（材料加工工程专业论文）异种金属镁合金和铝合金熔焊工艺研究.pdf

人连理i ：人学硕士学位论文 摘要 随着镁的广泛应用，镁和铝的焊接问题会不可避免地遇到，尤其在航空航天工业， 交通工业，电子工业等。异种金属镁合金和铝合金的连接能够发挥各自材料的固有特性， 是十分令人期待的。镁合金与其他金属连接技术的发展，与镁合金的应用范围扩展相互 制约，也相互促进。异种金属连接方式的进步会增加设计方案的可行性，也会增加设计 者的可选择机会。另外，镁和铝异种金属的连接可以揭示熔池流动和元素扩散的许多规 律。熔焊作为最普遍的焊接方法，如果能成功的连接镁合金和铝合金，其意义无疑是重 大的。 本文采用熔焊的方法进行异种金属镁合金和铝合金的连接，进行了各种形式接头的 尝试，考虑的因素包括：材质( 纯镁或镁合金、纯铝或铝合金) 、焊丝种类( 镁焊丝、 铝焊丝) 、焊接方法( 手工电弧焊、氩弧焊) 、电流极性( 直流正接、直流反接、交流) 、 接头方式( 搭接、对接) 。 通过对镁铝二元相图的探讨和断口分析证明，异种金属镁合金和铝合金熔焊的主要 问题是镁和铝之间产生脆性金属间化合物。本文提出了两种解决途径：第一，中间加入 镀层避免镁和铝的接触，避免金属间化合物的生成；第二，采用激光t i g 复合热源焊 接减少镁和铝接触时间，减少金属问化合物的生产量。 镀层法，即采用熔钎焊的方法成功实现了镁合金和铝合金的连接。实验表明，锡 可以通过刮擦浸镀方法镀在镁板上，从而起到夹层金属的作用。锡镀层增加了镁合金和 铝合金之间的润湿性，减少了镁铝金属间化合物的数量，但是并没有完全阻止金属间化 合物的生成。接头强度只能满足一定的使用要求。 在此基础上，利用激光丁i g 复合热源技术的进行了镁合金和铝合金更高强度的连 接。研究了激光t l g 复合热源焊接异种金属镁合金和铝合金的工艺问题。分析了镁铝 接头的微观组织、显微硬度、及其与静载性能的关系。解释了激光- t l g 复合热源接头 强度增加的原因。 关键词：异种金属；镁合金；铝合金；熔焊；金属间化合物；熔一钎焊；激光一t i g 复 合热源 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊工兹研究 s t u d yo nf u s i o nw e l d i n gt e c h n i q u et od i s s i m i l a ra l l o y so fm a g n e s i u ma l l o y a n da l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t w i 磕佳ew i d o fn s eo f 越a g 鞋e s i 毯ma l l o 黔，壤ep 约b l e 辙o fj o i 纛i n g 糍a g 嚣e s i 珏耀轮 羽狂璎瓤珏毽w 弱毽鑫a v o 主d a b l el o 翔鳅，e s 磐d a 薹l yi na v i a l i o n ，s p 刁h f l i g 嫩，m o l o 嬲m 嬲u f a c l n 瓣 勰dc h e m i c a li n d u s t r y ，a n ds o t l h ej o i n i n g0 fd i s s i m i l a rm e t a lm a 印e s i u m 姐da l u m i n u m 啪b r i n gt h e i ro v i ，l lg o o dc h a m c t e 俺i n t op l a yt o g e t h e r w h i c hw 嬲v e 巧e x p e c t e d 研i e 蛐i q h ed e v c l o p i l l e n fo fj o i 豳gm a g n c s i 珏mt o 穗eo 壤c f 撤醯蠢s s 牺露s 臻e 潮g ea f 嫩a 辨c s i 珏m 嫩勰da c c c l e f a l 然耋量羹e 驻s eo fm a g n e s i u m t b e 即舻s si nj o i 越n gd i s s i m i l 馘w i h m a k em o r cd e s i g np r o g r a mf c 蕊i b l ea n dg i v et h ed c s i g n c rm o r cc h o i c c s w h a t sm o r e ，t h e s t u d yo nt h ej o i n i n gd i s s i m i l 跚m e t a lm a g n e s i u m 雠da l u m i 加ma l l o y sw i l lm a k et h ef l o wi n w e l d i 髓gp ( a n de l e m e n ld i 攒沁i o 髓m o 糙玟擀i o 聪s a s 氇e 藕均戳誓s e dw e l d i 珏g 糙e 壤o d ，纯s 主。魏 w e l d 猿go f 擞a 辨e s i 毽辍勰d 越t l 戚n 娃ma 薹l o y sw 弛翱c c c 豁良l l yw 勰礅e 强i n g 如ld e f 赫i 耋e l y i l it h j s a n i c l e ，f i l s i 伽w e l d i n gm e t h o dw 弱a d o p t c dt 0j o i n i n gd i s s i m i l 觚m e t a l m a g n c s i l 珊强da l u m i n u ma i l o y s a i ll 【i n d so fj o i n i n gf 0 豫w 嬲a t t e m p t e d ，i n c l u d i n g 糙a t e 纛a 重s ( p 珏f cm a g n e s i 赫mo fm a g 器e 毽m 舔l o y ，p 珏糟畦珏氆i 壤l mo f 鑫| 毽璎迭轻璎窿l o y ) ，w e l 瑾嚣g w i 砖趣a g 藏e s i 豫w e l d i 魏gw i 鹣a l 毯m 纽u m 、张l d i l 培w i d e ) ，w e l d i n gm e h ( ) d ( s h i e l d l 斑m e a l a r cw e l d i n & t u n 琴t i n s e ng 醛w e l d i n 曲，c i l r r e n tp o l a r i t y ( d i r 鳅c i l r r e ms t r a i g h tp o s i t i v e d c s p ，d i 删c u 玎c n tr e v e r s c dp o l a r i t yd c r p ，越t e m a t i v ec u r r e n ta q ，j o i n i n gf 0 眦( 1 a p j 蕊n i 藏g ，b 毽链i n gj o i n 髓曲 翩f d i n g 幻l h ed i s c u s s i o 珏a b o u l 也eb i n 雏yd i a 黟a mo fm a 努e s i u m 粕da l u m i n u ma n d t h e 劬c t u r c 锄a l y s i s ，i tw 鹪p r o v e dt h a tt h em a j o rp m b l e mf o r 如s i o nw e l d i n gd i s s i m i l a rm e t a l m a 鲫e s i u ma n da l u m i i l u ma i l o y sw 猫t h ei n t e 姗e t a l c o m p o u n d so fm a 酽e s i u m 柚d a 重瑚n 赫u mw 董l i 穗w a sv e 碍确t 耋l e 1 陬的s o l 毽t i o 霸sw e f ep 约p o s e d 强l 毯s 皴畦d e fl 囊霉蠡f s 如l c r l a yw 勰a d d c dl oa v o i d 也ec o 纛l a 烈0 fm a g s i 嘲硒da l n m i n u m 粕dl h ep r o d u c co fl k i n t c i m e t a l l i cc o m p o u n d s ；f ；d rt h cs e c o n d ，l a s e f - t i gh y b 瑚w e l d i n gm e t h o dw a sa d o p t c dt o r e d u c et h ec o n t a c tp c r i o do fm a g n e s i u m 狮da l u m i n u m 跚dt h em o u n to fi n t e f m e t a l l i c c o n l p 0 醢n d sp f d d l l c e d 霹l ej o i 珏i n go fm a g n e s i u 趣釉d 越u m i 魅u mw 弱m a d e 朝c c e s s 恕l l yb y 托s i o n - b r a z i n g w e l d i n gm e t h o dw i t hi n t e n a yp l a t i n g i tw 猫f o u n dt h a tt i l lc 蝴b cp l a t e do nt h em a 蹦e s i u m p l a t et h m u 曲s c r a t c h i n ga n dd i p p i n gi n t ou s e d 弱i n t e f l a y t i ni n t e f l a yi n c r c a s e dt h e w e t a b i l i t yo fm a g n e s i 醢ma n d 蠢稚糙i 矗珏糍硼d 锃氆e 锨l d i l i o 珏o f 鑫怼，聪文l c c dl 轰e 瑶。娃mo 薹 王王 大连理：f 大学硕士学位论文 i n t e 姗e t a l l i cc 0 m p o u n d sp r o d u c c d ， b u tn o tp f c v e n t e dt h ef 0 咖a t i o n0 fi i l t e 咖e t a l l j c c o m p o u n d sc o m p l e t e l y t h e r c f o r c ，t h ej o i n ts t r e n 舀hc a l lo n l ys a t i s f yc c n a i nr c q u e s t a t t h ef o u n d a t i o no ft h i s ，l 弱e f - t i gh v b r i dw e l d i n gm e t h o dw 弱a d o p t e dt 0r c a l 娩et h e j o i n tw i t hh i g h e rs t r e n 舀h t h eh y b r i dw e l d i n gt e c h n i q u et 0j o i nm a g n e s i u ma n da l u m i n u m w a ss t u d i e d t h er e l a t i o n s l l i p sb e t w e e nt h em i c r o s t n l c t u r e ，m i c r oh a f d n e s s 柚ds t r e n g t h s e p a r a t e l yw e r c 柚a l y z e d t h er e a s o nf o rt h es t r e n 酉hi m p r o v e m e n tb yt h el a r t i gh y b r i d w e l d i n gm e t h o dw 弱e x p l a i n e d k e yw o r d s ：s s i m i l 盯m e t a l ；m a 扣e s i h m 砧l o y ；触u m i n 蛐l 触l o y ；h s i o nw e l d i n 彩 i n t e i m e t a m cc o m p o u n d s ； f u s i 蚰一b 您z i 飕w e 胁n 晷l a 跎r 一- i i g h y b dw e l d i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丛堕魄 0 口口- 7 7 够 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 人连理：1 ：火学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1 选题意义及背景 人类的发展史也是一部材料的发展史，新材料的不断涌现标志着人类改造自然能力 的不断增强。镁及镁合金是目前可应用的最轻的结构材料，具有不可替代的性能，如高 比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极 低的密度，及易回收利用等一系列优点，被称为“2 1 世纪的绿色材料 1 1 j ，被广泛应 用于航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业1 2 j 。众所周知，铝是工业生产中应 用较广泛的一种金属，这是因为它有一系列较好的物理化学性能，如密度小，导电性能 好，令人满意的机械强度，良好的耐蚀性能等。i 羽用铝与其他金属连接制成焊接结构特 别合理，因为这种结构能够发挥各自材料的固有特性。嗍 镁和铝的焊接问题在航天工业迅速发展的上个世纪7 0 年代已经被苏联的研究者提 出【引。现在随着镁的广泛应用，镁和铝的焊接问题会不可避免地遇到。 镁和铝的异种金属焊接，是十分令人期待的。镁合金连接技术和镁合金与其他金属 的连接技术的发展，尤其是镁合金与其他金属的连接技术的发展，与镁合金的应用范围 扩展相互制约，也相互促进。异种材料的接头通常条件下很难达到同种材料的焊接可靠 性的。异种接头的连接困难使设计者在设计方案中尽量采用同种材料而避免异种材料的 连接问题同。一定强度的异种金属接头可以满足对异种金属连接强度要求不高的情况。 因此，异种金属连接方式的进步会增加设计方案的可行性，也会增加设计者的可选择机 厶 z ；o 在工业生产中，对于镁合金和铝合金的焊接是十分需要的，例如在汽车1 7 1 ，摩托车 嘲，自行车工业嘲中，镁合金和铝合金都以被大量应用在不同的部分，而对镁铝的异种 金属的连接件非常期望被应用。 我国镁资源储量世界第一，同时也是世界上最大的镁生产国和出口国。目前我国镁 生产能力已占全球的3 4 ，产量占1 2 。而且随着中国加入世贸组织和人民生活水平的提 高，汽车越来越多的进入普通家庭。我国人口众多，汽车消费市场巨大，能源和环境更 是应该引起重视的问题。加快汽车轻量化更是迫在眉蒯1 0 1 。镁合金是汽车轻量化最有前 途的应用材料之一【1 。镁合金在汽车中的应用必然会遇到镁合金和铝合金异种金属连接 的问题【1 2 1 。因此，异种金属镁合金和铝合金的连接的问题必须提上日程。 另外，镁和铝异种金属的连接可以揭示熔池流动和元素扩散的许多规律，比如：异 种金属焊接时熔池内部存在两种金属流动，我们能比较容易地区分和观察一种金属的流 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊l ：艺研究 动来分析整个熔池的流动，可以发现许多同种金属焊接所不能发现的问题，由此可见， 镁和铝的异种金属焊接具有非常大的理论意义。 熔焊作为最普遍的焊接方法，如果能成功的连接镁合金和铝合金，其意义无疑是重 大的。异种金属镁合金和铝合金的熔焊连接也是重要的基础工作。 本文采用熔焊的方法进行异种金属镁合金和铝合金的连接，进行了各种形式接头的 尝试，并采用熔钎焊的方法实现了镁合金和铝合金的连接。在此基础上，利用复合热 源技术的进行了镁合金和铝合金更高强度的连接。 1 2 异种金属焊接性的研究 所谓焊接性就是指金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用时安全可靠运行的能 力。也就是指在一定的焊接工艺条件下，焊后材料获得优质焊接接头的难易程度。而异 种金属的焊接性【1 3 】即在给定的焊接工艺条件下。能否形成优质的焊接接头主要取决于 被焊金属的物理性质、化学性质、化学成份和工艺措施。而各种金属的物理、化学性质 均有差异。有的差异小，有的差异大。这就决定了异种金属的焊接性。 异种金属的焊接要比同种金属的焊接要困难和复杂。既有不同母材之间和母材与填 充金属之间相互作用不同带来的冶金上的困难，又有因物理性能上存在的差异带来的焊 接工艺上的问题。l 1 4 j 1 2 1 异种金属焊接性的研究现状 异种金属之间的焊接主要是指化学成分、显微组织、物理、化学和机械性能相差较 大的两种金属之间的连接。从金属构件的连接形式上看可以分成四种主要情况。 两种不同金属之间焊接，中间不加填充金属。两种金属之间可通过各种方法实现冶 金结合，并在中间形成一个过渡层，或称熔合区。焊接方法主要有：氩弧焊( 重熔) 、 闪光焊、摩擦焊、扩散焊等。 两种不同金属之间的焊接，中间填充第三种金属，这样在接头中就形成两个熔合区。 两种金属之间焊接，中间填充于某一侧母材成分相同的金属，接头中形成一个异类 金属熔合区和一个同类金属熔合区。 相同金属之间焊接，中间填充另一种金属，或在某一种金属对焊不同的金属，接头 中形成一个熔合区。 第一种形式可以通过熔化焊接或固态焊接的方法完成，后三种形式主要是熔化焊 接。 大连理一f ：人学硕士学位论文 从接头的形式可以看出，在接头中总存在一个异类金属熔合区，其化学成分、显微 组织及许多性能与母材金属和熔敷金属明显不同。它实际上影响整个机械构件使用性能 的主要部分。 金属材料在焊接时要经受加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、固态相变等一系列 复杂的过程，这些过程又都是在温度、化学反应及应力极不平衡的条件下发生的，有时 可能在焊接区造成缺陷或者使金属的性能下降而不能满足使用要求，因而，金属本身的 物理性能、化学性能和力学性能都已不足以直接说明它在焊接时可能出现什么问题或焊 接后能否满足使用要求。 从理论上讲，只要在熔化状态下能够互相形成溶液或共晶的任意两种金属都可以经 过熔化焊接形成接头。同种金属之间当然可以形成优质的焊接接头，但是异种金属之间 的焊接要复杂得多。 如果两种金属之间能够形成固溶体，则其熔化焊接性较好，如碳钢或低合金钢与奥 氏体不锈钢或n i 基合金之间的焊接等。但是由于两种金属之间在组织类型、化学成分、 机械性能等方面具有较大的差异，仍会带来焊接残余应力集中、碳扩散等一系列问题。 如果两种金属之间能形成机械混合物或复杂组织，则认为其熔化焊接性尚可。 如果两种金属之间形成金属间化合物，则其熔化焊接性不好，不能直接进行熔化焊 接，需要采用如固态焊接法等特殊的焊接方法，或是采用过渡层才能形成性能良好的接 头，如铝与钢、铝与钛、钛与钢之间的焊接。 异种金属之间焊接的困难主要表现在，对于大多数异种金属组合来说，两种材料之 间的熔点、密度、导热性、热膨胀性、晶体学特征、机械性能等相差较大。焊接性与它 们在液态和固态时的互溶性及形成金属问化合物( 即脆性相) 的性能等有密切关系。通 常在液态下不能互溶的金属( 即“冶金学上的不相容性”) 、熔化时分离的液层，冷却 结晶后彼此之间很容易分离开裂，所以不能采用熔焊焊接方法。而互溶性很小或有限的 两种金属焊接时，能否防止裂纹的产生主要取决于结晶条件、相变和受力状态。另外这 类金属焊接时会形成金属间化合物和使过饱和的固溶体的剩余成分析出，从而降低接头 的性能。 1 2 2 镁合金的应用现状 汽车轻量化的呼声和减少尾气排放的环保要求，使镁合金被期望成为挑战钢铁的头 号金属。但由于镁合金和铝合金的加工方法的不成熟和较高费用，使这一进程减慢【15 j 。 但是，镁合金的应用已经遍及航天航空、汽车、交通、机械、船舶、体育用品、矿山设 备、武器1 1 日、电子等多个领域。而且在各种领域其应用范围也在逐渐的扩大，例如，在 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊工艺研究 汽车领域，除了作为仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、变速箱壳、进气歧管、汽车车 身等，还正在被考虑用在发动机、汽车底盘等关键部位。因为发动机多位于前部，在此 区域任何质量的变化都可以改善汽车质量与汽车平衡性，此处镁合金可能应用的部位包 括传动系、仪表板和前阀等。所以发动机是应用镁材料前景最有价值的部位。另外一个 减少重量重要部位主要是底盘，降低底盘重量可以降低汽车的重心。镁及其合金具有的 低密度、高强度的优点使其在运输行业具有强劲动力，因为此类材料的应用可以大幅降 低重量从而降低油耗并降低排放量【1 7 1 。随着镁合金研究的深入，材料性能提高，制造技 术改进，镁合金的应用会越来越广泛。 1 2 3 铝合金的应用现状 铝合金已经在国防、航空、机械制造、电器、造船、邮电、运输、建筑、化学、食 品工业等领域中获得了非常广泛的应用【3 1 明，这样镁合金和铝合金的连接不可避免的要 遇到。镁合金和铝合金的连接也会带给多种材料的复合应用更多的可能，增加或优化镁 合金和铝合金的应用范围。 以铝合金在汽车行业的应用为例，自1 9 9 1 年使用高强度铝合金以来，北美汽车铝 的用量己增加了2 倍，是增长最快的汽车材料。s u v 、皮卡和微型厢式车平均每车用 铝量达116 1k g ，比轿车( 平均每车10 9 k g ) 增长得还要多。奥迪a 8 采用全铝结构表明 了铝合金可以成功地用在汽车的多种部件，但是，铝部件并没有在汽车上大量应用。 制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比钢高。为了促进铝在汽车 上的应用。必须降低材料成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的联接技术。 新开发的多材料结构轿车要求联接两种不同类型的材料。对这些联接技术以及对材料 和零件防腐蚀的表面处理技术是扩大铝在汽车上应用的重要课题。1 1 川 1 2 4 镁合金和铝合金在汽车上应用的优势 相对与钢铁材料，铝合金和镁合金在汽车上的应用也有其自身优势。例如，通过优 化设计可将众多零件组合成一个大件。既可减小质量又可减少零件数量，降低生产成 本。戴姆勒一克莱斯勒公司生产的微型厢式车的横梁，原由15 个钢件组成，现集成为一 个铝铸件。【1 0 1 而采用镁合金可以大幅度减小质量，提高燃油效率。镁合金具有良好的铸造性能和 尺寸稳定性，可以浇铸各种薄壁和复杂的零件，可将多个零件组装的部件集成为单一 部件：具有良好的可加工性，可以降低加工成本：具有良好的阻尼特性，可提高零部 件的防撞击性能，有利于提高汽车的安全性。 一4 一 人连理1 ：人学硕士学位论文 最重要的是从长远角度考虑，轻质合金的应用可以减轻车体重量，增加燃油效率， 从而减少能源消耗，减少尾气对环境的污染。汽车工业的生产总值在全球经济发展中占 有重要地位，世界平均汽车的拥有量为2 4 辆每1 0 0 0 人，而且其数量还在增大。冽庞大 的汽车工业和汽车数量，使能源和环境的承受能力成为更应引起重视的问题。 1 3 异种金属镁合金和铝合金焊接的研究现状 1 3 1 纯镁和纯铝的真空扩散焊 苏联的研究者在7 0 年代曾尝试过异种金属镁和铝的真空扩散焊。网试样是9 9 9 9 的纯镁和9 9 9 9 的纯铝。试样装入真空室之前，用金刚砂纸打磨，用氧化铬汽油混合 液抛光。在4 0 0 下保温十分钟，试样未焊上，但可见镁和铝相互作用的痕迹。在4 4 0 0 1 3 3 m p a 的真空中，试样在氧化膜接触处形成了焊缝。在镁和铝的焊接部位，试件 的边界完全消失。形成的共晶体向镁中的扩散要比向铝中扩散快得多。作者得出结论， 要实现镁和铝的真空扩散焊，不需要施加压力使氧化膜发生机械粉碎，而要使被焊接金 属表面能够相互充分接触。 这个研究着重强调了镁和铝在较高真空( 至少0 1 3 3 m p a ) 条件下，不加压力就可 以破坏氧化膜实现连接。但是，并没有关于组织和性能的研究。在4 4 0 时，镁铝应该 会形成低熔点共晶体，从而破坏铝和镁表面的氧化模实现连接，但同时共晶体向两侧金 属的扩散会不会产生脆性化合物或出现毛细现象使强度降低不得而知。 为此，我们也进行了真空扩散焊试验，温度4 4 0 ，真空度1m p a ，保温时间5 0 分钟。试样为a z 3 1 b 镁合金板和6 0 6 1 铝合金板，用卡具夹紧在真空炉内进行焊接。试 验结果表明，镁和铝中间出现较多液相，这些液相非常脆。大概是因为选择的温度偏高， 产生的液相多，不能全部向两侧金属扩散。选择合适的温度使共晶体的量少到可以完全 扩散入两侧金属，可望实现镁合金和铝合金的连接。 近两年，国内山东大学的刘鹏、李亚江成功进行了镁合金和铝合金的扩散焊，但是 强度只有大约2 m p a 。【2 1 。矧 1 3 2 激光焊接 异种金属焊接的主要问题是金属间化合物的形成。一般说来，这些相又硬又脆，会 直接影响接头的使用性能。避免这个问题的关键是控制形成金属间化合物相的基本过 程，扩散过程。b 认s ( 德国不来梅束流应用技术研究所) 认为控制扩散过程的途径是用 高速度高能量的激光束实现全面的低热输入，加热和冷却时保持高温组分。但焊接铝和 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊工艺研究 铁时对焊接参数的要求还是比较苛刻，为了降低对焊接参数的要求，采用在激光器上装 一个增加传导率的特殊工作触头，使焊接最大速度提高加。 镁和铝的激光焊也是典型的形成金属问化合物的例子。焊接方法同焊接铝铁基本一 致，只是没有加特殊工作触头。但焊接过程本身完全不同，因为镁和铝的熔点非常接近。 因此，两种金属的同时熔化不可避免，熔化的金属会相互混合。焊缝中心处硬度显著增 加，但没有发现包含金属间化合物层的区域。另外，能谱分析表明焊缝中心处的成分是 逐步递增或递减的，而不是预想的台阶式变化。进一步对焊缝冶金性能的研究还未展开 【2 4 j 。日本也尝试用激光搭接异种金属镁合金和铝合金，计算了镁激光搭接标准的拉伸试 样力为6 0 0 1 2 0 0 n 阎。 1 3 3 电弧焊接 以色列研究人员研究了3 m m 厚的铸造镁合金( a m 5 0 和a z 3 1 ) 和铝合金6 0 6 3 的 m i g 焊和电子束焊【2 叼。m i g 焊分别采用灿1 0 5 0 ，4 0 4 3 ，m 1 0 州s r 和a z 9 2 作为 电极。焊接接头用很小的力就可以掰断。通过光镜和扫描电镜观察以及能谱分析可知， 熔合线附近出现了共晶组织而熔合区中心的组织主要是b m g l 7 汹，z n ) 1 2 。对于 舢1 0 吼s r 电极，可以发现包含s r 的相。热影响区发达，尤其是在镁的一侧。在铝的 一侧，可以看到m g 和s r 加强的晶界。晶界产生连续的脆性相。a z 3 1 的热影响区有几 个毫米，而a m 5 0 的大约有几百个微米。 电子束焊接异种金属镁合金和铝合金，没有热影响区，熔合区中可以看到b - m g l 7 ( 砧，z n ) 1 2 相。熔合区金属间化合物相是产生接头脆性和低强度的主要原因。只有结 论，没有具体的实验过程和简要说明。为此，我们采用国产电子束焊机进行了简单的验 证实验，实验表明，采用电子束焊接异种金属镁合金和铝合金也不是很理想。 综上所述，镁和铝异种焊接接头很脆，强度很低，加入s r 也没有减少b 相，因此， 作者展望解决镁和铝异种焊接的问题的途径有两种，一种是再加入其它阻止生成脆性相 的元素，另一种是采用其它的焊接方法，例如能量集中的激光焊，不产生熔化的固相焊 磁脉冲焊。 1 3 4 摩擦焊 摩擦焊是利用工件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑 性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。 最普通的摩擦焊方法。焊接两个圆形横断面工件时，首先使一工件以中心线为轴高 速旋转，然后将另一工件向旋转工件施加轴向压力，开始摩擦加热。达到给定的摩擦焊 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 时间或规定的摩擦变形量，即接头加热到焊接温度时，立即停止工件的转动，同时施加 更大的轴向压力，进行顶锻焊接。通常，全部焊接过程只要几秒钟。 8 0 年代末，日本加藤数良等人用闸式摩擦焊机实现了镁合金a z 3 1 和纯铝1 0 5 0 的 焊接，并通过性能试验和光学显微镜研究了接头的机械性能。到1 9 9 4 年的文献报道， 焊接接头达到了铝母材的强度并得到一些结论f 2 7 1 。在任何条件下焊件的毛刺均发源于铝 合金，并向镁合金焊接区发展。可以这样认为，初始的纤维组织到焊接界面处就消失了。 在焊接区可以观察到化合物层和机械混合物层。焊接界面的硬度值高于基体金属。焊接 接头的拉伸强度随摩擦时间的延长而增大。摩擦压力为7 0 m p a 时，焊接接头的拉伸强 度略高于纯铝1 0 5 0 ，而摩擦压力5 0 m p a 和6 0 m p a 时，强度低于纯铝1 0 5 0 。所有的焊接 接头的延伸率均不如嵫1 镁合金，拉断处为焊接界面。缺口取在焊接界面的冲击试样 冲击强度低于镁合金。 纯铝1 0 5 0 的拉伸强度为6 8 3 m p a ，比较低。对于工业上应用的各种铝合金与镁合 金的连接还有待于研究。 其后，h i 础等人尝试了用搅拌摩擦焊焊接了1 2 姗厚的镁合金a z 3 1 和纯铝1 0 5 0 ， 并讨论了其焊接性和机械性能【2 8 】。p a 出等人也获得了6 m m 厚的镁合金j 蟠1 和纯铝1 0 5 0 搅拌摩擦焊连接件，阐述了这种焊接接头处出现了大量的金属间化合物刚。这两篇文章 揭示了搅拌摩擦焊焊接镁合金和铝合金的可能性，但是没有详细阐述在搅拌摩擦焊过程 中微观组织的变化。 y u t a k as 等研究了6 m m 厚的镁合金a z 3 1 和纯铝1 0 5 0 搅拌摩擦焊连接件的组织特 征和微观组织的变化，暗示低熔点共晶体导致了金属间化合物m 9 1 7 舢1 2 的形成。焊缝没 有大的缺陷，如裂纹或空洞，但是焊缝中心处有一大片不规则形状的区域且这个区域不 是在上下表面之间。可以看出，上表面处的焊接界面从初始的焊接中心线转移到前进方 向的一侧。 光镜下，不规则区域是凝固的微观组织。有一些孔洞，和白色组织a ，黑白相间组 织b ，a 为3 咖趾和6 1 叭m g ，b 为1 1 和8 9 叭m g 。所以，b 为金属 间化合物m g l 7 妯1 2 和镁的固溶体。a 为金属间化合物m 9 1 7 础1 2 。不规则区域的粉末x 射线光谱分析也表明这个区域主要是金属间化合物m g l 7 触1 2 ，还有少量的m g 和越。 经过不规则区域的维氏硬度曲线表明不规则区域的硬度值远远高于母材。只有金属间化 合物m 9 1 7 舢1 2 有这样的硬度值。 搅拌摩擦焊是固相焊接方法，一般母材不熔化，但是，异种金属摩擦焊就有可能出 现共晶液相。通常搅拌摩擦焊会在焊缝中心处产生两种材料的交换带，铝和镁也不例外。 由于搅拌摩擦焊中的搅拌作用和瞬时加热，铝和镁原子在交换带的界面中相互扩散。这 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊i ：艺研究 个参数的搅拌摩擦焊由于摩擦作用温度高于4 6 0 。在这个温度下铝和镁原子的相互扩 散速度高于固相，强烈的相互扩散可以使材料在高于4 6 0 的恒定温度下形成共晶液相。 共晶液相形成以后，在搅拌摩擦焊的冷却过程中液相凝固。光镜和能谱分析的结果表明， 先析出相为m 9 1 7 砧1 2 ，而后l m 9 1 棚1 2 + m g 。因为镁的原子百分含量在 6 0 _ _ 7 0 之间变化，正与相图符合【2 8 】。 搅拌摩擦焊近几年在焊接铝合金上表现了很强的优势。这篇论文研究了镁接头和将 铝和镁焊接在一起的可能性。试样摩擦焊时的前进速度为3 3 3 1 3 3 m m s ，枪头旋转的 速度为2 5 5 0s 。镁合金a z 3 1 的焊接接头中，搅拌区的平均晶粒尺寸为1 鲰m ，小于母 材金属的晶粒。镁和铝的异种接头中，混合受到限制，更主要的是机械力连接。可是， 驰m 厚的中间层取出用1 1 三m 观察，从电子衍射图中可以看到中间层中含有两相。其中 一相为m 9 1 7 伽1 2 的金属间化合物，另一相不能确定。异种接头的机械性能由于中间层的 存在低于母材尤其是拉伸强度。 美国人最近研究了变形镁合金a z 3 1 b h 2 4 和半固态铸造镁合金a z 9 1 d 与铝合金 6 0 6 1 的搅拌摩擦焊并研究了其组织刚。将镁合金和铝合金分别放在前进方向和后退方 向，并对掉。光学显微镜照片分析表明，焊缝区的组织不同于异种材料的焊缝。焊接区 和过渡区的动力学再结晶观察显示从基体材料经过渡区到搅拌区晶粒尺寸明显减小。接 头没有气孑l 。镁合金到铝合金接头的搅拌区显示为独特的异种金属接头，再结晶的层状 富镁或富铝的复杂的交错组织构成的流动特征。焊缝区的元素分析表明层状中含有等量 的镁和铝，也有其他的富其中一种元素的再结晶层状区。整个接头区的维氏显微硬度表 明搅拌区和过渡区的母材的残余显微硬度没有下降，特殊的是，超硬的针状相是母材硬 度的3 倍。 德国g k s s 研究中心系统地研究了采用搅拌摩擦焊焊接异种金属镁合金和铝合金 的情况1 3 1 j ，研究表明，对于搅拌摩擦焊，镁合金同种金属接头具有高的强度和韧性，但 是，镁和铝异种接头只有在镁合金做前进端时才能达到低强度接头的8 0 ，韧性达到镁 接头的近似3 0 。 国内哈尔滨工业大学的阎久春等人阉和西安交大1 3 3 】也进行了异种金属镁合金和铝 合金的搅拌摩擦焊，其研究表明，搅拌摩擦焊镁铝的异种金属接头最高强度可达8 0 m p a 综上所述，镁和铝的搅拌摩擦焊虽然能够得到较高的强度，但对工艺要求严格，而 且依然难以避免镁铝金属间化合物生成，增大了接头不稳定性。而且由于搅拌摩擦焊的 局限性，接头形式受到限制，非常需要开发其他的异种金属镁和铝的焊接方法。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 5 钎焊 钎焊包括软钎焊和硬钎焊，由于软钎焊的温度不超过4 5 0 ，基体金属不熔化，不 产生界面反应，避免了高温加热对被连接材料的影响。硬钎焊包括保护气氛炉中钎焊、 真空钎焊、电阻钎焊、浸沾钎焊和共晶反应钎焊连接。由于镁合金和铝合金的氧化膜严 重，钎剂的选择是重要的问题。而且，镁合金易腐蚀，到现在为止，采用钎剂的异种金 属镁合金和铝合金的研究仍没有报道。 刘黎明、谭锦红等人m l 采用接触反应钎焊的方法实现了异种金属镁合金和铝合金的 焊接。采用z 0 掣贷钎料。将z i l 预先镀敷在镁板上，用电弧作为热源加热金属块作为接 触反应钎焊的热源，快速实现镁合金j 仍l b 和铝合金6 0 6 l 的连接。连接强度可达 2 0 m p a 。 1 3 5 电阻焊 电阻焊分为电阻点焊和电阻缝焊，日本儆e h i k 0 和y o s h i t a l 【a 等人将电阻点焊应用 到镁合金a z 3 l b 和1 0 5 0 纯铝板上阐。研究了影响接头拉伸强度的因素和将a g 作为中 间层的效果。异种接头的强度随着焊接电流的增加而增大，可是，强度很低只有同种镁 合金接头在同种条件下强度的1 似到1 ，5 。随着添加a g 金属箔厚度的增加，在m g 和a g 之间形成的金属间化合物层厚度降低，而在a g 和舢之间形成的共晶反应层增加，使 m g _ 舢的接头强度提高。但当a g 箔厚度逐渐增加时，会因在共晶反应层中引起非连接区 使m 舭g 的接头强度降低。 1 3 6 爆炸焊 爆炸焊接是利用炸药产生的冲击力造成焊件迅速碰撞，使两金属件待焊表面实现连 接的方法。7 0 年代苏联的研究者已经证实在供应状态下，a 皿1 铝和a m r 5 m 铝合金与 m a 2 1 和m a 8 镁合金的爆炸焊接过程，总是同时发生镁合金的脆性断裂。许多呈平行 裂纹形式的大量分层是镁合金复板占优势的破坏形式，裂纹的尺寸随着距连接平面的距 离加大而逐渐减小。在制定最佳的焊接规范实验中，在各种温度下预先退火的m a 2 - 1 合金板用爆炸方法包复上2 m m 厚的a 丑1 铝层，炸药包提供了在5 5 0 - 6 5 0 i l 怕范围内变 化的碰撞速度v 。焊接试样机械实验表明，采用4 5 0 退火的镁板时，在v 6 1 0 l n s 时 接头与铝等强度6b 7 5 m p a ，近缝区中发生韧性断裂。在加热到2 5 0 的坯料中，6b = 矸叻仍保持以前的关系，但是，当6 = 4 0m p a 时，在界面上发生接头破坏。在3 5 0 退 火的m a 2 1 合金接头中混合破坏性质占优势。 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊j r ：艺研究 用“正向 焊接法，即4 5 0 退火的m a 2 1 合金板作为复板焊成的接头性能比较实 验，给出较低的强度平均值( 6b 5 0 m p a ) ，有局部熔化区。在m a 2 1 一边近缝区 出现与焊缝中心线呈不同方向的微裂纹。 因此， “反向 焊接采用了4 5 0 退火的镁合金板作为基材，在基材上包复铝或铝 合金，就完全消除了镁的脆性破坏倾向，并且不会形成引起强度性能下降的低塑性化合 物翻。 镁板和铝板的成分大致相当于a z 9 1 b 镁板分别和纯铝板1 1 0 0 、铝合金板5 0 2 0 ，屈 服强度6b 分别为1 3 7 m p a 和1 0 8 。2 2 6 m p a 。这些研究表明，铝和a m r 铝合金与m a 2 1 和m a 8 镁合金通过爆炸焊是可以焊在一起的。但是，铝合金的强度偏低，另外，镁的 脆性破坏倾向严重，对微裂纹敏感，要得到性能较好的接头需要在较高温度退火。在4 5 0 退火的m a 2 1 合金板再焊可以减轻脆性。 1 4 本文主要研究内容 本文采用熔焊的方法进行异种金属镁合金和铝合金的连接，进行了各种形式接头的 尝试，并采用熔钎焊的方法实现了镁合金和铝合金的连接。在此基础上，利用复合热 源技术的进行了镁合金和铝合金更高强度的连接。 具体工作如下： 1 ) 为了实现异种金属镁合金和铝合金的电弧焊连接进行了各种形式接头的尝试， 考虑的因素包括：材质( 纯镁或镁合金、纯铝或铝合金) 、焊丝种类( 镁焊 丝、铝焊丝) 、焊接方法( 手工电弧焊、氩弧焊) 、电流极性( 直流正接、 直流反接、交流) 、接头方式( 搭接、对接) 。 2 ) 采用熔钎焊的方法实现镁合金和铝合金的连接。选择合适的镀层方法，选择 合适的镀层金属和接头方式，形成镁铝接头。研究接头的微观组织形貌和元 素分布，分析镀层金属的作用和镁铝金属间化合物的分布情况。 3 ) 研究非电弧热源方式实现镁合金和铝合金的连接的参数和效果，激光t i g 复 合热源焊接镁合金和铝合金接头的组织和元素分布。测量接头的拉伸强度。 分析镁铝接头的微观组织与拉伸性能的关系。解释激光t i g 复合热源焊接 镁合金和铝合金强度增加的原因。 4 ) 在实验的基础上，分析了镁合金和铝合金熔焊存在的主要问题，提出了两种解 决途径：中间加入镀层的方式来避免镁和铝的接触；采用激光1 i g 复合热 源焊接减少镁和铝接触时间。随着实验的深入，文章反复思考分析了以下几 人连理1 = 大学硕士学位论文 个方面问题： 异种金属镁合金和铝合金熔焊的主要问题是什么； 镁铝间金属化合物能否避免或减少； 镁铝间金属化合物的种类、特性、生成过程； 焊接条件下允许采用何种金属作为夹层来避免镁铝间金属化合物； 何种熔焊方法更适合焊接异种金属镁和铝。 柳绪静：异种金属镁合金和铝合金的熔焊l 艺研究 2 异种金属镁合金和铝合金直接电弧焊接工艺 两种被焊金属都熔化的焊接方法成为熔焊。主要的熔焊方法有电弧焊、气焊、电子 束焊和激光焊等。电弧焊是应用最广泛的熔焊方法之一，包括手工电弧焊、埋弧焊、钨 极和熔化极气体保护焊以及等离子弧焊等。异种金属镁合金和铝合金的熔焊前人几乎未 曾尝试。所以，需要从最基本的电弧焊开始考虑。而且作为应用最广泛最方便的焊接方 式，电弧焊的研究意义是不言而喻的。对异种金属镁合金和铝合金电弧焊的理解和思考 是研究镁和铝熔焊的基础。 为了实现异种金属镁合金和铝合金的电弧焊连接需要进行了各种形式接头的尝试， 考虑的因素包括：材质( 纯镁或镁合金、纯铝或铝合金) 、焊丝种类( 镁焊丝、铝焊丝) 、 焊接方法( 手工电弧焊、氩弧焊) 、电流极性( 直流正接、直流反接、交流) 、接头方 式( 搭接、对接) 。 2 1 实验材料及方法 2 1 1 实验材料 对接选用m 9 1 纯镁板、a z 3 1 b 和a z 9 1 b 镁合金板，分别和1 0 6 0 纯铝板、6 0 6 1 铝 合金板试焊。板厚均为5 m m 。填充材料分别选用镁焊丝和铝焊丝。镁焊丝采用a z 3 1 b 焊丝和4 0 4 3 铝焊丝的成分见表2 1 。根据焊接标剧删和前期实验【3 7 】证明，焊接a z 9 1 b 镁合金板时采用a z 6 1 b 的焊丝效果比采用a z 9 1 b 焊丝好。焊铝量高的镁焊丝熔点较低， 因此，采用a z 3 1 b 镁焊丝。根据焊接标准冈，焊接6 0 6 1 铝合金板最好采用4 0 4 3 铝焊 丝。 搭接采用a z 3 1 b 镁合金板和6 0 6 1 铝合金板焊接。板厚均为1 7 衄。 表2 1a z 3 1 b 焊丝的化学组成( 质量百分比) t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa z 3 1 bm a g n e s i u mw e l d i n gw