（材料加工工程专业论文）同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究.pdf

硕士学位论文 摘要 搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术，以其常规焊接方法无法比拟的优 越性，在铝合金的焊接中已取得了深入广泛地研究和应用。镁合金被誉为2 1 世纪 绿色材料，具有广阔的开发和应用前景，但由于各种原因，关于镁合金的搅拌摩 擦焊却研究较少。本课题就挤压态变形镁合金a z 3 1 b 和a z 6 1 a 同种及异种间搅 拌摩擦焊工艺进行研究，并初步探讨镁合金搅拌摩擦焊适用的摩擦头。 摩擦头是搅拌摩擦焊最重要工艺参数之一，其材质、结构是影响接头成形及 性能的关键因素。通过设计不同材质、结构尺寸的摩擦头进行搅拌摩擦焊工艺性 实验，分析比较各摩擦头所焊得接头的外观成形、横向宏观形貌和力学性能等， 优化得到了最适合本实验材料搅拌摩擦焊接所用的摩擦头。 在同种材料的焊接中，分析了a z 3 1 b 和a z 6 1 a 各自在各种工艺参数下的焊 缝成形、接头微观组织、显微硬度及接头力学性能等特点，分析了摩擦头旋转速 度和焊接速度对接头力学性能的影响规律。通过实验，实现了a z 3 1 b 和a z 6 1 a 同种材料搅拌摩擦焊连接并得到各自焊接工艺参数范围。通过分析对比，a z 3 1 b 和a z 6 1 a 搅拌摩擦焊接头虽然在整体上具有相似性，但a z 6 1 a 比a z 3 1 b 所适合 的工艺参数范围更窄，焊接性也差。 在对a z 3 1 b 和a z 6 1 a 同种材料的搅拌摩擦焊焊工艺实验的基础上，对两种 材料间的搅拌摩擦焊进行研究，分析了两种材料不同的放置位置以及焊接参数对 其接头性能的影响，从微观分析了接头中的组织分布情况及交界处的物相成分。 结果表明：搅拌摩擦焊可以实现a z 3 1 b a z 6 1 a 的优质连接，接头抗拉强度最高可 达母材a z 3 1 b 标称强度的9 0 5 。前进侧热力影响区较宽，组织呈不均匀层状分 布。当工艺参数不恰当时，前进侧热力影响区层状组织间存在氧化物和夹杂物富 集，使得该区域显微硬度明显提高。该氧化物和夹杂物富集层的存在及严重的应力 集中是造成接头在前进侧热力影响区机械性能下降、发生断裂的根本原因。 本课题通过工艺实验证明，当选择恰当的摩擦头及焊接工艺参数时，能够成 功实现a z 3 1 b 、a z 6 1 a 和a z 3 1 b a z 6 1 a 的搅拌摩擦焊连接。其结果不仅为同种 及异种镁合金材料提供了一种全新、经济、可靠的连接途径，也为后续的搅拌摩 擦焊接工艺研究提供了参考，具有重要的实用价值。 关键词：搅拌摩擦焊；a z 3 1 b ；a z 6 1 a ；镁合金；焊接工艺；层状组织；力学性能 同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究 a b s t r a c t 蹦c t i o ns t i rw e l d i n g ( f s 哪硒an e wt y p eo fs o l i d - p h 觞ec 0 姗e c t i o nt e c h o l o g yw i m c 衄v 锄t i o n a lw e l d i n gm e t h o d sw h i c hh 舔i n c 0 m p 疵b l es u p e r i o r i t yi nt h eo r d i i l a r yw e l d i n g n ef s wo fa l u m i l l 岫h 嬲b e e nm a d ee x t e n s i v er e s e a r c h 锄da p p l i c a t i o n m a 伊e s i u ma l l o y w 弱l 【i l 帆，n 弱t h e2 1 s tc e n t u 巧g r e 锄m a t e r i a l s ，h a sb r o a dp r o s p e c l sf o rd e v e l 叩m e n t 强d 叩p l i c a t i o n b u tf o rav 撕e t y0 fr e a s o n s ，t h em a 印e s i u ma l l o y 衔c t i o ns t i fw e l d i n gr c s e a r c h w 弱l e s s i i lt h i sp a p c r ，t h ed e f 0 】n d l a t i 衄m a 印e s i u ma l l o ya z 3 1 b 龃da z 6 1 ab e 懈e e n d i s s i m i l 缸卸ds 锄ek i n do f 衔d i o ns t i rw e l d i n gp r o c e s sw 弱r e s e 砌e d 锄dt h ea p p l i c a b l 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ta p p r o p r i a t et h e m i c r o s t m c t u r cd i s t r i b u t i o nw 签l a y e r e d 柚dw i d e0 nt h em e c h 姐i c a lh e a t a 骶c t e dz o n e ，b u t i i a l s ot h e 托w e r et h ec o n c 圮n t r a t i o no ft h e0 x i d e 柚dt h ei m p u r i t yb e t 、e e nl a y c r c dm e d i s t 曲u t i o n t l l l ee x i s t e n c co ft h ci i i l p u r es 仃a t u ms t m c t l i r c 柚ds t r c s sc o n c e 曲隐t i o nw 弱t h c m a i nr e 弱衄t h a tc a u s e dt h ed r o p0 fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s0 nt l l em e c h a i l i c a lh e a t - 相6 e c t e d z 0 n e n er e s u l to ft h ei n v e s t i g a t i o np r 0 v e dt h a t t h ej o i n t so fa z 3 1 b ，a z 6 1 aa n d a z 3 1 b a z 6 1 am a g n e s i 眦a l _ 1 0 yc 0 u l db e 鲫c c e s s f u l l yc a j t i e do u tb yf s w 、柚e nt h eo p t i m a l w e l d i n gp a r 锄e t e 塔w e r cc h o s e n t h er e s u l t s ，w h i c hw e r co f 孕e a tp r a c t i c a jv a l u e ，n o to n l y p r o v i d e dan e w l ye c o n o m i c a l 孤dr d i a b l em e t h o d f o rj o i i l i n gm a ：【e r i a l sm e n t 妇l e da b o v e ，b u t a l s oe s t a b l i s h e df b u n d a t i o n 蕾d rt h ef i l n h e rs t u d yo ff s wt e 血l i q u e s s oi th a di m p o 栅t p r a c t i c a lv a l u e 1 i 沁y w b r d s ：f n c o s t i rw e i d i n g ；a - z 3 l b ；a z 6 1 a ；m a g n e s i u ma o y ；w e l d i n g t e c h n o l o 留；& r a t u ms t m c t u 砖； m e c h a n i 姐lp m p e n i e s l 同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图6 1 插图索引 搅拌摩擦焊原理图4 搅拌摩擦焊微观组织图4 f s w 一3 l m - 0 1 5 型摩擦焊机外观图9 试样截取图1 1 拉伸试样图1 2 摩擦头形貌图1 3 实验设计摩擦头形状图1 5 实验用摩擦头形状图 1 6 不同摩擦头f s w 接头横截面宏观形貌图一1 8 a z 3 1 b 镁合金f s w 接头焊缝外观图2 3 a z 3 1 b 镁合金f s w 接头横剖面宏观形貌图2 3 a z 3 1 b 镁合金f s w 接头金相照片2 4 a z 3 1 b 镁合金f s w 焊接参数对接头性能的影响图2 5 a z 3 1 b 镁合金f s w 接头拉伸试样断裂位置照片2 6 a z 3 1 b 镁合金f s w 接头拉伸试样断口2 6 a z 3 1 b 镁合金f s w 接头显微硬度分布2 7 a z 6 1 a 镁合金f s w 接头焊缝外观图2 9 a z 6 1 a 镁合金f s w 接头横剖面宏观形貌图2 9 a z 6 1 a 镁合金f s w 接头金相照片3 0 a z 6 1 a 镁合金f s w 焊接参数对接头性能的影响图3 1 a z 6 1 a 镁合金f s w 接头拉伸试样断裂位置照片3 2 慨1 a 镁合金f s w 接头拉伸试样断口3 2 a z 6 1 a 镁合金f s w 接头显微硬度分布3 3 a z 3 1 b a z 6 1 a 镁合金f s w 接头横截面宏观形貌图3 8 a z 3 1 b ，a z 6 1 a 镁合金f s w 接头金相照片3 9 a z 3 1 b a z 6 1 a 镁合金f s w 焊接参数对接头性能的影响4 0 a z 3 1 惝1 a 镁合金f s w 接头拉伸试样断裂位置照片4 1 a z 3 1 b a z 6 1 a 镁合金f s w 接头拉伸试样断口4 2 a z 3 1 b a z 6 1 a 镁合金f s w 接头显微硬度分布4 3 电子探针所拍热力影响区金相照片4 4 热力影响区电子探针成分分析4 4 镁合金搅拌摩擦焊接头缺陷4 6 硕士学位论文 附表索引 表2 1 搅拌摩擦焊焊机基本参数1 0 表2 2 实验材料化学成分1 0 表2 3 实验材料力学性能1 0 表3 1 摩擦头材料成分表1 4 表3 2 摩擦头形式尺寸1 5 表3 3 不同摩擦头形式f s w 接头质量 1 6 表4 1a z 3 1 b 镁合金f s w 焊接工艺参数及焊缝成形2 2 表4 2a z 3 1 b 镁合金f s w 接头抗拉强度2 4 表4 3a z 6 1 a 镁合金f s w 焊接工艺参数及焊缝成形2 8 表4 4j 蟠1 a 镁合金f s w 接头抗拉强度3 0 表5 1a z 3 1 b a z 6 1 a 镁合金f s w 焊接工艺参数及焊缝成形3 7 表5 2a z 3 1 b a z 6 1 a 镁合金f s w 接头抗拉强度4 0 表5 3 电子探针元素含量4 5 v 硕士学位论文 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：旅求红 日期：2 口口拜歹月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 黧襻 导师签名：飞7 l f 吣v 日期：矽绰 日期：臼窀年 箩月胗日 g 月i b 日 i 硕士学位论文 1 1 镁合金及其焊接性 第1 章绪论 镁合金被认为2 1 世纪最具开发和应用潜力的“绿色环保材料 ，越来越受 到人们的青睐，这主要是镁合金具有以下优点：1 ) 相对比强度( 强度与质量之比) 最高；2 ) 比刚度( 刚度与质量之比) 接近铝合金和钢，远高于工程塑料：3 ) 在 弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大一半，所以镁合 金具有良好的抗震减噪性能；4 ) 镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。 镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当，一般可达2 5 0 m p a ，最高可达6 0 0 多m p a 。 屈服强度，延伸率与铝合金也相差不大：5 ) 镁合金具有优良的切削加工性能有利 于零件的机械加工成型；6 ) 镁合金还个有良好的耐腐蚀性能，电磁屏蔽性能，防 辐射性能；7 ) 镁合金具有良好的可回收性，可做到1 0 0 回收再利用。随着市场 对镁产品需求应用领域的不断拓宽，从航空、航天、汽车零部件、钢铁脱硫、合 金压铸件、3 c 产品的广泛应用，到民用产品的不断研发，以及镁合金技术的进一 步研究，镁产品的发展愈来愈显现出它独特的不可替代的优点。我国既是镁的资 源大国( 约占世界总量的7 0 ) ，也是镁的生产大国，镁产量居世界第一。我国 已将镁合金应用与开发作为今后材料领域科技发展的重点i 。 1 1 1 镁合金的种类和应用 纯镁的强度低、塑性差使其在工业上的应用受到限制。如在镁中加入舢、z n 、 z r 和r e 等元素，可使镁合金强化，提高强度，在工业生产中得到了广泛应用。根 据加工方式的不同，镁合金主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。在我国变 形镁合金以“m b 表示，铸造镁合金以“z m 表示。铸造镁合金和变形镁合金 在成分、组织和性能上存在着很大的差异。虽然变形合金的强度较低，但具有较 好的耐蚀性能和焊接性能。可通过变形生产型材及铸件产品，并且可以通过材料 组织的控制和热处理获得比铸造镁合金材料更高的强度，更好的延展性，更多样 化的力学性能，从而可满足更多结构件的需要。变形镁合金一般是指m g a i z n m n ( a z 系列) ，包括a z 3 1 b 、a z 3 1 d 、a z 6 1 和a z 8 0 等。其中应用最广泛的是a z 3 1 ， 主要应用于航空航天、交通运输、3 c 产品及其它建筑工程领域。铸造镁合金比变 形镁合金的应用要广泛得多。镁合金的铸造方法有：金属型、砂型、高压铸造、低 压铸造和熔模铸造。其中高压铸造是批量生产成本最低的方法，目前9 0 以上的 汽车件都是通过高压铸造方法生产的。用于汽车零部件的镁合金一般都是压铸件， 其合金主要有四个系列：m g a i z n m n ( a z 系列) ，m g 舢m n ( a m 系列) ， m g a i s i ( a s 系列) ，m g a l 稀土( a e 系列) 。a z 系列具有均衡的力学性能、 一1 同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究 铸造性能和耐蚀性，其屈服强度最高。一般用于制造形状复杂的薄壁压铸件，典 型型号是a z 9 1 d 。a m 系列镁合金具有优良的韧性和塑性，用于经受冲击载荷， 安全性较高的场合，典型型号是a m 6 0 b 。a s 系列有较好的抗蠕变性能，常用于 工作温度较高的发动机零件，典型型号为a s 4 1 。a e 系列有比a s 系列更好的抗蠕 变性能，典型型号为a e 4 2 。 虽然目前铸造镁合金产品用量远远大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料 可获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结 构件的使用要求。因此，开发变形合金，是其未来更长远的发展趋势。 1 1 2 镁合金的焊接 镁合金作为一种新型高性能结构材料，在实际应用中不可避免地采用连接结 构，而焊接无疑是优先选择的连接方法之一。由于镁合金的熔点低，线膨胀系数 和导热率高，高温下与氧、氮的亲和力强，焊接过程中容易引起金属过烧，焊后 易形成夹杂和脆性相，易产生焊接变形和热裂纹，使焊接接头的力学性能下降。 常规的焊接方法易产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷，焊后焊接变形、残余应力大。 因此，焊接已成为制约镁合金件广泛应用的主要障碍之一。目前常用的焊接方法 主要有以下几种【z j ： ( 1 ) 惰性气体保钨极氩弧焊( t i g 焊) 是镁合金熔焊最常用的方法。t i g 焊 可以获得高质量的镁合金焊接接头。对最常见的a z 3 1 b 镁合金采用大电流、快速 焊、刚性固定等措施进行t i g 焊，接头强度可达母材的8 0 【3 4 1 。但t i g 焊单道 焊缝熔深较浅，熔敷率低，一般都用于镁合金薄板的焊接。对于焊接镁合金中厚 板，一般都要采用大功率的焊接电源或专门的工艺方法，如焊前预热、多层多道 焊、双面同时施焊等，但这些都导致了施工难度和焊接成本的提高和生产效率的 降低。另外，t i g 焊易产生气孔、夹钨等缺陷。 ( 2 ) 电子束焊( e b w ) 是一种高能密度的焊接工艺，具有熔深大、熔宽小、 变形小、不需保护气体和熔剂等一系列优点【5 1 。电子束焊接镁合金可以得到优质的 焊接接头，由于电子束能量密度高，因此热影响区很窄，焊接接头强度明显提高。 镁合金焊缝的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入量的减少而增加，所以 镁合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一 般要比氩弧焊焊缝高出1 1 5 倍。采用电子束焊接镁合金，焊后残余应力小，薄 板镁合金焊后几乎没有变形。同时由于电子束焊的穿透性能好，可以对镁合金厚 板进行焊接。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。镁合金电子束焊接时，由于其蒸气压较低，容易产生起弧现象， 易引起焊接过程中断。另外，镁合金表面的氧化膜( 主要成分是m g o ) ，容易 吸收水分，是镁合金焊缝中气孔的主要来源。m g o 密度与镁合金基体接近，容易 进入焊缝产生夹杂、气孔。同时电子束焊要求在真空环境下进行，而且电子束焊 2 硕士学位论文 枪结构复杂，设备投资和运行成本比电弧焊要高许多倍，对焊接接头装配要求严 格，焊接时容易激发x 射线，对环境产生危害。以上弱点限制了镁合金电子束焊 接的广泛应用。 ( 3 ) 激光焊( l b w ) 也是一种高能密度的焊接工艺，激光焊接技术热输入 量极少，加工速度较快，焊缝质量好，生产效率高。在焊接厚度较大的镁合金工 件时，传统的t i g 焊接方法根本不可能单道焊透，而采用激光深熔焊时形成大深 度的小孔，产生小孔效应，则可以实现一次焊透。国内外许多学者对镁合金的l b w 焊进行了研究。l k p a n 等人利用t a g u c h i 分析方法来优化镁合金a z 3 1b 薄板 n d y a g 激光焊接参数。通过焊缝强度来评估控制激光焊接的参数，包括保护气体、 激光能量、焊接速度、激光聚焦点、脉冲频率及脉冲形状等。认为脉冲形状和激 光能量对薄板镁合金激光焊接影响最大，接头最终强度约为母材的7 5 i 们。宋刚 等针对a z 3 1 b 变形镁合金，探讨焊接工艺参数对接头组织及性能的影响。认为激 光脉宽是影响焊接接头的主要工艺参数，通过控制激光脉宽可以获得高质量的镁 合金焊接接头，接头强度可达母材的9 5 【7 1 。激光焊接镁合金可以有效防止传统焊 接工艺产生的缺陷，焊接接头组织明显细化，焊缝力学性能显著提高，但也存在 着很大的局限性。激光器功率一般都比较小，镁合金表面对激光束的吸收率很低， 而且深熔焊时存在阈值问题，故在工艺上有一定难度。同时镁合金的电离能低， 激光焊接过程中易导致等离子体过热和扩散，使焊接稳定性差。另外，在激光焊 接的快速凝固过程中，镁合金容易产生激光焊接裂纹。激光焊接熔池深宽比大， 熔池中的气泡不易上浮逸出，容易产生气孔。液态镁合金的流动性较好，表面张 力低，焊接过程的不稳定造成焊接熔池剧烈震荡，易产生咬边、焊缝成形不连续； 严重时造成焊接过程中的小孔突然闭合而在焊缝中产生直径较大的工艺孔洞，或 小孔在闭合前由向外喷发的等离子体将液态金属吹出熔池形成喷射孔洞。 1 2 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ) 是由英国焊接研究所( t w i ) 于1 9 9 1 年 提出的一种新型焊接技术【8 9 】。自搅拌摩擦焊问世以来，引起了各国学者和研究 机构的广泛重视，成为了国内外的研究热点。搅拌摩擦焊接过程如图1 所示。搅 拌摩擦焊接为固相连接过程，在焊接过程中，工件要固定在刚性背垫上，摩擦头 高速旋转并将搅拌针挤入待焊工件的接缝处，直至摩擦头的轴肩与工件紧密接触。 搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌，随着搅拌针的钻入，肩部与被焊工件表面 接触，其旋转产生了辅助的摩擦热将焊针周围的金属转变成塑性状态，使接缝处 的材料产生了塑性流变，摩擦头一边高速旋转，一边沿工件的接缝与工件相对移 动。产生塑性流变的材料被挤压到摩擦头前进方向的尾部，防止了塑性状态材料 的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。随后，塑性金属流在挤压下重新 - 3 同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究 结合形成固相焊缝。搅拌摩擦焊非常适合有色金属的焊接，已经了实现对所有类 型的铝合金材料的焊接，而且还可以焊接目前熔焊“不能焊接”和“难焊”的一 些金属材料，对铝基复合材料、镁合金、铜合金、铅合金及锌合金是较好的焊接 方法；随着研究的深入，搅拌摩擦焊在铜合金、钛合金以及低碳钢的焊接上也取 得了进一步的发展。 2 l 一搅拌头2 一工件3 一焊缝 图1 1搅拌摩擦焊原理图 文献【1 0 】根据搅拌摩擦焊铝合金焊缝的特点及显微组织，将焊后组织大体分成 3 个区：焊缝区( w e l dn u g g e tz o n e ) 、热机影响区( t h e r m o - m e c h a n i c a l l ya f f e c t e d z o n e ，即t m a z ) 、热影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e ，即h a z ) ，如图1 2 所示。 图1 2 搅拌摩擦焊微观组织图 作为一种固相连接手段，搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接 的材料外，f s w 还具有以下优点： 1 ) 温度低，固相连接，接头不会产生诸如熔焊焊缝的凝固裂纹、气孔和氧化 等缺陷，可以获得较高质量的焊缝； 2 ) 接头机械性能好( 包括疲劳、拉伸、弯曲) ，不产生类似熔焊接头的铸造 组织缺陷，并且其组织由于塑性流动而细化； 3 ) 与其它焊接方法相比，焊接变形小，调整、返修频率低，某航空发动机采 硕士学位论文 用f s w 后成本降低了6 0 ； 4 ) 焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧 化膜及附着杂质。而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料； 5 ) 适应性好，效率高，焊接过程中无需填充材料、保护气体，不需要加工坡 口、成本低，具有高效、节能等诸多独特的优点； 5 ) 操作简单，可以进行全位置焊接，易于实现机械化和自动化； 7 ) 焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种环 保型“绿色焊接方法”。 同时搅拌摩擦焊也存在局限性，如被焊零件需要刚性固定；焊接末尾存在“匙 孔一；目前焊速不是很高而且只能用于平直工件和带有邻接和背衬的空心件；摩 擦头需要向被焊工件施加足够大的压力和向前的驱动力，从而限制了该技术在机 器人等柔性设备上的应用。 ， 1 3 国内外镁合金搅拌摩擦焊研究现状 搅拌摩擦焊技术拥有诸多独特的优点，对于轻合金材料( 如铝、铜、镁、锌 合金等) 的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟 的优越性。在f s w 技术问世的十几年里，在铝合金焊接机理、工艺规范、适用材 料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的发展【1 1 以5 1 ，但对镁合金的搅拌 摩擦焊研究要少得多。 1 3 1 同种镁合金搅拌摩擦焊的研究现状 在国外镁合金搅拌摩擦焊技术的研究工作主要集中在美国、日本等工业发达 国家。有关镁合金搅拌摩擦焊已有大量的研究报告。文献【1 6 】的作者用搅拌摩擦 焊方法焊接厚度为4m m 的a z 3 1 b h 2 4 镁合金薄板，并且用光学显微镜和扫描电 镜对显微组织和内部缺陷进行了分析。通过拉伸试验和硬度试验来测试其机械性 能。在搅拌摩擦焊过程中产生摩擦热量和塑性流变，结果在搅拌区产生细小的再 结晶组织，热机械影响区的晶粒是被拉长和发生回复的晶粒。在焊缝两侧的热影 响区由于晶粒结构与母材不同，所以仅仅通过测试硬度试验就可以鉴别。含有空 穴的焊接缺陷往往在搅拌区产生。此外，焊接速度对焊接接头的机械性能有很大 的影响。随着焊接速度的增加，空穴尺寸增大。焊缝的硬度比母材稍有降低，约 为母材硬度的6 5 7 5 。文献【1 7 】也对a z 3 1 镁合金薄板搅拌摩擦焊接头的组织和 机械性能进行了分析探讨，结果表明：a z 3 1 镁合金薄板搅拌摩擦焊接头塑性约为 母材的一半，但强度却与母材相当，这些结果与显微组织的性能是一致的。焊缝 的超强强度应该归功于均匀细小的动态再结晶晶粒。文献【1 8 1 中m a b b a s i 、 g h a r a c h e h 等研究了a z 3 1 镁合金搅拌摩擦焊中摩擦头转速。与焊接速度之比( ( ) v ) 对焊缝机械性能的影响，表明c o v 是一个重要参数，直接影响焊接接头成型、 5 同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究 机械性能、焊接质量等，另外随着v 的增加，轻微减小接头不同区域。 n a k a t a 等人对a z 3 1 、a z 6 1 、a z 9 1 这3 种a z 系镁合金板材的搅拌摩擦 工艺进行了研究，研究结果表明：对于a z 3 1 合金，摩擦头的旋转速度和焊接速 度在很大的变动范围内均可获得无缺陷的焊件；而对于a z 9 1 合金，最优工艺参 数的选择则非常严格；a z 6 1 合金介于两者之间【1 9 j 。这是因为在a z 系镁合金中， 随着舢含量的增加，材料的强度和硬度提高，塑性变形能力下降，因而通过搅拌 摩擦焊获得优质焊件的难度变大。 文献【2 0 】中日本大阪大学接合科学研究所的研究人员选用厚度为2m m 的 a z 9 1 d 镁合金薄板作为试验材料。通过试验探讨f s w 的结合性能，找出没有结 合缺陷的最佳条件，同时也对接头的组织、硬度以及接头强度进行了探讨。搅拌 摩擦焊的可焊性通过改变摩擦头的旋转速度和工件的行走速度对其进行了评估。 实验选用的摩擦头旋转速度为8 8 0 1 7 5 0r m i n ，试件移动速度为5 0 5 0 0m m m i n 。 实验表明：当工件行走速度为5 0m m m i n ，摩擦头旋转速度为1 2 4 0 1 7 5 0 r m i n 时得 到了性能良好的焊接接头。在接头中心部位的搅拌区是晶粒均匀、细小的动态再 结晶组织，没有母材的铸造组织，晶粒的平均尺寸为2 舡m 。旋转速度增加或者 结合速度降低时，结晶晶粒平均直径增加，搅拌区的硬度随着再结晶组织的平均 晶粒尺寸降低稍有升高。f s w 接头的横向拉伸试验在母材处断裂。搅拌区的拉伸 强度可达到3 3 0 3 6 0 m p a ，比母材强度的2 2 4 2 5 3 m p a 高很多。 r j o h n s o n 对3 种压铸镁合金a m 5 0 、a m 6 0 、a z 9 1 和锻造a z 3 1 镁合金 的搅拌摩擦焊工艺进行了研究，结果表明搅拌摩擦焊在以上几种材料上均可获得 优质焊件，但与铝合金相比，镁合金搅拌摩擦焊最优工艺参数的选择范围较窄 【2 1 _ 2 3 1 。镁合金搅拌摩擦焊的焊件质量对摩擦头的旋转速度和焊接速度非常敏感。 通常情况下，在低的旋转速度或高的焊接速度下，由于焊区材料温度偏低导致塑 性流动不充分，容易形成焊接缺陷；而当转速过高时，则可能导致焊区材料被挤 出，焊缝内部存在大孔洞甚至出现焊不牢现象。综上所述，镁合金搅拌摩擦焊的 最佳工艺参数随合金成分、样品状况( 尤其是板材厚度) 等不同而有所不同，需 要通过系统的实验来决定。 在国内，文献【2 4 ，2 5 】对镁合金搅拌摩擦焊的研究进展进行了大概说明。哈尔 滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室的张华等对a z 3 1 镁合金搅拌摩擦 焊进行了前面系统的研究【2 6 司o l ：1 ) 以a z 3 1 镁合金为母材进行搅拌摩擦焊，通过 金相和透射电镜分析焊核的形成机制及接头不同区域的显微组织特征：2 ) 建立 a z 3 1 镁合金搅拌摩擦焊的热力学模型和组织演变模型；3 ) 对a z 3 1 镁合金搅拌摩 擦焊接头进行力学性能试验，分析接头的断裂机制，拉伸、疲劳试验结果显示， a z 3 1 镁合金搅拌摩擦焊接头抗拉强度可达母材强度的9 2 9 ，断裂位置在前进面 的机械热影响区。 6 - 硕士学位论文 文献【3 1 】和【3 2 】的作者针对我国航天航空工业中常用的m b 8 镁合金，实验研究 了镁合金薄板的搅拌摩擦焊工艺，对焊缝的成形特点、接头组织特征及力学性能 进行了分析探讨。实验结果表明，m b 8 镁合金塑化连接的接头外观成形良好，内 部无气孔、裂纹，焊后焊件几乎无变形。塑化连接接头由焊核和热影响区组成， 焊核区是经历了动态再结晶的细小晶粒，热影响区的晶粒较粗大采用低的焊接 热输入( 焊接速度为3 0 0m m m i n ) ，接头性能可达到母材抗拉强度的7 6 ，断口 与受力方向呈4 5 0 ，呈明显的剪切型韧性断裂。而焊接速度为3 0m m m i n 时，拉伸 强度仅为母材强度的6 4 ，断口形貌为脆性正断。这是因为对m b 8 镁合金加热时， 晶粒极易长大，而晶粒愈大，对力学性能的不利影响愈显著。因此，镁合金搅拌 摩擦焊时，应采用小的热输入焊接。 柯黎明等人比较了搅拌摩擦焊与钨极氩弧焊两种方法对a z 8 1 a 镁合金焊件 的组织与性能的影响，研究结果表明搅拌摩擦焊的外观成形及可操作性优于熔化 焊，焊件基本没有变形【3 3 j 。文献【3 4 ，3 5 】中作者对m b 3 镁合金进行了搅拌摩擦焊 实验，分析了各工艺参数及摩擦头对焊缝质量的影响，得到性能优良的焊接接头 1 3 2 异种镁合金搅拌摩擦焊的研究现状 相对铝合金同种或异种间搅拌摩擦焊的研究，国内外对异种镁合金搅拌摩擦 焊研究更少。在文献【3 6 】中，a c s o m a s e k h a r a n y a n 研究了各种异质镁合金间及镁 合金与6 0 6 1 t 6 铝合金的搅拌摩擦焊微观组织结构，通过显微金相观察发现焊缝 至热影响区动态再结晶明显从母材、热影响区到焊核晶粒明显逐渐减小，各类 焊逢显微组织各不相同。异种镁合金在焊缝区均形成相似、等轴的微观组织结构。 在镁合金与6 0 6 1 t 6 铝合金的焊缝区却出现独特、相异的金属流动型态，一种薄 片状再结晶化合物富含于镁、铝两侧。在国内，文献【3 7 】对目前航空航天领域广泛 应用的2 0 2 4 t 4 a 1 铝合金及m b 2 镁合金，采用组织分析及力学性能测试的方法， 研究2 0 2 4 t 4 a 1 铝合金及m b 2 镁合金的最优搅拌摩擦焊焊接工艺，并在此基础上 对纯铝l 2 与m b 2 镁合金及2 0 2 4 t 4 a 1 与m b 2 异质合金的搅拌摩擦焊接性进行了 研究，结果表明：2 0 2 4 t 4 a 1 接头强度系数可达6 6 4 ，接头拉伸断裂一般发生在 热力影响区，接头断口形貌脆性断裂倾向明显，局部有轻微的塑性断裂特征， 2 0 2 4 t 铝合金热影响区的显微硬度与基体金属相比显著降低，焊核区和热力影响 区的硬度变化不明显；搅拌头转速为1 0 0 0 f m i n ，焊接速度为3 5 4 5 m m f m i n 是m b 2 和2 0 2 4 t 4 a 1 两种合金共同存在的优化工艺范围。在文献【3 8 】中，对3 m m 厚的 m b 3 镁合金与1 0 6 0 铝合金间的搅拌摩擦焊进行了研究，从接头金相形貌中可看到， 铝合金与镁合金的晶粒以河流状汇合的方式充分交织在一起，其排列具有明显的 梯度特征。接头附近存在大量脆性金属间化合物，导致接头性能显著下降。 7 同种及异种镁合金搅拌摩擦焊工艺研究 1 4 本课题的研究内容和意义 1 4 1 研究内容 7 本课题研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 针对本课题所选取的实验材料挤压态变形镁合金，选择适用于该镁合金 搅拌摩擦焊的摩擦头材料，通过实验对比优化搅拌针的几何形状和摩擦头轴肩形 貌，得到表面成型良好、无宏观缺陷的焊缝。分析摩擦头对焊缝成形及其横截面 宏观形貌的影响； ( 2 ) 选择不同的焊接参数( 旋转速度、焊接速度) 分别对a z 3 1 b 、a z 6 1 a 进行f s w 焊接，得到不同参数下不同质量的搅拌摩擦焊接头并对其进行显微组织、 力学性能分析，从中确定出最佳的焊接工艺参数。结合组织分析得出成形规律； ( 3 ) 在同种镁合金搅拌摩擦焊的工艺基础上，对a z 3 1 b 与a z