 特征值，m 。这些不同型式的曲线对研究冲击断裂机理有重要价值。 研究了a z 31 镁合金及其焊接接头的电化学腐蚀性能。电化学腐蚀结果 显示，母材的自腐蚀电位如产1 4 2 5v ，自腐蚀电流产0 0 1 0 9 3a ，三种 电流t i g 焊焊缝金属的自腐蚀电位五。分别为一1 4 9 7 、- 1 4 8 9 、一1 4 6 8v ， 自腐蚀电流屯。分别为0 0 2 3 2 3 、o 0 1 6 4 5 、0 0 1 5 9 8a ，说明焊缝金属的耐腐 蚀性小于母材。 关键词：a z 31 镁合金，焊接接头，拉伸性能，冲击韧性，示波冲击，电化 学腐蚀性能 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nf r a c t u r eb e 也w i o ro fm a ( 讣j e s i u ma l l o y a n di t sw e l d e dj o i n tu n d e ri n 皿a c tl o a d a b s 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 fa d v a n t a g e ss u c ha sl o wd e n s i t y , h i g h s t r e n g t h ，b e i n gp r o n et or e c y c l e ，e t c a l l o u g hi th a sb e e ne x p e c t e dt ob et h e m o s tp r o m i s i n gs t r u c t u r em a t e r i a l si nm o d e mh j 曲a n dn e wt e c h n o l o g y , t h e w e l d i n gp r o b l e m sh a v eb e c o m eo n eo fb o t t l e n e c k so fi t sw i d ea p p l i c a t i o n a t t h ep o i n to fv i e wo ff r a c t u r em e c h a n i c so fe n g i n e e r i n gm a t e r i a l s ，s o m e c h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e s i u ma l l o yw i l l d i r e c t l yi n f l u e n c ei t s m e c h a n i c a l p r o p e r t ya sw e l d e ds t r u c t u r e s s oi ti si m p o r t a n tt om a k ef u r t h e rs t u d i e so nt h e f r a c t u r eb e h a v i o ra n dm e c h o n i s mo fm a g n e s i u ma l l o ya n di t sw e l d e dj o i n tu n d e r i m p a c tl o a da n di ti sa l s oo n eo ft h eu r g e n tp r o b l e m st h a ts h o u l db es o l v e d t h e s es t u d i e sw i l lb eo fe x t r a o r d i n a r yi m p o r t a n c ef r o mb o t hf i m d a m e n t a la n d t e c h n o l o g i c a lc o n s i d e r a t i o n sf o ri t sw i d ea p p l i c a t i o n t h et e n s i l es t r e n g t ho fa z 31m a g n e s i u ma l l o yp l a t eo f81 t i mt h i c k n e s so f r o l l i n gc o n d i t i o na n di t sw e l d e dj o i n tw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e t e n s i l es t r e n g t ho fa z 31m a g n e s i u ma l l o yp l a t ew a s2 3 4 4 8 田aa n dt h a to ft h e b u t t j o i n tw a s1 8 5 6 8h i p a ，w h i c hw a s7 9p e r c e n to f t h a to f t h eb a s em e t a l a n d t h et e n s i l es p e c i m e no fb u t tj o i n tf r a c t u r e da th a zb e c a u s eo fe m b r i t t l e m e n to f c o a r s eg r a i ni nt h i sa r e a ，w h i c hw o u l db eo n eo ft h ek e yf a c t o r so fp o o r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ew e l d e d j o i n to f m a g n e s i u m a l l o y t h e s es t u d i e sh a d i m p o r t a n td i r e c t i n ga c t i o nf o r t h ed e s i g no f m a g n e s i u ma l l o yw e l d e ds t r u t u r e i nt h er a n g eo f 一8 0o ct o3 4 0 ，t h en o t c hi m p a c tt o u g h n e s so fa z 31 m a g n e s i u ma l l o yp l a t ew a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，i nt h er a n g eo f 一8 0 t o8 0 t h ei m p a c te n e r g yo fa z 31m a g n e s i u ma l l o yw a sv e r yl o wa n dt h e v a l u e so fi m p a c tt o u g h n e s sw e r eo n l yf r o m5 4 8t o8 7 5j c m - 2a n df r a c t u r e s u r f a c e sw e r eq u a s i c l e a v a g ep a t t e r n so fb r i t t l er u p t u r e ；i nt h er a n g eo f8 0 t o 2 0 0 ，t h ev a l u e so fi m p a c tt o u g h n e s sw e r ef r o m8 7 5t o17 4 4j c m 2 ，f r a c t u r e i i i 太原理t 大学硕士研究生学位论文 s u r f a c e sw e r eq u a s i c l e a v a g ea n dd i m p l ep a t t e r n so fa d m i x t u r er u p t u r e ；i nt h e r a n g eo f2 0 0 t o2 6 0 t h ev a l u e so fi m p a c tt o u g h n e s sw e r ea b o u t1 8j - c m 。 a n dt h ef r a c t u r es u r f a c e sw e r em a n yd i m p l e sp a t t e r n so fd u c t i l er u p t u r e ；w h e n t e m p e r a t u r ee x c e e d e d2 6 0 ，t h ei m p a c tt o u g h n e s sb e g a nt od e c r e a s eb e c a u s e o fh i g ht e m p e r a t u r es o f t e n i n go fa z 31m a g n e s i u ma l l o ya n dt h ef r a c t u r ep a t t e r n w a ss t i l ld i m p l e i nt h er a n g eo f 一8 0 t o2 6 0 a z 31 m a g n e s i u ma l l o y h a v i n gd u c t i l e ，b r i t t l et r a n s i t i o np h e n o m e n o nw a sf o u n da n dt h ed u c t i l e - b r i t t l e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ew a sa b o u t1 4 0 t h i sw a so n eo f f i n d so f t h i sp a p e r t h en o t c hs e n s i t i v i t yo fa z 31 m a g n e s i u ma l l o y o fd i f f e r e n ts u r f a c e s i t u a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r ew a ss t u d i e d t h ei m p a c tt o u g h n e s so ft h ei m p a c t s p e c i m e nw i t h o u tn o t c hw a sg r e a t e rt h a n5 0j - c m 2a n dt h a tw i t han o t c ho f0 1 m md e p t hw a so n l y15 9 5j c m 。t h ei m p a c tt o u g h n e s so fa z 31m a g n e s i u m a l l o yd e c r e a s e dg r e a t l yw i t hi n c r e a s eo f n o t c hd e p t h ，a n dt h em i n i m u m w a s7 4 4 j - c m i nc o n s i d e r a t i o no ft h ee f f e c to fn o t c hs t r e s sc o n c e n t r a t i o no ni m p a c t t o u g h n e s s ，t h es t r e s s c o n c e n t r a t i o nc o e f f i c i e n tw a ss t i m u l a t e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm o d e l i n g ( f e m ) a n dt h e nt h ei m p a c tt o u g h n e s sw a sa m e n d e d a sa r e s u l t ，i m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e dw i t ht h en o t c hd e p t h ，w h i c hi n d i c a t e dt h a t a z 31m a g n e s i u ma l l o yw a sv e r ys e n s i t i v et on o t c h t h i sw a sa l s oo n eo ff i n d s o f t h i sp a p e r t h en o t c hi m p a c tt o u g h n e s so ft h et i g w e l d e db u t tj o i n to fa z 31 m 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 dm e t a l h a dd i f f e r e n ti m p a c tt o u g h n e s si n w e l d i n gd i r e c t i o na n di nt h i c k n e s s t h em a x i m u mo f8 6 6j c m 2o fi m p a c t t o u g h n e s so ft h ef o r m e ri si nt h es e a mc e n t e r ，w h i c hw a sb i g g e rt h a nt h a to ft h e b a s em e t a lo f8 0 1j c m - 2 ，a n dh a zw a st h ew e a kl i n ko f t h ew h o l ej o i n t i m p a c t t o u g h n e s so ft h el a t t e rh a dam i n i m u mo f6 2 1j c m - 2i nt h es e a mc e n t e r t h e i m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yw i t ht h ed i s t a n c ef r o mt h ec e n t e r l i n e t i l li tr e a c h e di t sp e a kv a l u ea n dt h e nb e c a m ee v e ng r a d u a l l y , t h ef r a c t u r e s u r f a c eo fa z 31m a g n e s i u ma l l o yw e l d e dj o i n tw a sq u a s i - c l e a v a g ep a t t e r na n d m a n y l i t t l ed i m p l ep a t t e r n o s c i l l o g r a p h yi m p a c tt e s tw a sa d o p t e dt os t u d yt h ei m p a c tf r a c t u r ep r o c e s s o fm a g n e s i u ma l l o yb a s em e t a la n dw e l d e dj o i n t t h er e s u l t sd i s p l a y e dt h a t 太原理工大学硕士研究生学位论文 f r a c t u r ep r o c e s so fa z 31m a g n e s i u m a l l o ya sb a s em e t a la n dw e l d e dj o i n tw a s v e r yd i f f e r e n t t h ef o r c e d i s p l a c e m e n tc u r v eo ft h ei m p a c ts p e c i m e no fb a s e m e t a lw i t h o u tn o t c hw a se t y p ea n da l lf o r c ee i g e n v a l u e ss u c ha s 、，n l 、只。a n d 凡w e r ei ne x i s t e n c ew h i l em a tw i t han o t c ha l o n gt h ew e l d i n gd i r e c t i o ni nt h e b a s em e t a l ，s e a mc e n t e ra n dt h ep a r t3i n n la w a yf r o mt h ec e n t e r l i n ew e r ea l ld t y p e ，o n l y 、，mw e r ei ne x i s t e n c e f o r c e d i s p l a c e m e n tc u r v e so ft h el a s tt w o w i t han o t c hi nt h i c k n e s sw e r ea l lbt y p e 。a n do n l yrw a si ne x i s t e n c e t h e s e d i f f e r e n tt y p ec u r v e sw e r eo fg r e a tv a l u ef o r s t u d y i n gi m p a c tf r a c t u r e m e c h a n i s m e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o np r o p e r t yo fa z 31 m a g n e s i u ma l l o ya n di t s w e l d e dj o i n t sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 五r ra n d ”o ft h eb a s e m e t a lw e r e 一1 4 2 5va n d0 0 1 0 9 3ar e s p e c t i v e l ya n d 最d 丌o ft h ew e l dm e t a l ， w e l d e db yn gw i m3d i f f e r e n tc u r r e n t s ，w e r e 一1 4 9 7v - 1 4 8 9v - 1 4 6 8v r e s p e c t i v e l y , a n d c o ”w e r e0 0 2 3 2 3a ，0 0 1 6 4 5a ，0 0 1 5 9 8ar e s p e c t i v e l y i tw a s a p p a r e n tt h a tt h ec 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 sp o o r e rt h a nt h a to f t h eb a s em e t a l k e yw o r d s ：a z 31m a g n e s i u ma l l o y ，w e l d e d j o i n t ，t e n s i l ep r o p e r t y , i m p a c t t o u g h n e s s ，o s c i l l o g r a p h yi m p a c t ，e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o np r o p e r t y v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 4 i ( v冲击吸收功( j ) a k v冲击韧性( j c m 之) 6 横向收缩量( ) d d 缺口尺寸( 1 n m ) r温度( ) ，电流( a ) u电压( v ) q 气体流量( l m i n l ) v 焊接速度( m m m i n l ) p 压力( m p a ) 厩。自腐蚀电位( v ) i c o n 自腐蚀电流( a ) p 年腐蚀率( r a m y e a r ) 声明 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已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做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。 论文作者签名：莎、镯日期：型塑生 ! 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、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段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) o 签名：塑：堑日期：三竺! 童：! ! 导师签名： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 镁合金是工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、电磁 屏蔽性、抗震性、阻尼性好及易于机械加工等优点【1 一。因此，镁合金是目前被国内外 重新认识并积极开发的一种新型环保材料，是2 l 世纪最具生命力的新型环保材料，被 广泛应用于汽车、航空航天、电子、3 c 产品以及相关的新兴技术领域。基于镁合金的 一系列优点和丰富资源，镁合金的开发和应用对于实现人类可持续发展具有重要而深远 的意义，为此镁合金及其加工技术已经成为各个国家研究的热点问题【3 】。 纵观当今镁合金发展状况会发现，镁合金虽然得到一些应用，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、摩托车的零部件。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。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。 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。 我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 乃，而且8 0 用于出口1 4 j 。但是，我国却不是镁产品制造大国，原因是包括焊 接技术在内的镁合金加工技术落后于国外。由于镁合金的焊接性差，镁合金焊接问题已 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。随 着人们对镁合金的应用认识越来越深入，关于镁合金焊接性及焊接工艺的研究逐渐增 多。 基于轻质高强、减少振动、节能降耗、有利环保的考虑，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，这些装备在制造时都需要焊接技 术支持，而冲击载荷是这些镁合金装备运行时的主要载荷形式，因此，研究冲击载荷作 用下镁合金焊接接头的断裂机理、断裂行为及其性能改善方法尤为重要，也成为镁合金 焊接结构工程应用中迫切需要解决的技术关键问题。焊接过程是一个特殊冶金过程，焊 接工艺、焊缝组织、晶粒度、应力集中等都直接影响着镁合金焊接接头的脆性断裂行为； 表面状态、结构尺寸、焊接缺陷、应力等几种因素对镁合金及其焊接接头的冲击断裂性 能也有较大影响。因此，研究上述各种因素对断裂行为的影响，有助于揭示镁合金及其 焊接接头的断裂机理。 2 0 0 5 年在太原召开的“国际材料科学与工程学术研讨会”上，四川大学涂铭旌院士在 其所作的报告镁合金的应用共性基础问题中提出关于镁合金冲击特性的一些问题， 太原理工大学硕士研究生学位论文 有： 镁合金的塑性、冲击韧性都比铝低，改善塑性、韧性的变革性思想及技术途径是 什么? “镁合金的一大优势是能够承受冲击载荷”此言是否准确，是否安全? 镁合金有无低温脆性? 如何解决镁合金缺口敏感性大的问题，解决的思路和技术途径是什么? 关于镁合金抗腐蚀性全面评价问题；镁合金的焊接性基础问题( 可焊接性、焊 接组织相变及相关性能) 。 这些闯题都是镁合金实际应用中的现实问题，也是重要的理论闯题。受此启发，本 文针对一些问题做了初步研究。 本文的研究有助于揭示镁合金及其焊接接头的断裂机理和断裂行为，了解镁合金焊 接结构力学基础理论，对镁合金结构的合理设计、制造和安全使用具有较大的科学意义 和应用价值。对于镁合金焊接结构在交通运输工具中的进一步广泛应用提供理论基础。 对于镁合金在更广泛范围内的应用，尤其在较大零部件、较大型结构和焊接结构的应用， 提供基础理论支持。 1 2 镁及镁合金概述 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 2 2 s z 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 - - o 3 2 0 2n m ，c = 0 5 1 9 9n m ；晶胞的轴比为e 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0 1 6 2n m 。 镁在2 0 时的密度只有1 7 4g e 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 ( m 3 k ) ，比其它所有的金属都低；而热传导率为1 6 7w 抽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。镁的标准电极电位为2 3 7 v ，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，严重阻碍焊缝的成 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。 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 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径，而其它强化方法往往都首先 建立在镁的合金化基础上。 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，其比刚度与铝合金和钢相当。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。镁合金的电磁屏蔽性能较好，既是优异的导体，又具有优异的电磁屏蔽 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。 镁合金材料已广泛应用于汽车、电子、3 c 等相关行业。镁合金产品广泛应用于汽 车始于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 外壳等等。 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 n 田标准的标记规则应 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，所以本文的镁 合金牌号均采用a s t m 标准。 目前工业上生产的基本合金系列基于以下主要合金元素：锰、铝、锌、锆和稀土金 属。他们可以分为以下合金系列：镁锰，镁铝锰，镁铝锌锰，镁- 锆，镁一锌一锆，镁 稀土金属锆，镁一银一稀土金属锆，镁一钇稀土金属锆。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。商业上最早应用的合金元素为铝、锌和锰，并 且镁铝锌锰合金系仍然是当今最广泛应用的镁合金。本文采用的主要焊接板材即为该 系列的a z 3 l 镁合金板材。 在镁铝锌锰系列镁合金中，铝在4 7 3 下在镁中的最大固溶度为1 2 7 ，在室温 下降低到约2 。在原铸造状态下，b 相m g l 7 a 1 1 2 在靠近晶粒边界处形成，这种现象在多 数缓慢冷却的砂铸或金属模铸件中很常见。在温度接近4 3 0 时，退火或固溶处理将使 b 相全部或部分溶解。可以预计，后续的淬火和时效将引发大量的沉淀硬化，但是，时 效使得过饱和固溶体直接转交为粗大的弥散平衡沉淀d 相，且不会出现g p 区或中间沉 淀物。此外，p 相可以通过不连续的沉淀来形成，此时，甚至有粗大的晶胞从晶粒边界 伸展出去【5 叫。 镁合金的晶体结构是密排六方( h e p ) ，所以承受的变形量有限，特别是在低温条 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 1 2 上的孪晶。在温度高于2 2 5 时，镁合金的附加角锥滑移面 1 0 11 ) 、 1 121 启动，这时镁呈现明显的延性转变，塑性大大提高。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 镁合金焊接方法概述 由于镁合金材料性质活泼、熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点，使得其焊接性 能较差。国内外焊接学者对镁合金焊接技术进行了大量的研究，取得了许多的研究成果。 1 3 1 镁合金的焊接特点 镁合金的熔点低、导热快，焊接时焊缝及近缝区金属容易过热，造成晶粒粗大现象。 镁合金还具有高的蒸汽压、低的表面张力等性质，在焊接过程中易产生咬边、下塌等缺 陷。由于镁合金的化学性质极其活泼，高温下容易氧化，易生成氧化镁( m g o ) ，氧化镁 熔点高( 2 5 0 0 ) ，密度大( 3 2g c 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 的沸点低，因此在焊接时蒸发严重。镁舍金的线膨胀系数大，约为钢的2 倍，铝的1 2 倍，因而焊接热应力大，使得镁合金在焊接过程中容易产生变形、裂纹等缺陷。此外， 镁合金易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度随温度的降低而急剧减小，当氢的来源较多时， 出现气孔的倾向较大i m l 2 1 。 1 3 2 镁合金焊接方法的国内外研究现状 所有常用的焊接方法都适用于镁合金的焊接，其中比较常用的有钨极惰性气体保护 焊( t 1 6 ) 、熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 、激光焊接( l b w ) 、电子柬焊接o ! b w ) 、搅拌摩 擦焊( f s w ) 和电阻点焊( s w ) 等焊接方法。镁合金的焊接技术研究在国外开展的较早， 有较多文献报导。国内近些年相继有许多科研院所开展了镁合金焊接方面的研究，虽起 步较晚，但已取得了较好的成果。 1 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 普遍的镁合金焊接方法，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 o ) 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。钨极惰 性气体保护电弧焊接方法与焊接铝合金时相同，大多采用交流( a c ) 或直流逆极性 ( 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。直流逆极性回c e p ) 焊接时，不容 易获得较大的熔深。而由于交流焊接时熔深大，电极消耗小，所以应用更加广泛。另外 为防止变形和产生焊接裂纹，须注意母材的约束、焊接顺序、以及预热等【1 3 1 。 在关于镁合金钨极惰性气体保护焊接( 1 r i g ) 的研究方面，美国开展较早。在二战期 间以及五六十年代就有相关研究报道，其中l o c k w o o dl e 进行了镁合金薄板的交流、 直流t i g 焊接试验，并探讨了保护气、电流性质、弧长等参数对焊缝成型的影响【1 4 1 。日 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 本的a s a h i n a , t o s h i k a t s u 等对a z 3 1 镁合金的a c 脉冲t i g 焊接工艺及接头组织进行了 研究，得到了具有较好性能的接头，分析了焊接接头的些特征并探讨了裂纹敏感性与 脉冲频率的关系【i5 。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，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【t t j s t 。美国的m a r y a , m 详细探讨了t i g 焊接a z s 0 镁合金时保护气对焊接 接头性能的影响0 9 1 。 在国内，大连理工大学、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钨极惰性气体保护焊接研究，研究主要集中在了a z 3 1 、a z 6 1 、 a z s l 、a z 9 1 等镁铝锌系的通用、高强度镁合金上。相关的研究工作仍在进行当中，而 从目前的报道来看，已经取得了丰硕的成果 2 0 - - 2 4 1 。 2 熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 镁合金的熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 具有以下特点：由于以焊丝作为电极，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 度侠，全自动焊接每分钟可高速焊接1 米左右。 l o c k w o o dl e 较早就进行了a z 3 1 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，分析了焊接缺陷情况【2 5 1 。w o h 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 焊接头的性能，表明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 1 2 6 1 。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j 。 3 激光焊接( l b w ) 由于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 ) f h 于其能量集中、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，而且避免了在电子束焊接时不可在大气中 进行焊接的缺点，所以在镁合金中 ! 导到了广泛的应用。x c a o 曾发表的一篇文章阐述了 镁合金焊接研究的重要性【2 8 】，。认为激光焊接( l b w ) 是镁合金最重要的焊接技术。当 然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素【2 9 1 。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 们。h i t o s h i ，h i t o s h i 研究了保护气氛和激光波形 对焊接接头的影响p i 。美国焊接学会的u d i l t h e y 也对镁合金实施了激光焊接【3 2 j 。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1 3 ”。另外，大连理 5 太原理j 大学硕士研究生学位论文 工大学的刘黎明等采用l a s e r - t i g 复合热源方法成功的焊接了a z 3 1 b 镁合金0 4 3 6 ， l a s e r - t i g 复合热源焊成为一种适用于镁合金的最佳焊接方法。 4 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，要求在焊接中要密切监控操作工艺以防止熔融金属过热产生气孔。采用诸如使电 子束沿着圆周震动和减少电子束聚集度等操作工艺，将有助于获得良好的焊接质量。研 究表明，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 纯镁和a z 3 1 镁合金电子束焊的焊接性，发现焊速高低对纯镁板焊接接头组织和性能的 影响不大，其接头的拉伸强度和冲击值接近于母材的；而焊速对a z 3 1 镁合金的组织和 性能的影响较大，试验发现在焊速为3 5 0r a m r a i n 时接头的强度及伸长率出现最大值， 为母材强度的9 5 以上，伸长率约为母材伸长率的2 0 1 3 7 。d r a u g e l a t e s ，u l d c h 等也研究 了镁合金的非真空电子束焊接工艺及焊接接头的特性【3 s 】。美国焊接学会的u d i l t h e y 也 对镁合金实施了电子束焊接。总之，由于焊接装置昂贵，以及对焊接条件要求高，使得 电子束焊接应用较少。 5 搅拌摩擦焊接口s v o 搅拌摩擦焊是一种较好的镁合金焊接方法。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热