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硕十论文 镁合金熔化极气体保护焊焊接工艺与性能分析研究 摘要 本文针对4 m m 厚的变形镁合金a z 3 1 b 薄板进行了m i g 焊对接试验，试验采用单 丝脉冲m i g 堆焊分析了电流电压、脉冲频率、基值电流、峰值电流、焊接速度等工艺 参数对焊缝尺寸的影响，并选择合理的工艺参数组合进行了单丝脉冲m i g 焊对接试验， 得到了成形美观的焊缝，在不开坡口不留间隙的情况下实现了单面焊双面成形，在最佳 工艺条件下接头平均强度达到2 3 7 m p a ，为母材的9 3 。在此基础上，采用双丝协同脉 冲m i g 焊进行对接试验，与单丝脉冲m i g 相比，焊接平均电流增加9 0 时，焊接速度 提高1 4 3 ，焊接过程更稳定，焊接飞溅小，焊缝成形美观，背面熔透均匀，焊接变形 小，焊接质量得到了较为显著的提高，在最佳工艺条件下接头平均强度达到2 4 0 m p a ， 为母材的9 4 。对于4 m m 厚的a z 3 1 b 镁合金板的对接，采用单丝脉冲m i g 焊和双丝 脉冲m i g 焊的最佳焊接工艺分别为：单丝脉冲m i g 时，电流为1 6 0 a 、电压2 4 4 v 、焊 接速度为7 0 c m m i n ；双丝脉冲m i g 焊时，前丝1 5 9 a 、2 2 0 v ，后丝1 5 1 a 、2 3 6 v ，焊 接速度为17 0 c m m i n 。 试验表明，在一定的送丝速度条件下，焊接速度和焊接电流的可调范围比较窄，且 对焊缝的尺寸影响较大，焊接速度对焊接质量也有很大的影响、但对焊接过程的稳定性 影响不大，而焊接电流直接影响焊接过程的稳定性。脉冲频率、基值电流和峰值电流的 调节范围比较宽，在合理的范围内对焊缝尺寸和焊接过程的稳定性影响不大。 焊缝区以初生的伐( m g ) 为主，析出的y ( m g l 7 a 1 1 2 ) 相主要弥散分布于晶界，焊 缝区的硬度略高于母材，热影响区的显微硬度略低于母材。熔合线附近是焊接接头的薄 弱部分，焊接接头的断口形貌有明显的韧窝，呈现韧性断裂的特征。除了焊接参数以外， 接头的装配和对焊缝区的保护也很重要。 关键词：镁合金脉冲m i g 双丝焊接工艺力学性能显微组织 a b s t r a c t b u t tw e l d i n ge x p e r i m e n t so n4 m mw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yh a v eb e e nd o n eb ym i g 、) r e l d i n gp r o c e s si nt h i st h e s i s t h ee x p e r i m e n ta d o p t st h e m e t h o do fp u l s em i gw e l d i n gw i t h s i n g l ew i r et oa n a l y s eh o w t h ew e l d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sc u r r e n ta n dv o l t a g e 、行e q u e n c y 、 b a c k g r o u n dc u r r e n t 、p e a kc u r r e n ta n dw e l d i n gs p e e di n f l u e n c et h es i z eo fw e l d i n g s e a m e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eb yc h o o s i n gp r o p e rw e l d i n gp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o no np u l s e m i gw e l d i n gw i t hs i n g l ew i r e w e c a ng e tg o o ds h a p eo fw e l d i n gs e a m i nt h ec a s eo f c h o o s i n gs q u a r eg r o o v ea n dn o - g a pw e l d i n g ，w ec a l l g e to n e s i d ew e l d i n gw i t hb a c k f o n n a t i o n o nt h eb e s tt e c h n i c a lc o n d i t i o n ，t h ea v e r a g es t r e n g t ho ft h ej o i n tc a l l r e a c h 2 3 7 m p a , a n di ti s9 3 a sh a r da st h a t - o ft h eb a s em e t a l o nt l l eb a s i so ft h i s ，c o m p a r e dw i t h p u l s em i gw e l d i n gw i t hs i n g l ew i r e ，i fa d o p t i n gt a n d e mm i g w e l d i n ga n di n c r e a s i n g9 0 a v e r a g ec u r r e n t ，w e c a l lr a i s e1 4 3 w e l d i n gs p e e da n df u r t h e ri m p r o v et h eq u a l i t yo fw e l d i n g f o re x a m p l e ，w ec a ng e ts t a b l ew e l d i n gc u r r e n t ，l i t t l es p a t t e r , g o o dw e l d i n gs e a m ，a v e r a g e a r r a n g i n gr o o tp e n e t r a t i o n ，a n d s m a l l w e l d i n gd e f o r m a t i o n o nt h eo p t i m u mt e c h n i c a l c o n d i t i o n t h ea v e r a g es t r e n g t ho ft h ej o i n tc a nr e a c h2 4 0 m p a , a n d i ti s9 3 a sh a r da st h a to f t h eb a s em e t a l t bt l l e4 m mw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yb ym i gw e l d i n g ，t h eb e s tw e l d i n g t e c h n i q u e sa r et h ef o l l o w i n g ：w h e na d o p t i n gp u l s em i g w e l d i n gw i t hs i n g l ew i r e ，t h ec u r r e n t i s1 6 0 a ，t h ev o l t a g ei s2 4 4 v , a n dt h ew e l d i n gs p e e di s7 0 c m m i n ；w h e na d o p t i n gt a n d e mm i g w e l d i n g 。t h ec u r r e n to ft h ef i r s tw i r ei s 15 9 aa n dt h ev o l t a g ei s2 2 o v ，t h ec u r r e n to ft h e s e c o n dw i r ei s51aa n dt h ev o l t a g ei s2 3 6 v , a n dt h ew e l d i n gs p e e di s17 0 c m m i n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tw i t h i nc e r t a i nw i r ef e e dr a t e ，t h ea d j u s t i n gr a n g eo f w e l d i n gc u r r e n ta n dw e l d i n gs p e e di sv e r yn a r r o wa n di th a sag r e a te f f e c to nt h es i z eo f w e l d i n gs e a m t h ew e l d i n gc u r r e n th a sad i r e c te f f e c to n t h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s s ， b u tt h ew e l d i n gs p e e dh a sal i t t l ee f f e c to nt h ew e l d i n gp r o c e s sa n dh a s a l lo b v i o u se f f e c to n t h eq u a l i t yo fw e l d i n g t h er e g u l a t i n gr a n g eo f1 j r e q u e n c y 、b a c k g r o u n dc u r r e n ta n dp e a k c u r r e n ti sf a i r l yw i d ea n di tp r o d u c e sal i t t l ei m p a c to nt h es i z eo fw e l d i n gs e a ma n dt h e s t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gc o t l r s e i t i sm a i n l yp r i m a r ya ( m g ) p h a s ei nt h ew e l d i n gs e a ma r e aa n dt h ep r e c i p i t a t e d 丫 ( m g l7 a 11 2 ) p h a s e i sm a i n l yd i s t r i b u t e do v e rt h ec r y s t a lb o u n d a r y t h eh a r d n e s so fw e l d i n g s e 锄i sal i t t l eh i g h e rt h a nt h a to fb a s em e t a l ，a n dt h eh a r d n e s so fh a z i sal i t t l el o w e rt h a n t h a to fb a s em e t a l t h en e a ra r e ao fm e l t i n gl i n ei st h ew e a kp a r to fw e l d i n gj o i n t h e r ea r e o b v i o u sd i m p l e sw h i c hh a v et o u g hb r o k e nf e a t u r ei nt h ef r a c t u r eo fw e l d i n gj o i n i na d d i t i o n i i i a b s t r a c t硕十论文 t ow e l d i n gp a r a m e t e r s ，s m i l i n gt h ej o i n ta n dp r o t e c t i n gw e l d i n gs e a ma r e aa r ea l s ov e r y i m p o r t a n t k e yw o r d ：m a g n e s i u ma l l o y , p u l s e ，m i g , t a n d e m ，w e l d i n gt e c h n o l o g y , p r o p e r t y , m i c r o s t r u c t u r e i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：差杪ld 年6 日2 p 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 矽7p 年乡月2 ( 、日 硕士论文 镁合金熔化极气体保护焊焊接工艺与性能分析研究 1 绪论 1 1 镁及镁合金材料概述 镁为i i a 族碱土金属，+ 2 价，在室温的大气中呈银白色。镁合金具有高的比强度和 比刚度，尺寸稳定性高，减振性能、导热性能、铸造性能和可切削加工性能良好，是目 前工业上应用最轻的金属结构材料和特殊用途的功能材料。镁合金可以回收利用，对环 境友好，因此又誉为2 1 世纪的绿色工程金属结构材料。2 0 世纪末，由于人们对节能、 环保的共识和迫切需求，同时也由于镁的冶炼技术、表面保护技术的发展，世界各国， 特别是工业发达国家对镁的开发和应用给予了新的重视。首先是交通运输领域，在汽车 工业、船舶工业、摩托车工业、轨道交通工具和自行车等行业都有应用，特别是汽车工 业，由于镁具有质轻、减震等显著特点，对于减轻汽车质量、节由、减少c 0 2 排放可带 来很大效益，世界各大汽车公司纷纷采用镁合金铸件作为汽车零件。其次是用于所谓3 c ( c o m p u t e r s 、c o m m u n i c a t i o n s 、c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 产品，如计算机外壳、手机外壳、 电视机外壳和办公用品等。另外还在航空航天工业和国防军工等领域也有广泛的应用i lj 。 1 1 1 纯镁的特性 纯镁晶体结构为密排六方( h c p ) ，其塑性比面心立方( f e e ) 结构的铝及体心立方( b c c ) 结构的铁差。镁原子内自由电子状态为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，化学活性很强，极易与氧生成m g o 薄膜，m g o 不致密，很难阻止金属进一步的氧化，而且镁的标准电位在金属结构材料 中是最低的，因此极易造成材料的腐蚀。纯镁的主要物理和工程性能见表1 1 【2 3 1 。镁的 晶体结构和原子核外层的电子结构决定了镁及其合金具有特殊的物理化学性质和性能。 表1 1 镁、铝、铁的主要物理和t 程性能 1 绪论硕上论文 1 1 2镁合金的分类及牌号 1 1 2 1 镁合金的分类 纯镁的工程应用很少，主要以多元合金形式应用。镁合金的分类有多种不同的标准， 一般的依据是合金的化学成分、成形工艺和是否含锆等。镁合金是是以金属镁为基，通 过添加一些合金元素形成的合金系，按化学成分通常可分为二元、三元及多组元系合金。 而大多数镁合金含有不止一种合金元素，所以实际中为了分析问题的方便，也为了简化 和突出合金中最主要的合金元素，习惯上依据镁与其中的一个主要合金元素，将其划分 为二元合金系。按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组 织性能上存在很大差异。根据是否含锆，镁合金可划分为含锆和无锆两大类，目前应用 最多的是不含锆的m g a i 系列镁合金。 1 1 2 2 镁合金的牌号 镁合金牌号的标记方法有多种，如美国的a s t m 标准、英国的b s 标准、德国的 d i n 标准、日本的j i s 标准、法国的n f 标准以及俄罗斯的f o c t 标准，国际上目前尚 没有统一的规定，但倾向于采用美国的a s t m 标准。按a s t m 标准的标记规则，镁合 金名称由字母+ 数字+ 字母三部分组成，第一部分由两个代表主要合金元素的字母组成， 字母的顺序按在实际合金中含量的多少排列，含量高的化学元素在前，如果两种元素的 含量相同，则按英文字母的先后顺序排列。第二部分由代表两种主要合金元素在合金中 的含量的数字组成，表示该元素在合金中的名义成分，用质量分数表示，四舍五入到最 接近的整数。第三部分由指定的字母如a 、b 、c 和d 等组成，除“x ”表示合金是实验 性的以外，一般都表示合金发展的不同阶段。例如，a z 3 1 b 表示合金m g 3 a 1 1 z n ，该 合金的实际化学成分中含铝2 5 - - 3 5 、含锌0 6 - - 1 4 。该合金中a 代表铝，z 代 表锌，铝和锌的含量经四舍五入后分别是3 和1 ，b 为该合金发展的某个阶段标识代 号。 我国对变形镁合金牌号的标记方法也有相关的标准，2 0 0 3 年1 1 月，中华人民共和 国和国家质量监督检验检疫总局联合发布了国家推荐标准“g b 厂r5 1 5 3 2 0 0 3 变形镁及镁 合金牌号和化学成分”，2 0 0 4 年5 月1 日实施。该标准是对g b 厂r5 1 5 3 1 9 8 5 的修订，规 定了新的变形镁合金牌号命名规则，并依据规则对原标准的牌号进行了重新命名，新旧 牌号对照见表1 2 。同时根据国际发展趋势，增加了m 9 9 9 9 5 ，a z 3 1 b 、a z 6 1 a 、a z 6 3 b 、 a z 8 0 a 、a z 9 1 d 、m 1 c 、a z 3 1 t 、a z 3 1 s 、a z 6 1 s 、a z 8 0 s 、m 2 s 、z k 6 1 s 等1 3 个牌 号。该标准的命名规则与美国的a s t m 标准中的标记规则基本一致，牌号中第一部分字 母所代表的合金元素见表1 3 。 2 硕士论文镁合金熔化极气体保护焊焊接工艺与性能分析研究 表1 3 镁合金牌号中第一部分的字母所代表的合金元素 1 1 2 3 镁合金的状态及其代号 由于镁合金的性能不仅与化学成分有关，而且还与热处理和冷加工状态有关。对镁 合金铸件，铸态力学性能可通过固溶和时效的方式改善；对变形镁合金，既可单独的也 可以并用冷加工、退火、固溶和时效等方式束进一步调整其力学性能。所以有时为了能 更清楚地描述某种镁合金的特性，往往需要同时给出镁合金的牌号与其成形、加工或热 处理状态的标记符号。通常是在镁合金牌号后加一横杠接着标记状态，如a z 3 1 b o 表 示退火状态的a z 3 1 b 合金。状态代号由一个字母或一个字母加一位或多位数字组成， 字母是对镁合金状态的一般分类，后面的数字是对一般分类的细分，如第一位数字表示 获得该状态的基本工艺等。镁合金的状态代号所代表的性质见表1 4 。 3 1 绪论硕上论文 1 1 3 镁合金中主要合金元素的作用 由于纯镁的强度低，很少作为结构材料在工业上应用。和其它有色金属材料一样， 一个多世纪以来，材料科学工作者一起致力于采用合金化技术开发工业镁合金。经过适 当的合金化后，镁的强度可以得到显著的提高。合金中主要合元素的作用如下【2 j ： 铝：铝与镁形成有限固溶体，铝的熔点与镁相近，易于熔炼。由于铝的密度也较小， 因此加入铝后合金的密谋增加不大，而且单位重量的原子数多，强化效果好，所以铝是 镁合金最主要的合金元素之一。 锌：锌的熔点较低，具有与镁相同的晶体结构( h c p ) 。锌在镁中的固溶度为6 2 w t ， 除了固溶强化作用外，时效感化也是很有效的。锌加入m g - a 1 系合金中，使共晶变成分 离型。如含量超过1 z n ：3 a i 时，铸态合金中将出现m 9 3 a 1 2 z n 3 三元化合物。少量的锌 使固溶体强化，并略提高耐蚀性；但含量过高，则会扩大合金的结晶间隔，使铸造工艺 性变差。 锰：在m g a i z n 系合金中通常含有o 1 5 w t - - - 0 5 w t 的锰，锰与合金中的杂技铁 生成化合物，可使合金的耐蚀性得到提高。 钙：少量的钙能够改善镁合金的冶金质量，减少熔炼和热处理过程中的氧化。镁合 金中添加钙的目的主要有两点：一是在合金浇注前加入，可明显增加合金熔融状态下及 后续热处理过程中的抗氧化作用；二是细化m g - a i 合金显微组织，提高镁合金的蠕变抗 力，并可提高镁板的可轧制性。钙的添加量需控制在0 3 w t 以下，否则镁板在焊接过 程中容易开裂。此外，适量钙的加入还可以降低镁合金的微电池效应，有利于镁合金的 耐蚀性能的提高。 杂质元素：镁合金中常见的杂质元素有铁、硅、铜、镍等，这些元素会大大降低合 4 硕士论文镁合金熔化极气体保护焊焊接工艺与性能分析研究 金的耐蚀性，因此降伏特殊情况( 有时需加入铜、硅作为合金元素，例如适量的铜可改 善镁合金的高温强度) 外，一般镁合金中都要严格限制元素的含量。 1 1 4 镁合金的焊接性 在最佳的焊接条件下，大多数镁合金的接头效率可达6 0 - - 1 0 0 。在m g a 1 一z n 合 金中，1 0 以下的铝含量有助于细化晶粒从而改善焊接性，而大于1 的锌含量则增大 热脆性，可能收起焊缝开裂。锌含量高的镁合金很容易开裂，焊接性较差。含钍的镁合 金电弧焊时具有极好的焊接性。常见镁合金的电弧焊焊接性见表1 5 1 4 1 。 表1 5 常见镁合金的电弧焊焊接性 注：a = 极好，b = 好，c = 尚好，d = 有限 1 2 镁及镁合金的焊接研究现状 一般来说，常规的焊接方法都可以用于镁合金焊接。从目前研究的情况来看主要有 t i g 焊、等离子焊、搅拌摩擦焊、激光焊、电子束焊、m i g 焊和复合焊等方法。 1 2 1t i g 焊 t i g 焊是目前焊接镁合金最常用的方法【5 1 ，用t i g 焊焊接镁合金，接头变形小且热 影响区较窄，接头的力学性能和耐腐蚀性能都较高。由于镁合金易氧化的特点，焊接时 5 1 绪论 硕上论文 要使用交流电源，以利用阴极雾化作用去除氧化膜。 文献 6 1 1 】研究了镁合金的t i g 焊工艺。于思荣等采用t i g 焊对5 m m 厚的a z 3 1 b 挤压镁合金板材进行了焊接试验，焊接接头的最大强度达到2 4 8 6 m p a ，为母材的8 4 0 。 梁国俐，苑少强研究分析了a z 3 1 b 镁合金t i g 自动焊过程中焊接工艺参数对焊缝成形 的影响。研究发现，在一定的焊接条件下，采用短弧长时镁合金焊缝的表面成形和接头 质量较高。刘胜新等对比了纯氩、纯氦和氩氦混合气保护条件下a z 3 1 镁合金的可焊 性，研究表明在氩一氦按体积比各占5 0 的混合气体保护下t i g 焊接镁合金板材具有电 弧稳定、阴极清理作用明显、氧化膜易于破碎、保护效果良好等优点，获得的焊缝表面 光滑，镁合金板无变形等缺陷。张福全等探讨了氩弧焊工艺参数对镁合金焊接接头质量 的影响，焊接接头的最大强度达到了2 0 5 m p a ，为母材的8 0 。董长富等采用自动填丝 t i g 焊接工艺对2 5 m m 厚的a z 3 1 b 镁合金板材进行了焊接试验，与非填丝t i g 焊相比， 接头强度有了较大的提高。文章同时还指出，随着填丝t i g 焊接中焊丝含铝量的增加， 热影响区及焊缝区的丫( m g l 7 a l l 2 ) 相逐渐增多并有呈连续颁布的趋势，同时晶粒趋于 细小，拉伸结果表明采用a z 6 1 的镁合金焊丝接头强度最高。王红英等探讨了钨极氩弧 焊焊接工艺对镁合金a m 6 0 接头性能的影响，a m 6 0 镁合金t i g 焊接头力学性能在 1 5 0 a 1 6 0 a 时综合性能最好，采用不同材料作为填充金属时，与母材成分接近的接头 力学性能较好。最高强度达到母材的9 2 6 3 ，最大延伸率略高于母材。 文献 1 2 1 4 对焊接接头的性能进行了研究。张福全等研究了钨极氩弧焊工艺参数对 a m 6 0 镁合金薄板焊接接头质量的影响，当焊接电流为5 0 - 5 5 a 时，焊接接头强度可达 到母材的9 0 以上，拉伸断裂在热影响区，焊缝区的硬度接近于母材的硬度但高于热影 响区的硬度。焊缝区由细小的等轴晶组成，析出区主要在晶界连续分布，热影响区的晶 粒较粗大。王文先等对8 m m 厚的a z 3 1 b 镁合金板的t i g 焊接头进行了疲劳试验，在2 1 0 6 循环次数下，对接拼凑、纵向角接接头和非承载十字接头的疲劳强度分别为母材 的4 2 6 、3 4 8 和2 9 8 ，因此疲劳性能是影响镁合金在承受动载荷结构中应用的主要 因素之一。李晋永等对8 m m 厚a z 3 1 镁合金及其t i g 焊横向十字接头疲劳性能进行了 试验和分析，在2 1 0 6 的循环次数下，十字接头的疲劳强度达到母材的4 7 8 。 由于t i g 焊一般的规范都比较小，可焊的厚度有限，生产效应也不太高。为了提高 生产效应，实现对厚板镁合金的焊接，增加熔深，许多研究集中于活性t i g ( a t i g ) 方面。镁合金活性t i g 是施焊前在焊接区域涂活性剂( 如l i c i 、c a c l 2 、c d c l 2 、p b c l 2 、 c e c i 等) 的一种焊接方法。对活性剂增加熔深的机理目前还没有统一的观点，其中最 有代表性的主要有三种理论1 15 】：电弧收缩理论、阳极斑点理论和表面张力理论。 文献 1 6 一1 7 】研究了不同活性剂配方对t i g 焊的影响。徐杰等针对a z 3 1 镁合金研究 了在a t i g 焊中单一配方的活性剂和涂敷量对焊缝成形的影响，c d c l 2 增加焊缝深宽比 的效果相当明显，可使焊缝深宽比比常规的t i g 焊增加2 倍多，涂敷活性剂后焊缝的微 6 硕上论文镁合金熔化极气体保护焊焊接t 艺与性能分析研究 观组织与未涂敷的没有明显区别。张帆等进行了单侧涂敷活性剂和两侧涂敷活性剂焊接 镁合金的研究，分析了不同活性剂对焊缝及电弧的影响。结果表明，在单侧涂覆活性剂 和两侧涂敷活性剂试验中，z n c l 2 活性剂增加熔深的效果均优于t i 0 2 活性剂。这主要 是由于热稳定性差的氯化物通过改变电弧导电通道从而影响电弧的形态，使电弧发生明 显的偏移或收缩；热稳定性好的氧化物不能改变电弧的导电通道，对电弧的形态影响很 小。 1 2 2等离子焊 等离子焊接是6 0 年代迅速发展起来的一种重要的高能密度、高效、高质量的焊接 方法。其适应性广，并且与电子束焊接和激光焊接相比具有成本优势。 陈春辉1 1 8 1 对5 m m 厚的a z 3 1 镁合金板进行了等离子弧焊接工艺试验，焊接接头变 形小，热影响区狭小，硬度较母材略有下降，接头强度达到母材的8 9 。 沈勇【l9 】等对5 m m 厚的a z 3 1 b 镁合金板进行了变极性等离子弧焊接试验，并得到 了理想的焊接结果，接头强度达到母材的9 0 以上。 刘黎明等【2 0 j 采用变极性等离子弧焊实现了a z 3 1 b 变形镁合金板材的优良连接，焊 接结果表明：焊接接头没有明显的热影响区存在，接头成形好，焊缝组织均匀，晶粒细 小，接头没有发现区域偏析，接头硬度值高于母材。 廖志谦，王忠平【2 l j 对1 2 m m 厚t a 5 钛合金板材进行了等离子焊接工艺研究，采用 等离子小孔效应实现了对1 2 i i h n 厚t a 5 钛合金板材的单道焊双面成形。研究了等离子 焊接接头的组织和性能，研究表明：等离子焊接接头的强度与母材的相当，塑性、韧性 较母材的有所下降。 赵红凯等1 2 2 1 采用变极性等离子焊接方法对a z 3 1 b 镁合金进行焊接试验，成功实现 了8m i n 厚a z 3 1 b 镁合金板材变极性等离子加丝焊接。文章指出背面保护气流量是获 得焊缝良好成形的关键因素。 1 2 3搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊接f s w ( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ) 是英国焊接研究所推出的一项专利技术， 是一种新型固相塑性连接技术。在f s w 焊接过程中，金属不熔化，焊接时温度相对较 低，因而可以避免其他焊接方法所产生的焊接缺陷，可获得优良的焊接接头，对镁合金 的焊接具有独特的优势。同时f s w 焊接过程无飞溅，无烟尘，不需要添加焊丝和保护 气，是一种清洁的加工技术。其原理是用一种特殊方式的搅拌头插入工件待焊部位，通 过搅拌头高速旋转与工件间产生的摩擦热使焊缝金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压 力作用下从其前端向后端塑性流动，从而使焊件压焊在一起。搅拌摩擦焊接不需要特殊 的焊接电源，所需能量仅为传统焊接工艺的2 0 左右，也不需要填加焊接材料，因此是 一种节能、低耗的焊接方法。 7 1 绪论硕一t ：论文 邢丽等【2 3 1 利用搅拌摩擦焊接m b 8 镁合金，其焊接接头外观成形美观，内部无气孔、 裂纹，焊后焊件几乎无变形，接头性能可达到母材标称强度的7 6 ，断口呈剪切型的韧 性断裂。 张永红等1 2 4 1 对挤压态变形镁合金a z 31b 进行搅拌摩擦焊连接，接头强度可达母材 的9 2 4 。 张华等【2 5 】实现了对2 5 m m 厚的a z 31 镁合金薄板的搅拌摩擦焊接，接头外观优美、 表面光滑、没有裂纹、背部搅拌熔合充分，接头的强度达到母材的9 0 左右。 搅拌摩擦焊接镁合金也存在一定的缺点，如：其焊接速度低于熔化焊；焊接夹持要 求高；焊接末端形成一个搅拌头残留的孔洞，需要补焊或机械切割；搅拌头适应性能差； 工艺还不成熟等。 1 2 4 激光焊 激光焊l b w ( l a s e rb e a mw e l d i n g ) 是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效 精密焊接方法，是近十几年来发展起来的一项新技术，具有高能量密度、可聚焦、深穿 透、高效率、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视，并已应用于航空航天、 汽车制造、轻工电子等领域。 全亚杰等人1 2 6 】对a m 6 0 变形镁合金薄板进行c 0 2 激光焊，结果表明：在合适的工 艺参数下，能获得表面成型良好、变形小的接头。金相观察分析发现接头中热影响区不 明显，焊缝区组织致密，晶粒细小，但内部容易产生气孔、裂纹等微观缺陷。 王继锋等【2 7 】采用y a g 激光焊接a z 3 1 b 镁合金，研究焊接接头的微观组织，结果 表明：焊接接头没有明显的热影响区，焊缝狭窄，接头性能良好，焊缝为细小的等轴晶， 但靠近上表面存在大晶粒。 王红英，李志掣2 8 1 采用c 0 2 激光焊接系统对a z 6 1 镁合金材料进行焊接，发现a z 6 1 镁合金c 0 2 激光焊接接头成形良好，焊缝区域晶粒明显细化，热影响区域减小，焊接 接头区域的显微硬度和抗拉强度都高于母材，焊接接头具有良好的力学性能。 虽然激光焊接能够成功地应用在镁合金的焊接领域，但其难点在于：应用深熔焊接 时，激光功率必须达到一个特定的阀值，这就对激光器提出一定的要求，镁合金的电离 能低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩散，导致焊接稳定性差。同时由于激光器 功率一般都比较小，镁合金表面对激光束的吸收率很低，以及要达到深熔焊时存在阈值 问题，所以工艺上有一定难度。 1 2 5 电子束焊 电子束焊接( e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ) 在工业上的应用已经有4 0 年的历史了【2 9 1 。电 子束焊接是在真空条件下，利用会聚的高速电子流轰击工件焊缝处产生的热能，使被焊 接金属熔合的一种焊接方法。电子束能量的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、 8 硕士论文镁合合熔化极气体保护焊焊接t 艺与性能分析研究 快速、可控、保护效果好。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。电子束穿透性能优越，可对大厚度的镁合金工件进行焊接。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其他焊接方法的高很多。利用电子束焊接镁合金，焊后残余应力小， 对薄板镁合金焊后几乎没有变形。 由于镁合金具有大的热传导性，对于纯镁、a z 3 1 、a z 6 1 、a z 9 1 d 合金，随着含铝 量和热输入的增加，熔深变深。这是由于镁合金中铝溶入量的增加，使镁铝合金固液状 态的温度更低、范围更宽，合金的导热性也更低。在相同焊接热输入条件下，随着铝溶 入量的增加或镁溶解成分的减少，焊缝的表面变得光滑，波纹也变得有规则。在以上4 种 材料的快速熔化状态下，熔融的液态变得稳定，喷溅减少，熔融区的晶粒均由等轴晶粒 组成，没有明显的长柱状晶颗粒，这是由快速熔化和冷却引起的，且随焊接热输入的减 小晶粒细化。由于熔融区的晶粒细化，熔融区的硬度值几乎与母材相同【3 0 l 。 文献 3 1 】采用电子束焊焊接纯镁和a z 3 1 镁合金，结果表明，纯镁和a z 3 1 镁合金焊 缝表面无缺陷，未发现气孔和裂纹。纯镁的熔融区与热影响区界面模糊，晶界不明显， 熔融区晶粒比母材粗大；a z 3 1 镁合金的熔融区与热影响区的界面清晰可见，晶粒尺寸明 显不同，熔融区的等轴晶远比母材组织细小。纯镁和a z 3 1 镁合金熔融区的硬度与母材 的硬度值基本一致，在焊缝处硬度无明显变化。纯镁焊接接头的拉伸强度和冲击性能基 本和母材相当，并与焊接速度无关；a z 31 镁合金在焊接速度5 m m s 和5 8 3 m m s 时，接 头拉伸强度和冲击性能优良。 王世卿，刘方军【3 2 】发现镁合金焊接过程中同时对刚焊过的焊缝进行扫描是电子束焊 接获得优良焊缝的有效方法，采用电子束扫描焊接，可减少合金元素的烧损，细化组织， 使之变为细小的等轴晶，由于镁合金晶粒细化程度可明显提高强度，因此电子束扫描焊 接可以提高焊缝强度。 电子束焊接镁合金也存在一些典型的焊接缺陷，如焊缝成形不良，冷隔等。电子束 焊缝虽然比t i g 焊缝窄，但焊缝形状特别是焊根的余高与母材过度较陡峭，在要求精密 的装配条件下，是不允许的。 1 2 6m i g 焊 m i g 焊具有起弧容易、收弧方便以及效率高等特点，因此广泛应用于厚板及薄板 的焊接。m i g 焊是焊丝通过焊枪送进，并在电弧中燃烧的过程。焊丝具有承载焊接电流 及作为填充金属的作用。焊接电弧和焊接熔池由惰性气体来保护，惰性气体不与熔融金 属反应【3 3 1 。m i g 焊自1 9 4 8 年投入工业应用到现在已经有6 0 多年的历史了【3 4 1 。早在5 0 年代就有m i g 焊用于焊接镁合金的报导。文献 3 5 1 采用a z 6 1 a 镁合金焊丝焊接了 6 4 m m 、1 2 7 m m 和2 5 4 m m 的a z 3 1 板，三种厚度板材的接头强度分别达到了母材的 9 1 绪论硕上论文 8 1 8 、9 5 3 和9 7 7 。文章指出，m i g 焊采用喷射过渡或大颗粒过渡可以用于焊接镁 合金，1 6 m m 直径的a z 6 1 a 镁合金焊丝在纯氩气保护中的临界电流为2 0 0 2 2 0 a 。 文献【3 6 】采用短路过渡的形式焊接了0 6 4 - 4 8 m m 的薄板，o 态和h 2 4 态的镁合金 薄板的接头强度分别达到母材的8 4 9 0 和8 8 9 9 。 脉冲电弧焊是2 9 世纪6 0 年代由英国t w i 研究所j c n e e d h a m 发明的，当时要生 产反应灵敏的焊接电源非常昂贵。因此第一台脉冲电源部分地采用了正弦波来产生脉 冲，其脉冲频率也只能以固定的步进变化。直到2 0 世纪7 0 年代末发明了逆变电源，脉 冲m i g 焊才变得切实可行1 3 引。 文献【3 7 】采用脉冲过渡代替不稳定的大滴过渡，在较低电流下实现了稳定的焊接。 同时完善了镁合金焊丝的电流与送丝速度的关系图，如图1 1 。 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 送 丝1 4 0 0 逋 度i ； 0 0 英 寸1 0 0 0 分 二二8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 l 挥数耪 。l 0 0 4 0 r k l o e w o。飞 ：+ 磋 l 裟焉 。 - 孱鼢 i 0 0 6 3 t t l ( 1 6 m ) 缫瀚 7 i 。 ， 豢錾蔑 。 。， ! 譬彰薯譬t i 簟毒薯习 飘移过渡 舅 。蓦1| 舞誊 ：o # | 善爱囊 。： 缘 _ | ： ： ：j ：羚 。| ： 彭 ： 0 0 9 4 t t 二：。j ( 己“吧n ：0 ： 翁 i i 甏i 一徐 一。j ：喷射过渡瓤滚 ， 搿 孱 脉冲过渡：鬻 骞 ! i 矿 凝0 - 夕： 岁 膨渗 三： ， 厶d 硅赡u 儇 0 坛1 5 南 ( 3 已n 口焊丝粘附 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 焊接电流( ) 图1 1 镁合金焊丝的电流与送丝速度的关系 在m i g 焊接中，由于镁合金的沸点很低，加之蒸汽压力上升很快，所以在熔滴稍 有过热时就会产生爆炸，造成大量的飞溅，使得m i g 焊过程无法进行。m r e t h m e i e r 等人【3 8 】创造了一种受控的熔滴形式，利用可控的电流波形使熔滴既能过渡，又不过热。 波形的第一部分，使熔滴形成时以短路方式过渡，当此熔滴过渡后，继续产生一个小的 脉冲电流，使第二个熔滴柔和地进入熔池。电源波形的各部分均可进行调节。采用高速 1 0 硕士论文 镁合金熔化极气体保护焊焊接- t 艺与性能分析研究 摄影协助进行观察、调节，从而获得非常理想的熔滴过渡和焊缝成形。采用此种方法， 成功焊接了a z 3 1 镁合金的生产试件，焊接接头疲劳强度可达母材的7 5 。 f u j i em a s a t s u g u 纠3 9 1 采用直流脉冲m i g 焊接1 6 m m 厚的镁合金薄板，焊接速度 达到3 0 0 c m m i n ，对接接头强度达到2 5 0 m p a ，为母材的9 8 。 刘金华等【加j 研究了a z 3 1 b 镁合金m i g 焊接接头组织及性能，文章指出焊接时有飞 溅现象，焊缝成形不及t i g 均匀。热影响区晶内析出相弥散分布，焊缝区晶界析出相连 续分布。m i g 焊焊接接头的显微硬度比t i g 焊时要高，接头的力学性能比t i g 焊的好。 王翠【4 l j 采用m i g 焊进行了a z 3 1 b 镁合金的焊接试验，研究了m i g 焊焊接工艺参 数对焊缝成形、焊接接头组织性能的影响。在镁合金焊丝中添加了铝和钟，分析了铝和 铈对焊接接头组织和力学性能的影响。拉伸试样断裂于热影响区，强度达到母材的8 8 。 王鹏1 4 2 j 利用后中值波形控制脉冲m i g 焊和交流m i g 焊两种方法进行了a z 3 1 b 镁 合金的焊接试验，两种焊接方法的焊接接头的平均抗拉强度分别为母材的9 6 和9 7 ， 平均延伸率也分别达到母材的5 8 和7 8 。 1 2 7 复合焊 复合焊是指将两种或两种以上的焊接方法同时作用于焊接区域进行焊接的方法。高 明掣4 3 】进行了1 0 m m 厚m b 8 镁合金的激光一m i g 复合焊，其焊接速度比单独激光焊提高 了2 5 ，接头抗拉强度达到母材的8 7 2 ，远高于激光焊接接头。 文献 4 4 系统研究了激光功率、电弧电流和热源间距对1 0 m m 厚a z 3 1 镁合金激光 m i g 复合焊工艺稳定性和焊缝成形的影响规律。文章指出，复合焊接熔深决定于激光 功率，m i g 电弧电流显著影响焊缝宽度。激光m i g 焊能够消除单独激光焊焊缝中存在 的表面成形担缺陷，同时相对单独激光焊提高5 0 的焊接速度，相对单独m i g 焊增加 熔深近1 0 倍。 宋刚掣4 5 】采用激光t i g 复合焊对2 5 m m 厚的a z 3 1 b 镁合金薄板进行了焊接试验， 焊缝成形良好，熔深达t i g 单独焊接的2 倍、激光单独焊接的4 倍，焊接接头的抗拉强 度与母材强度相当。 郝新锋等【4 6 j 研究了镁合金的低功率激光氩弧复合热源冷填丝焊接工艺，实现了 2 5 m m 厚镁合会板材的单面焊双面成形，焊接速度达到1 2 0 c m m i n ，熔深为单独t i g 冷 填丝的两倍，抗拉强度达到母材的9 5 左右。 1 3 双丝m i g 焊研究现状 双丝m i g 焊具有焊接规范调节范围宽、焊接效率高、焊接飞溅小、接头变形小等 优点 4 7 1 。无论是在焊接速度还是在焊接质量上，双丝m i g 焊具有单丝m i g 焊无法比拟 的优点1 4 8 】。 1 绪论硕士论文 目前市场上的双丝焊机主要来自于国外奥地利的f r o n i u s 、德国的c l o o s e 、美国 的m i l l e r 、法国的s a f 和美国的林肯电气等公司f 4 刀。国内对双丝m i g 焊的开发与应用 也有很多的报导。 黄石生等【4 9 】在软开关电源的基础上，利用c a n 总线技术研制了协同控制的t a n d e m 型双丝焊装备。并应用所研制的双丝焊装备进行薄板双丝高速焊试验，表明电源协同控 制性能均满足双丝焊的要求，且焊接过程稳定、焊缝成形好、熔敷率高，显示了双丝高速 焊的优质高效化特点。 王克鸿等1 5 0 】针对铝合金双丝m i g 焊进行了熔池图像进行了研究，