（材料加工工程专业论文）mb3镁合金搅拌摩擦连接工艺及组织性能研究.pdf

西安建筑科技大学硕十学位论文 m b 3 镁合金搅拌摩擦连接工艺及组织性能研究 专业：材料加工工程 硕士生：刘军帅 指导教师：王快社副教授 摘要 随着工业技术的飞速发展，人们对汽车、飞机的性能要求越来越高，降低结 构重量成为提高其性能的重要措施。因此，轻型镁合金材料在此方面的应用需求 更为迫切。 本文采用搅拌摩擦连接的方法是一种新型固相塑化焊接方法，可阻有效地避 免氧化和蒸发，焊后冷却过程中不出现热裂纹，焊缝区晶粒得到细化，优化了接 头各项性能，同时焊接过程不需要填充金属，不产生火花、飞溅、烟雾、弧光等， 是一种高效、节能、优质、简单、无污染的焊接工艺。 利用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度等分析测试技术，对采用搅拌摩擦焊 接过的m b 3 镁合金接头组织进行微观分析，分析结果表明：m b 3 镁合金的焊接接头 经历了搅拌摩擦和扩散再结晶过程，焊缝区晶粒细化、组织致密，选择合理的工 艺可以完全避免焊接接头孔洞和焊缝表面沟槽的出现。焊接过程中加工硬化和再 结晶退火共同作用使得接头处显微硬度略有起伏，幅值接近于母材。 利用拉伸、弯曲等力学测试手段对搅拌摩擦连接的3 m m 厚m b 3 镁台金板进行 机械性能检验，检验结果为：在使用焊接合理工艺参数r = 1 5 0 0 r m i n ，u = 9 0 m m m i n ，r u = 1 6 7 ，f 一1 4 7 0 n 的情况下，拉伸试样7 0 以上断裂于母材，接 头正弯与背弯强度分别可以达到母材的9 0 2 和8 3 o 。 应用此技术成功的解决了汽车轻量化过程中镁合金材料的有效连接问题。同 时为镁合金的广泛使用提供了必要的技术支持。 关键词：搅拌摩擦连接同相塑化连接再结晶 晶粒细化 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d yo nt h es t r u c t u r a i p r o p e r t ie sa n dp r o c e s so f f r i c t i o ns t ir w e i d i n go fm b 3a li o y s s p e c i a l t y ： m a t e r i a ls p r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p r e s e n t e db y ：l i uj u n s h u a i d i r e c t e db y ： w a n gk u a i s h e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s tp r o g r e s s i n go ft h ei n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , p e o p l ec o n c e m e d a b o u tt h ec a p a b i l i t yo fa u t o m o b i l ea n d a e r o p l a n ev e r ym u c h r e d u c i n gf r a m ew e i g h t i st h em o s ti m p o r t a n tm e t h o dt oe n h a n c et h ec a p a b i l i t y ，s o ，t h ed e m a n do f a p p l y i n g l i g h t d u t ym a g n e s i u ma l l o yb e c o m e s e v e nm o r ea n di m m i n e n c e f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ( f s w ) u s e di no u r p a p e ri sal a t e m o d e ls o l i dp h a s ew e l d i n g m e t h o d ，w h i c hc a na v o i dt h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h eo t l l e rw e l d i n gm e t h o d s i t sa l q e f f i c i e n t ，e n e r g ys a v i n g ，s i m p l e a n d e n v i r o n m e n t f r i e n d l yt e c h n i q u e ，w h i c h c a r l e f f i c i e n t l ya v o i do x i d a t i o na n de v a p o r a t i o nw i m o u th e a tf l a wi nt h ec o o l i n gp r o c e s s a f t e rw e l d i n g f s wc a ng e t o p f i m i z e dv a r i o u sp e r f o r m a n c eo fj o i n tw i t h o u ta n y s p a r k l e 、s p l a s h 、s m o g o ra r c n of i l l i n gm e t a li sn e e d e di nt h e w e l d i n gp r o c e s s i nt h i s s e c t i o n ，w eu s em e t a l l o s c o p e ，s e ma n dm i c r o r i g i d i t yt ot e s tt h e m a g n e s i u ma l l o y ( m b 3 ) j o i n td u r i n gf r i c t i o ns t i rw e l d i n gp r o c e s s w ec a r ll e a r nf o r m t h et e s t i n gr e s u l tt h a tc r y s t a l l o i di sm i n u t e da n ds t r u c t u r ei s c o m p a c t e d i fp r o p e r t e c h n i q u ew a sa d o p t e d ，t h ea p p e a r a n c eo fs m a l lo p e n i n g sa n dg r o o v eo nt h ew e l d i n g s e a ms u r f a c ec a nb ea v o i d e d t h ec o e f r e c to fm a c h i n i n g w o r k h a r d e n i n ga n d r e c r y s t a la n n e a lm a k e st h em i c r oh a r d n e s sf l u c t u a n tal i t t l e a n dt h ea m p l i t u d ev a l u e i sc l o s et or a wm a t e r i a l w eu s em e c h a n i c s t e s t i n g m e t h o d1 i k es t r e t c ha n db e n dt ot e s tt h e3 m m m a g n e s i u ma l l o y ( m b 3 ) a f t e rf r i c t i o ns t i rw e l d i n g t h es t r e t c hs a m p l ec a ns h o wn o l e s st h a n7 0 o fr a wm a t e r i a l sp e r f o r m a n c ew h e nt h ec o n d i t i o ni ss u i t a b l e ：r 2 15 0 0 r m i n ，n2 9 0 m m m i n ，r 儿2 1 6 7a n df = 1 4 7 0 n c u r v ei n t e n s i t yo ft h ej o i n t r e a c h e s9 0 2 a n d8 3 o a to b v e r s ea n di n v e r s ec u r v e s e p a r a t e l y t h ee f f i c i e n tj o i np r o b l e mo f m a g n e s i u ma l l o yw a ss u c c e s s f u l l ys o l v e dv i at h i s t e c h n i q u e i td op r o v i d ean e c e s s a r yt e c h n i q u es u p p o r tf o rw i d e l yu s eo fm a g n e s i u m a l l o y k e yw o r d s ： f r i c t i o ns t i r w e l d i n g s o l i d p h a s ew e l d i n gr e c r y s t a l l i z a t i o n g r a i nr e f i n e m e n t 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。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 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：蜀豸7 ) r f 7日期：绵目 。 i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名舀釉卞导师签名：三悟钯日期：碑司 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章镁合金性质、种类及连接的必要性 1 1 镁合金的性质 镁合金是最轻的金属结构材料，其密度为1 7 5 1 8 5 9 c m 3 。比铝、锌、铁的 密度分别低3 6 、7 3 和7 8 左右，用于航空航天飞行器及汽车制造中可减轻 结构重量，用于高速运行的零件可减小惯性力。镁合金的强度和弹性模量比钢、 铝合金低，但它却具有高的比强度、l t n i j 度；在相同重量的构件中，采用镁合金 可使构件获得更高的刚度。镁合金有良好的阻尼性能，吸收冲击和振动的能力 高，适宜制造承受冲击载荷和振动的零部件；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。除了结构上的用途外，镁合金还有很多非结构上的应 用。由于镁及其合金具有高的负电性，可作为牺牲阳极材料，防止其他金属的腐 蚀，保护重要的金属构件不因受腐蚀而破坏；镁合金可用作电池及蓄电池材料， 镁可用作为铝、锌、铅和其它有色合金中的合金化元素。另外，镁还可以在镍合 金及铜合金的冶炼中作为除氧剂和脱硫剂，在钢铁工业中作脱硫剂和球墨铸铁的 球化剂，在铍、钛、和铀的冶炼中作还原剂 2 3 0 镁合金的化学性质活泼，在熔炼浇注时必须采用熔剂或惰性气体保护，以防 止合金液氧化燃烧。在铸造零件时，为防止合金的氧化燃烧，以及与造型材料及 造型材料中的水分相互作用，除严格控制造型材料中的水分外，还必须在造型材 料中加入适量的阻化剂，以阻止这种反应的发生。常用的阻化剂有氟化物、硫磺、 硼酸、烷基磺酸钠等。型芯材料中通常加入硫磺和硼酸。镁合金熔液不得与水接 触，否则将引起燃烧或爆炸。镁合金零件制品固溶热处理时也必须在保护气氛中 进行。如在炉中装入适量的硫铁矿或菱镁矿，或者直接通入二氧化碳或氩气川。 镁合金的耐蚀性能较低，尤其是镁合金铸件或铸锭中的氯化物熔剂夹杂可导 致镁合金制品的耐蚀性能大幅降低。为了提高镁合金的耐蚀性，国外已采用无熔 剂熔炼工艺，这是一种在惰性气体保护下的熔炼工艺。 影响镁合金耐蚀性的另重要因素是合金成分中的杂质含量，杂质中的铁、 镍、钻、铜对镁合金的耐蚀性影响最大。国外对镁合金多种杂质有严格的限制， 出现了一批高纯耐蚀镁合金，如美国的a z 9 1 e 。这些高纯镁合金的耐蚀性明显优 西安建筑科技大学硕士学位论文 于普通镁台金。 海水、盐水、镁矿石都为镁的生产提供了无数的来源，镁是包含动物和植物 在内的所有活的有机体中一种不可或缺的元素，植物中能够进行光合作用的绿色 物质一叶绿素就含有镁元素。镁属于常见元素，在地壳中含量极大，在金属中仅 次于铝、铁居于第三位。在我国镁资源非常丰富，镁矿藏量在世界上仅次于澳大 利亚，菱镁矿储量占世界的6 0 以上，矿石品位超过4 0 o 瞳1 。 1 2 镁合金的物理化学性能 镁的主要物理性能见表卜1 ，从表中可以看出，镁合金除比重较小外，还表现 为比热和热膨胀系数较大，超过铁一倍，比铝也高：但它的弹性模量是常用航空金 属材料中最小的。 表1 - 1 镁的主要物理性能数据 镁属于六方晶体结构，主滑移面为基面( 0 0 0 1 ) 面，滑移面上的三个密排方 向 了1 2 0 互1 l o j t 2 t o 与滑移面组成镁合金在室温下的三个滑移系。 虽然镁单晶在取向有利时伸长率可达1 0 0 ，但多晶镁的室温和低温塑性是较差 的，容易产生脆断。当温度提高到1 5 0 2 5 0 时滑移系增加，除基面外，棱柱 面( 1 0 10 ) 和棱锥面( 1 0 1 1 ) 也参与滑移，塑性增加，可顺利进行各种形式的 热加工变形。除滑移外，镁合金中的孪晶变形在其塑性变形中也占据重要地位。 镁合金的塑性变形依赖于滑移与孪生的协调动作，并最终受制于孪生幢3 。镁合 金另一特点是屈服强度低，压力加工制品的性能具有明显的方向性，通常其纵向 一2 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 屈服强度可比横向屈服强度高1 2 倍，实际生产中常采用交叉轧制以减小镁合金 板材的各向异性；通过调整合金成分也取得了一定效果。由于工业纯镁的晶粒粗 大，力学性能低，只有添加了合金元素的镁合金才可作为结构材料使用。 由于镁合金的熔点、熔解热都比较低，所以熔化镁合金时所需热量就少，总 的热量只需熔解钢的1 3 。 镁的化学性质活泼，在空气中容易氧化形成氧化膜( m g o ) 。这种氧化膜在高 温中可进行再结晶，氧化膜增厚并容易脱落，因而在焊接中也容易破碎。由于氧 化膜熔点较高，在镁合金液相与固相中均难以溶解，在焊接中这种氧化物对焊接 质量影响较大。特别是在高温情况下，若氧化反应放出的热量不能及时发散，则 很容易燃烧n 1 。 镁合金对不纯物具有明显的腐蚀敏感性，镁合金在潮湿的大气、淡水、海水 及大多数酸、盐溶液中容易腐蚀，另外，镁的氧化膜的比容小于基体，故疏松多 孔，远不如铝合金表面氧化膜坚实致密，无明显保护作用，故镁合金生产、加工、 储存期间，应采用适当的保护措施，如表面氧化处理、涂漆等。镁合金与其它金 属接触时，易造成接触腐蚀，为此，在接触面上需垫以浸油纸或浸石蜡的硬纸。 1 3 镁合金的种类及应用 由于纯镁的强度低、塑性差使其在工业上的应用受到限制。如镁中加入a l 、 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。 镁合金通常分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。镁合金常用合金元素系列表示合金系统，如 m g a 1 、m g m n 、m g z n 等二元合金，还有三元合金，如m g a 卜z n 、m g a 卜r e 等“。 镁及其合金在工业上的用途有：( 1 ) 冶金方面：镁可以与铝形成合金，镁作 为铝合金的合金元素，可以改善材料的强度和抗腐蚀性能；镁可被添加到压铸锌 合金中以改善其机械性能和尺寸稳定性；镁还可以用于生产球墨铸铁，用镁脱除 一部分硫和使石墨球化，从而使铸铁的韧性和强度大大提高；镁还被广泛的用于 钢的脱硫；在生产黄铜和青铜之类的铜合金以及镍合金时，镁是十分有用的脱氧 剂和“除气剂”。( 2 ) 在结构方面的应用：镁已被用于制造一些军事装备，例 如掩体支架、追击炮底座和导弹等：它还被用于制造飞机和陆地车辆的框架、壁 西安建筑科技火学硕士学位论文 板、地板、轮毂以及发动机的缸体、缸盖箱和活塞等零件；近年来，随着西欧、 日本及美国的一些大型汽车制造厂家推行的汽车轻量化进程的发展，镁合金板 材在汽车上的用量急剧增加，尤其是在汽车的面板用材方面，镁合金的优势是 些其它金属所无法替代的，一些厂家己在此方面进行了大量研究工作并在实际生 产中开始应用。( 3 ) 在电化学方面：镁被用来作为牺牲阳极材料；镁可以在润滑 油中作为中和剂：还可以对锅炉用水进行去氧和去氯”1 。 1 4 镁合金连接的必要性 镁合金由于具有高的比刚度、比强度、耐磨性而在航空航天及汽车制造业等 领域具有广泛的应用前景。选用轻金属( 镁、铝及其合金) 和塑料等轻质材料代 替钢铁材料应用于汽车制造，能有效减轻车重。从而减少能耗和所排放的尾气， 减少对环境的污染。1 。近年来，处于节能和环保的要求，各国尤其是发达国家对 汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的要求，迫使汽车制造商采用新材料、 新技术和新工艺生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代具有轻量化特征的 汽车。实现汽车轻量化的途径有两条，是优化汽车结构设计，二是选用轻质材 料。到目前为止，前者的研究潜力已大致到了尽头，而后者却大有潜力可挖口1 。 据文献 5 显示，汽车燃耗中有百分之六十与汽车重量有关，车重每减少 百千克，燃料就减少百分之五。此外，由于镁合金零件本身重量轻，使与之连接 零件负重载荷降低，导致这些零件的重量也相应减轻，由此在对其他更多的相邻 零件产生影响，这种关联效应使得整个汽车系统的重量减轻，从而大大减少了燃 料的消耗。镁合金还具有优良的吸振降噪能力。据文献 2 记载，以镁合金a z 9 1 d 为例，在3 5 m p a 应力水平下a z 9 1 d 的衰减系数为2 5 ，而铝合金a 3 8 0 只有1 ： 在i o o m p a 应力水平下a z 9 i d 衰减系数上升为5 3 ，而铝合金a 3 8 0 只达到4 。 由此可见，镁合金是一种非常理想的减振材料。由于镁合金具有良好的减振特性， 而被用于制造既要求质轻，又要求减震的零件和工具。例如，汽车变速箱、方向 盘、轮毂、离合器外壳以及汽车面板等零件。此外，镁合金还有散热性好、裂纹 倾向小、惯性低等许多独有的特性，镁合金的银色高贵典雅，质感细腻，能够赋 予汽车优良的使用性能和时代感。目前，世界汽车行业已把目光投向镁合金的应 用，用以减轻车重从而达到减少能耗、降低污染的环保要求。随着镁合金在汽车 上的大量应用，它们之间能否实现有效可靠连接将成为国内外研究的一个热点领 西安建筑科技大学硕士学位论文 域。美国的福特、通用、克莱斯勒三大汽车集团与美国政府能源部联合制定了 “p n g v ”计划，其目标是要生产出消费者可以承受的、每l o o k m 耗油3 l 的6 人载 客汽车，而且整个汽车还至少要有8 0 以上的零部件是可以回收的。在这个计 划里面，用镁合金制造汽车面板的研究及镁合金汽车面板之间如何实现有效结合 研究占有相当比重。德国教育部投资2 4 0 0 万马克，由阿仑工业大学、慕尼黑工 业大学、杜易颠堡大学、多特蒙德大学以及大众汽车公司等4 4 家单位展开了针 对汽车轻量化代号为“m a d i c a ”联合攻关项目阳3 。其中，轻质高强有色金属连接 的攻关对此计划的实施具有极其重要的影响。 我国已把汽车工业作为自己经济发展的支柱产业，而要提高我国汽车产品在 全世界的竞争力，及早实现汽车轻量化是关键，而汽车轻量化用镁合金实现高效 连接并制定出合理的连接工艺参数更是关键之关键，文献e 9 3 证明全世界镁合 金的产品中8 0 以上用于汽车工业。并预计我国汽车零部件用镁合金量将以每 年增长1 5 以上的速度发展，并将持续到2 0 1 0 年。目前，镁合金在电子、电脑 和通讯产品上应用也逐渐增多，镁合金大多是用来制造壳体，特别是笔记本型电 脑外壳用镁需求量直线上升，导致相关镁合金产品处于供不应求状态“。与汽车 轻量化进程中所面临的问题相同，镁合金在电脑壳体的应用方面同样遇到了可靠 连接问题。因此尽早实现镁合金的可靠连接成为镁合金在汽车工业以及电脑壳体 制造、【t 中大量应用的关键问题。而目前国内对此种材料先进、可靠连接方法的研 究还鲜有报道。近年来，科学工作者进行了大量试验研究，几乎所有的常规连接 方法都被尝试于镁合金之间的连接，但常规方法在连接此种合金时具有很多不可 避免的缺陷，由于镁合金的焊接性较差，传统的焊接方法多存在气孑l 、裂纹、界 面反应物等缺陷，不能满足对焊缝的高质量要求，有的甚至根本不能实现其有效 连接。 目前生产中常用的镁及镁合金连接方法主要有：气焊、电阻焊、电子束焊、 螺柱焊和等离子弧焊等。其中气焊法应用最早，也比较普遍；氩弧焊方法如手工 钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊也是现在应用最广泛的连接工艺。 ( 1 ) 镁合金的气焊 镁合金气焊是我国生产应用最早的焊接方法。气焊方法一般仅用于连接不太 重要的要求不高的镁合金薄板结构和铸造镁合金的补焊口1 。 镁合金气焊时所用的焊丝必须与母材成分相同。焊丝长度应尽可能延长，这 一5 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 样可减少换丝时间。焊丝的质量直接影响焊缝的质量，所以要求焊丝无气孔、夹 渣等缺陷。焊丝在焊接前必须清洁表面上的油脂和污物。气焊的熔剂以氟化物为 主，还可以加入氯化物。 镁合金气焊前一般需进行整体预热，温度控制在3 5 0 。c 4 0 0 。c 范围内。加 热时要保持缓慢升温，避免局部过热。对补焊不易产生裂纹的铸件也可采用局部 预热。 镁合金气焊时，要用中性火焰，其焰心距熔池表面应控制在3 衄5m m 左右， 不可与熔池接触。焊接位置以平焊为主，焊接过程不可中止，同时应避免焊接区 域过热。当铸件厚度过大时，缺陷较深，可采用多层堆焊，每道焊缝问必须清除 熔渣后再焊下一道焊缝。焊接过程可根据焊件厚度大小、坡口尺寸、缺陷面积大 小，焊丝焊炬可作适当的摆动，但送丝和摆动必须使焊丝端部和熔池置于中性火 焰保护之下，以防氧化。镁合金的气焊时，由于存在镁元素及其它合金元素的氧 化蒸发、焊缝夹杂、热裂纹、气孔等一系列缺陷，故而其接头力学性能较低，所 以气焊不能用来焊接重要的镁合金构件。 ( 2 ) 镁合金的电阻点焊和缝焊 由于镁合金的导热性、导电性接近于铝，所以镁合金的电阻点焊与铝合金电 阻点焊的过程和规范很相近，虽然如此，镁合金也有它不同的特点，点焊参数范 围也有差异u ，。 镁合金点焊时，需要先清理表面的氧化膜。清理之后应立即点焊，因为镁合 金易于氧化，点焊后的压痕上不能粘有电极铜，如有粘连应清理掉。在点焊不同 厚度的镁合金时厚板一侧应采用较大的电极，厚度较小的一侧电极应采用较小的 直径。对于导电率和电阻系数不同的镁合金点焊时，在热导率、点焊率较高的一 侧应采取小直径电极，反之则采用较大的电极直径，以调整点焊熔核能够在两板 之间产生。 对多层板点焊时，焊接电流及电极压力的规范参数要比两层板的参数略高 一些，尤其是电极压力必须增大，否则点焊不透，不能形成足够大的熔核尺寸， 在生产中常会产生较大的飞溅，影响焊接质量。 镁合金的薄件也可进行缝焊。缝焊时的焊接规范可以参考点焊时的焊接规 范，但焊接电流和滚轮电极上的压力应比点焊时的电极压力增加2 0 2 5 左 右。滚轮端面形状应是球面或圆弧形的。为测定焊点强度，一般用焊点的最小抗 西安建筑科技大学硕士学位论文 剪强度来评定焊接接头质量。 ( 3 ) 镁合金的氩弧焊 镁合金的氩弧焊是目前生产中最常用的焊接镁合金方法之一，采用氩弧焊焊 接镁合金比上述方法焊接的接头质量有很大的提高o “。在焊接过程中，由于镁的 沸点低( 1 1 0 09 c ) ，而氩弧焊焊接的电弧温度又较高( 一般在2 0 0 0 。c 以上) ，这很 容易引起镁的蒸发和氧化问题。镁的蒸发和氧化不仅改变了焊接气氛，而且也会 使焊缝的镁含量降低，影响焊接接头的组织和性能。为避免镁的蒸发和氧化，在 焊接过程中要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选用尽可能小的焊接热输入等，以降低焊缝化学成分的 不均匀性和镁的蒸发及氧化烧损。镁合金的氨弧焊虽然较上述焊接方法焊接镁合 金具有一定的质量优势，但却大大的增加了成本。 ( 4 ) 镁合金的电子束焊 镁及其合金进行电子束焊接与氩弧焊方法进行比较，实践证明，镁合金电子 束焊接只是在厚度上增大而已，焊前准备及焊后处理与氩弧焊工艺相同d 1 。 镁合金的大厚件进行电子束焊接时，焊前表面清理要干净，要切实在真空条 件下进行焊接。电子束焊接工艺规范必须严格控制，以防止焊缝及其根部产生过 热和气孔，尤其是对含锌的镁合金，在电子束真空里蒸气压较高，极易产生气孔。 ( 5 ) 镁合金的螺柱电弧焊 镁合金的螺柱在采取惰性气体保护下，采用电弧方法的螺柱焊取得了成功。 a z 3 i b 等合金进行螺柱电弧焊时，焊接成形良好，接头质量良好口1 。 镁合金的螺柱焊与普通钢的螺柱焊比较，从方法上大体是相同的，但在具体 的工艺上就要求严格得多，例如，焊接规范的适应性要窄，参数控制要严：气体 保护最好是氦气，而且要切实保护好。电源需要直流反按性，螺柱的焊枪应准确 控制送进，防止过大的飞溅和母材产生咬边缺陷。由于焊接过程中要使用昂贵的 氦气，因此镁合金螺柱焊成本较高。 综上所述，镁合金在熔焊时主要存在以下几种缺陷：氧化与蒸发、过热晶粒 粗大、裂纹倾向大、气孔、较大的热应力等。 a 氧化与蒸发 镁的熔点低( 6 5 1 ) ，加入合金元素后形成的镁合金熔点还要低一些。例如， z m g a l l 8 z n l n 铸造镁合金的熔点仅为4 4 5 。c 6 0 2 。c 。镁与氧的氧化作用更强，熔 西安建筑科技大学硕士学位论文 焊时，在焊接加热过程中强烈的被氧化， 它覆盖在熔池和坡口上，影响焊接成形。 焊缝金属塑性。 在表面形成熔点为2 5 0 0 。c 的氧化镁， 高温时还会生成m g ，n 。夹渣，严重影响 镁的氧化物“m g o ”为白色，密度为3 2 3 7 k g m 3 ，熔点2 5 0 09 c 以上；镁 的氢氧化物为无色，密度2 3 6k g m 3 ；m g s 毡白色，密度2 6 6k g m 3 ，熔点1 1 2 0 ；从上述几种镁的化合物性质看，其相对密度大于镁合金相对密度，在镁合金 液体中排不出去，容易阻碍焊接，且形成夹渣，严重影响焊缝质量。所以镁合金 熔焊时要加强保护，否则得不到优质接头。此外，镁合金的熔点约在6 5 1 左右， 如果焊接温度控制不当，容易产生燃烧和蒸发。 b 过热晶粒粗大 镁合金熔点低、导热快，焊接时需大功率加热，所以易导致热影响区过热， 组织、晶粒长大，粗大的晶粒会影响接头的机械性能，这是镁及其合金熔焊焊接 中的需要进一步解决的难点。3 。到目前为止，关于这一难点问题尚未见有好的解 决办法。 c 裂纹倾向大 从镁及镁合金的物理性质可知，镁的线膨胀系数大( 2 6 1 1 0 “1 ) ，约 为钢的2 倍，铝的1 5 倍。因此其在焊接过程中易变形，产生大的热应力，为热 裂纹的产生提供了条件。镁与一些合金元素如c u 、a l 、n i 等易形成低熔点共晶 体，在晶界形成偏析，增大了结晶温度范围，在应力作用下极易形成热裂纹，尤 其弧坑敏感性更大。3 。如m g n i 合金共晶温度为5 8 04 c ，低熔点液膜存在于晶界 使其脆性温度区加宽，增大了热裂纹的敏感性。 d 气孔 采用熔化焊焊接镁及镁合金时，焊缝产生气孔是一个主要问题，在加热条件 下，镁可以溶解大量的氢，随着温度的下降，其溶解度急剧减少，析出的氢气形 成气孔。1 。所以熔焊时要实行保护，防止焊区受空气污染。焊前的清理工作也影 响是否出现气孔。所以焊前要认真清理焊件。但这些措施只能适当减少气孔的产 生，而并不能完全消除气孔。 e 热应力问题 镁合金线膨胀系数大，故加热和焊接后的冷却过程中必然会引起很大的热应 力，在这种热应力的作用下，一方面易引起结构变形，另一方面也会加剧结晶裂 西安建筑科技大学硕士学位论文 纹的产生，影响到焊接结构的结构质量和使用性能。 鉴于镁合金熔焊存在诸多的问题，所以研究镁合金的新型、可靠连接技术及 工艺具有着重大的现实意义。 1 5 本课题研究主要内容及意义 本研究课题来源于陕西省科技计划项目“汽车轻量化用轻质高强材料连接新 技术新工艺的研究”。研究的主要内容：( 1 ) 搅拌摩擦连接镁合金可行性研究； ( 2 ) m b 3 镁合金板高效优质的搅拌摩擦连接工艺参数的优化及制定；( 3 ) m b 3 镁 合金板连接接头力学性能分析。 本研究成果主要是应用于汽车轻量化，应用后可大量增加镁合金等轻质高强 合金在汽车上的应用比例，从而减少汽车能耗、减轻污染、改善环境，并增强汽 车的抗震减噪性能，提高汽车的技术附加值，会给汽车行业带来很大的竞争优势。 同时该技术也可应用于航空航天、电子、机械等行业，将会取得巨大的经济效益 和显著的社会效益。 本章小结 1 、 镁合金由于具有高的比强度、比刚度、良好的吸振性等一系列优异的性能 而被广泛应用于航空、航天。 2 、 汽车轻量化进程将推进镁合金在汽车制造业更加广泛的应用。 3 、 镁合金熔焊焊接性能较差，存在一系列较难解决的缺陷。 4 、 研究镁合金新型可靠的连接技术及工艺已成为汽车轻量化进程中亟待解决 的问题。 西安建筑科技火学硕士学位论文 第二章试验原理及技术优势 2 1 摩擦连接原理及技术优势 摩擦连接是利用摩擦热使被连接件产生固相结合的连接方法。在传统摩擦连 接过程中，摩擦热量是由被紧紧压在一起的两个工件间的相对运动而产生的，随 后保持或增大所施加的压力并使焊接部位冷却到室温，从而实现两个工件之间的 连接。就是根据这种摩擦结合的理论，b e v i n g t o n 在1 8 9 1 年开发了一种摩擦成 型和摩擦连接的技术“。其连接设备如图2 一l 所示。 图2 一i 驱动摩擦连接设备示意图 这种连接方法的优势是：由于摩擦热在两工件间产生的软化的塑性流动区域 能够完全破坏工件表面氧化物，从而消除了工件在垂直焊缝方向的性能降低。焊 接终了时的压力也可将氧化物挤出焊缝区域，从而改善焊后性能。该连接方法完 全没有涉及工件任何部位的熔化，能够应用于不同材料的结合，而一般的熔化连 接技术是做不到的。摩擦连接的总体效果相当于挤压过程中出现的塑性流变，唯 一的区别是工件没有被整体加热，而只是焊缝和附近的区域被加热，从这个意义 j 二说，能量的输入只是在焊缝。 搅拌摩擦焊接( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g 简称f s w ) 是基于摩擦连接技术新 近开发的一种固相连接技术，最先由英国焊接研究所在1 9 9 1 年发明。臼本和美 国近年来在此方面也相继获得了多项专利“。搅拌摩擦连接最早是用于连接低熔 点合金或塑料，如英国焊接研究所早在1 9 9 5 年就完成了c u p b 的搅拌摩擦连接， 并很快就在铝加工制造业获得了重视，并已在多个工业领域得到应用，如航天飞 机的燃料箱、大尺寸的船壳、铁路车辆的镶板及制冷工业的空心挤压管等。英国 一“) 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 焊接研究所在】9 9 8 年已成功将该技术应用于连接铁合金和钢材。世界上第一台 大型搅拌摩擦焊机于1 9 9 6 年诞生于挪威的船舶铝业公司，用于连接快速渡船的 板。目前搅拌摩擦连接技术可以连接厚度1 6 3 0i m n ，最大尺寸为1 6 1 4 m 的 铝合金。英国焊接研究所、美国爱迪生焊接研究所等单位还计划进一步研究用这 种新技术新工艺来连接铁类合金以及多种材料“。搅拌摩擦连接的具体过程为： 连接时，两侧工件在紧密接触并被压紧后，特殊形状的焊针在电机的驱动下慢慢 旋入两待工件之间，并且逐渐加速，加速到一定程度开始沿焊缝方向以一定的速 度移动，起初焊针侧面与轴肩端面和焊件间发生摩擦产生摩擦热，随着速度的提 升，摩擦界面处温度也随之上升，当温度上升到一定程度时，摩擦界面处的金属呈 高温粘塑性状态，由于焊针与工件间的相对运动此粘塑性金属内部也产生相对运 动，其产热机制为摩擦产热和粘塑性金属层内的塑性变形产热相结合。在热激活 作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶。焊合区金属通过相互扩散与再结晶， 使两侧金属牢固的连接在一起，从而完成整个连接过程“”。 摩擦连接过程中，被焊材料通常不熔化，仍处于固相状态，焊合区为锻造组 织。与熔化连接相比，在连接接头的形成机理和性能方面，存在着显著区别。首先， 摩擦连接接头不产生与熔化和凝固冶金有关的一些连接缺陷和连接脆化现象，如 粗大的柱状晶、偏析、夹杂、裂纹和气孔等：第二，焊针轴向压力和侧面摩擦力共 同作用于摩擦焊件侧面及近缝区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致 密、夹杂物弥散分布，以及摩擦焊表面的“自清理”作用( 即可以破碎表面氧化膜 清除工件表面污物) 。第三，搅拌摩擦连接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明 显粗化。上述几方面均有利于获得与母材等强度的焊接接头。试验证明，在参数 选择合理的情况下连接接头的强度还可能超过母材的强度。这一特点决定了搅拌 摩擦连接具有良好的发展潜力。表2 1 为搅拌摩擦连接与熔化极气保焊连接火 箭燃料储箱比较优势。 表2 一l 搅拌摩擦焊与熔化极气保焊连接火箭燃料储箱比较优势 熔化极气保焊搅拌摩擦焊 每8 3 8 2 a m 氏的焊缝有一处缺陷 焊前放入酸洗槽酸洗 焊前根部装配问隙要求高 每7 6 2 0 c m 长的焊缝有一处缺陷 每年节省经费儿十万美元 焊前只用溶剂擦拭 焊前根部装配间隙要求低，节省了装配时间 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 续表2 1 ) 焊接接头抗拉强度、断裂韧性和屈服强度在室温和低 一 温下均提高3 0 - - 5 0 一质量可靠性高 成本降低 焊接后需要1 0 0 x 光和荧光检验 缺陷显著下降，所以采取周期性抽样检验 焊接时需要保护气体和填充焊丝 不需要 一 生产时间明显减少 焊接时释放有害烟雾气体 焊接时不施放有害烟雾气体 2 2 搅拌摩擦焊接的工作原理 搅拌摩擦连接是一种连续的焊接技术，尤其适用于连接板材。在连接过程中， 被连接的板料对接或搭接并固定在连接平台上，以防止沿接缝方向和与之垂直方 向的位移。焊接头( 又称搅拌头) 是一个插在对接焊缝中间的特殊形状的旋转工 具，该旋转搅拌头通过和工件摩擦使被连接工件加热，在其周围形成扁平的可塑 性金属。随着旋转工具沿焊缝的直线运动，可塑性金属被挤压到旋转焊头的尾部， 与此同时施加的锻造力将变形金属压实，其焊接原理示意图如图2 2 所示。目 前用这种方法所能连接的具体结构形式如图2 3 所示。 2 l 一搅拌头2 一工件3 一焊缝 2 2 搅拌摩擦连接原理图 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 3 目前f s w 能连接的具体结构形式 搅拌焊头实物如图2 4 所示，一个特殊形状的突出针( 焊针) 与圆柱形 凸肩( 轴肩) 工具一起构成搅拌头，在搅拌摩擦连接过程中，该焊针旋转并插入 两块对接板材之间的焊缝处，并使其相对于工件向前行走从而完成连接过程。 图2 4 搅拌焊头示意图 连接时，对接板材必须与垫板夹紧以防止对接接头面分开。焊针的长度应与 焊缝的深度相近。在旋转的焊针接触工件表面时快速摩擦产生的摩擦热使接触点 材料的温度升高，强度降低。焊针在外加载荷的作用下持续顶锻和挤压接缝两边 的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。实际连接接头装配及连接示意图见图 2 - 5 ，其中图2 5 ( a ) ( b ) 分别为连接开始和连接终了时的示意图。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 5 实际连接接头装配及连接过程不意图 当旋转轴肩和工件表面接触后，由于旋转轴肩和焊针产生的摩擦热在轴肩下 面和焊针周围会形成大量的塑化层。在工件相对焊针移动或焊针相对工件移动的 情况下，利用在焊针侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用，焊针的前表 面靠剧烈的剪切作用把塑化的材料磨碎并移送到焊针后表面。在搅拌头沿着焊缝 前进时，只是焊针前方的工件对接接头表面被摩擦加热至粘塑状态。同时，焊针 磨碎接缝表面，破碎工件表面氧化膜，并搅拌和重组焊针后方的已磨碎的连接材 料，焊针后方的材料冷却后就形成焊缝。由于搅拌摩擦连接过程中材料不熔化， 因此这种方法可以看作是一种利用小孔效应的连接方法“”。即在连接过程中，在 焊针每一瞬间停留点处，由于焊针已旋入工件，在焊针向前行走的下一瞬间焊针 原所在处形成- - d , 孑l ，小孔又在随后的连接过程中瞬间被填满( 最后形成的小 孔除外) 。图2 6 是连接结束后留下的小孔示意图，在此图中形成的焊缝可以看 作是焊缝中间的小7 l 从右侧向左侧连续行走瞬间形成又被瞬间填满而形成的。 图2 6 焊缝小孔效应示意图 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 。3 搅拌摩擦连接镁合金的技术优势 镁合金具有密度低、比强度、比刚度高等优点，被大量应用于航空航天及交 通工具。但镁合金熔点较低、导热系数大、比热容大、线膨胀系数大，在采用熔 化焊接时，易产生裂纹、气孔、变形大等焊接缺陷。同时，由于焊接温度较高， 焊缝处晶粒粗大，从而导致其接头性能降低，故镁合金多采用点焊和铆接的连接 方法，因而限制了镁合金的广泛应用。 由于搅拌摩擦连接是一种固相连接方法，其焊缝具有三个重要的冶金优点： 一是消除了熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹和结晶裂纹；二是没有焊缝金属蒸 发产生的合金元素的损失，不改变合金的成分；三是焊缝金属的晶粒结构比母材 更细小，焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度。另外，由于搅拌摩擦连接温 度低，连接后结构的变形量小，残余应力比熔化焊的残余应力小得多。搅拌 摩擦连接还具有设备简单、操作方便、能量利用效率高、易于实现自动化、不需 填充金属或保护气体、能全位置连接、适用于多种接头形式和不需特殊的连接技 能等一系列优点8 “。文献 3 6 3 7 表明，在连接铝合金时发现，搅拌摩擦连 接接头与氩弧焊接头相比，同一种铝合金的搅拌摩擦连接接头较氩弧焊接头的强 度高1 5 2 0 左右，伸长率高一倍，断裂韧度高3 0 ，接头区为细晶区，焊缝 中无气孔、裂纹等缺陷。因此，我们认为用搅拌摩擦连接镁合金板材也应具有象 连接铝合金一样的优势和优点。 本章小结 1 、基于摩擦连接的理论，搅拌摩擦连接技术已被开发出来并在有色金属的连 接方面得到重视。 2 、 搅拌摩擦连接较熔化焊接具有良好的比较优势，通常可避免熔焊时存在的 裂纹、气孔、夹杂等缺陷。 3 、 搅拌摩擦连接属固相连接，连接时依靠搅拌头的摩擦搅拌作用，破碎金属 表面氧化膜，破碎晶粒，焊合区通过塑性变形和再结晶形成焊缝。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第三章试验材料、设备、方法及问题讨论 本实验所用的材料m b 3 镁合金板是镁铝一锌系不可热处理强化的变形镁 合金。该合金在室温下工艺塑性差，而在高温时工艺塑性相对较好，合金的切削 加工性能良好、有应力腐蚀开裂倾向，该合金可在1 5 0 下长期工作和在2 0 0 。c 下短时工作。 3 1m b 3 镁合金的化学成分 m b 3 镁合金的化学成分如表3 一l 所示。 表3 - 1m b 3 镁合金的化学成分 37 470 3 0 o 6 00 8 1 4 余量0 0 5 0 0 0 50 1 00 0 50 0 1 0 3 0 3 2m b 3 镁合金的物理及化学性能 3 2 1 热性能 m b 3 镁合金的热导率如表3 - - 2 所示，m b 3 镁合金的线膨胀系数为a = 2 6 0 x1 0 “- 1 ( 2 0 i 0 0 。c ) ，其密度p = 1 7 9 9 c m 3 。 表3 2m b 3 镁合金的熟导率 o c2 51 0 02 0 03 0 04 0 0 叭w ( m c ) ) 8 3 。8 8 89 2 ，21 0 1 1 0 5 3 2 2 力学性能 m b 3 镁合金板力学性能如表3 - - 3 所示。 表3 3 她3 镁合金板力学性能 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 3 m b 3 镁合金材料的预处理 m b 3 镁合金板的搅拌摩擦连接的材料预处理方法较采用其他熔焊方法的材料 预处理方法简单方便，如一般采用熔焊焊接m b 3 镁合金时，需先用丙酮除工件表 面油污，然后对待焊接头进行酸洗和碱洗，并须用热水冲洗，对接头的清洁度要 求甚高。而采用搅拌摩擦连接m b 3 镁合金板时，对待连接接头的清理要求不是 很高，只需用刨床将两工件的接头端面刨平、用钢丝刷将工件待连接的表面刷干 净即可进行连接。与其它方法比较大大节省了劳动力和工作时间。本试验采用 j c 一2 5 型牛头刨床将工件端面刨平后用钢丝刷打磨1 2 分钟，即可进行连接。 3 4 实验参数及设备 试验焊材为m b 3 镁合金板，其规格为：( 长) 3 0 0 m i n x ( 宽) 5 0 m m x ( 高) 3 m m ； 搅拌头材料为：6 5 m n 钢；圆台形搅拌头和圆柱形搅拌头示意图如图3 一l 所示； 连接时搅拌头的旋转速度为3 7 5 r m i n 2 2 5 0 r m i n ；连接速度为2 0 m m m i n 3 7 5 m m m i n ：连接压力为9 8 0 2 7 4 4 n 左右。试验设备为改装后的j c s - 2 5 - 1 3 型 立式数控铣床。 3 5 实验步骤 ( b ) 3 - - 1 试验用搅拌头形状及各部尺寸示意图 在进行镁合金板的搅拌摩擦连接试验时，如图3 2 中a 所示，将待焊m b 3 镁合金板材按规定尺寸加工好后并进行拼接，接头形式采用对接接头