镁合金脉冲逆变弧焊工艺研究

1、目录摘要ii第一章：绪论11.1课题研究的目的及意义11.2国内外的研究发展现状21.2.1熔化极钨极氩弧焊21.2.2钨极氩弧焊31.2.3等离子弧焊41.2.4激光焊41.2.5电子束焊51.2.6激光-tig复合焊51.2.7搅拌摩擦焊61.2.8电阻点焊61.3镁合金的基本特性，焊接特点及应用71.3.1镁合金的基本特性及分类71.3.2镁合金的焊接特点101.3.3镁合金构件的应用111.4镁合金电弧焊接方法的改进及原理131.4.1活性tig焊131.4.2激光电弧复合焊151.4.3复合焊接方法的采用161.5课题的主要研究内容16第二章试验方法及实验过程182.1实验材料及设备

2、182.1.1实验材料182.1.2实验设备182.2焊接过程19第三章实验结果与分析213.1焊接温度场分析213.2焊接的组织特征分析233.3焊接接头强度分析253.4焊接工艺参数对焊接组织的影响263.5实验结论28第四章 实验总结29参考文献30致谢32附录33镁合金脉冲逆变弧焊工艺研究摘要镁合金由于具有较高的比强度、良好的铸造性能、优良的可回收性、无污染和资源丰富等一系列优点，在汽车、摩托车和航空航天工业等领域有着广泛的应用前景，成为节能减排、保护环境的首选材料。随着镁合金应用的日益增多，它的焊接性能也开始受到了人们的广泛关注和研究。钨极氩弧焊是典型的惰性气体保护焊，是最常用的镁合

3、金焊接方法。焊接时镁合金作为负极，利用其在母材表面上产生的阴极点破坏，蒸发去除母材表面上的氧化膜。由于交流法熔深大，电极消耗小，所以应用比较广泛。由于镁合金热膨胀系数大，易产生焊接裂纹，焊后变形等缺陷，需要采用夹具系统固定、坡口预处理、焊前焊后热处理等措施，以保证获得性能良好的焊接接头。随着科技的迅速发展，传统的的tig，已经不能满足工业对镁合金焊接质量的要求，因而需要加以改进。本文着重研究镁合金脉冲逆变电弧焊接方法。脉冲电弧焊接方法，使精确地控制焊接过程成为可能。关键词：镁合金,脉冲逆变,电弧焊 abstractbecause of magnesium alloys have a high

4、specific strength, good casting properties, good recyclability, non-polluting and resource-rich and a number of advantages,they have a broad application prospects in the field of automobile, motorcycle and aerospace industries, and become energy-savingemission reduction, environmental protection mat

5、erials of choice. with the growing number of application of magnesium alloy and its welding properties also began to receive widespread attention and study.gas tungsten arc welding is typical of an inert gas shielded arc welding, is the most common method of welding of magnesium alloys. welding of m

6、agnesium alloy as a cathode, with its negative pole on the surface of the base metal failure, evaporation and removal of oxide film on the surface of the base metal. because exchange method for penetration, small electrodes consumption, so the broader application. due to the thermal expansion coeffi

7、cient of magnesium alloys, welding cracks, defects such as welding deformation requires a clamp system, pretreatment of groove, welding and post weld heat treatment before such measures in order to guarantee good performance of welded joints. with the rapid development of science and technology, the

8、 traditional tig, can no longer meet industry requirements for magnesium alloy welding quality and needed to be improved. this article focuses on research on magnesium alloy pulse inverter welding method call. pulsed arc welding methods, makes it possible to precisely controlled welding process.keyw

9、ords: magnesium alloy, pulse inverter, arc welding40第一章：绪论1.1课题研究的目的及意义 随着机械制造、航空航天、汽车工业的发展以及石油化工、电信、原子能及空间技术等新型工业的崛起,镁及镁合金的需求量日益增加,成为国民经济发展的重要基础原材料之一,在国民经济中占有重要的地位,是当今材料科学研究的重点方向之一。由于受到能源节约以及环境保护的巨大推动，镁合金及其焊接技术的发展比任何时期都快，从焊接方法、焊接材料到焊接设备等方面都不断有新的突破，为镁合金焊接生产向优质、高效、低成本的方向发展提供了前所未有的良好条件，并大大促进了镁合金的产业化进程

10、。镁合金由于其自身的物理化学特点，导致其焊接有很大困难，不易获得满意的焊接质量。镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹；镁的沸点低，温度进一步升高后，其蒸气压比相同温度下的铝合金要高4-5倍，因而焊接时温度一旦过高，镁会气化，产生爆炸形成飞溅；镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，而容易形成夹杂；镁在接近熔化温度时，能与空气中的氮气发生强烈化合生成脆性的氮化物，显著降低接头力学性能；因此，实现镁合金优质焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅等缺陷。如何能够得到高效优质的焊接接头，成为许多科研人员的研究重点。近年来国内外学者已开展了镁合金连接方面的研究，但大多处于起步阶段，至今还没有一套

11、成熟的镁合金焊接工艺。而脉冲逆变电弧焊接（tig）作为一种先进的连接技术，具有速度快、线能量低、焊后变形小、接头强度高等优点，得到了人们极大的关注。镁合金有可能成为目前应用最广泛的合金,镁合金是理想的环保、节能材料,符合可持续发展的要求,被誉为21世纪绿色工程金属结构材料,并将成为21世纪重要的商用轻质材料。目前，所用的镁合金材料以铸造镁合金为主，由于镁合金的焊接性能差，实现可靠焊接的工艺难度大，因此镁合金结构件以及镁合金与其他材料结构件之间的焊接，成为制约镁合金应用的技术瓶颈和亟待解决的关键技术之一。随着对镁合金的进一步研究和在各个领域中更加广泛的应用,开展镁合金焊接技术的研究工作显得尤为重

12、要和迫切,提高镁合金的焊接性、获得优质焊接接头是进一步拓宽镁合金应用范围的重要条件。所以本课题研究的目的就是通过脉冲逆变tig焊的工艺试验来探索最适合镁合金的焊接方法。1.2国内外的研究发展现状 镁合金焊接方向，国内外的研究主要集中在钨极氩弧焊（tig 焊）、激光焊、电子束焊、激光-tig 复合焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊。由于镁合金具有熔点低， 导热率高，线膨胀系数高，表向张力小等特点，氩弧焊等传统的焊接技术在高技术制造领域所占的比重日趋减少。而激光焊接具有速度高，接头质量好等优点，得到了实际应用，但激光焊接设备投资和维护的本高，能量利用率低(尤其对铝、镁等具有高反射率的材料)，焊接时对被焊工件

13、的组对隙及位置精度要求很高，广泛应用受到了很大的限制。现将国内外这方面的研究工作综述如下：1.2.1熔化极钨极氩弧焊 镁合金的mig焊接方法具有以下特点：与tig焊相比，焊接速度快，生产率高，全自动焊速度高达1m/min 左右；由于以焊丝作电极，适宜的焊接规范较窄；由于熔融镁的表面张力小，电极丝前端的熔滴难以脱离且焊接电流过高时熔滴爆炸蒸发造成飞溅；由于电极丝软，送丝稳定性差，在焊接过程中要采用推拉方式的特殊送丝装置；市场上直径小于1.6mm 的焊丝很少有货，对于焊接厚度小于2mm的工件，难以找到适配焊丝。镁合金 焊时可以有三种熔滴过渡形式：短路过渡、脉冲喷射过渡和喷射过渡。焊接时出现哪种过渡

14、形式取决于多方面因素，包括焊丝的熔化速度、焊接电流、送丝速度以及焊丝直径等。其中，脉冲喷射过渡介于短路过渡和喷射过渡之间，需加脉冲电流才能实现。否则在特定的电流范围、送丝速度以及焊丝球形端面条件下得到的是粗滴过渡形式，电弧不稳定，易产生飞溅。脉冲喷射过渡所需线能量小于连续喷射过渡的，适用于中等厚度板材；短路过渡适用于薄板焊接；喷射厚度适用于厚板焊接。镁合金的mig电弧焊通常采用dcep电源，恒压源可用于短路过渡和大部分的喷射过渡；恒流源用于喷射过渡，有利于减少飞溅。而脉冲mig电弧焊必须采用特殊的脉冲电流恒压源。有研究表明，选用合适的焊接电源和热输入，镁合金接头的静载强度可以近似等于母材的强度

15、，去掉焊缝余高后，疲劳强度比母材的高75%。1.2.2钨极氩弧焊钨极氩弧焊是目前焊接镁合金最常用的焊接方法，它是在惰性气体的保护下，利用电弧热熔化母材和填充金属。直流电源焊接时要采用反极性接法，以便利用阴极雾化作用破坏、除去母材表面上的氧化膜，减少或避免焊缝中的氧化物夹杂。氩弧焊的热影响区尺寸及变形比较小，焊缝的力学性能和耐腐蚀性能也比较高。tig焊方法在有无填充金属的情况下都可以进行镁合金的焊接，由于电极与填充丝独立，能克服mig方法焊接规范范围窄的缺点，可以在较宽的工艺条件下进行稳定焊接，所以tig焊在镁合金的焊接方面比mig应用更广，特别适合于镁合金薄板的焊接。但是由于镁合金热膨胀系数大

16、，易产生焊接裂纹、焊后变形等缺陷，因此需要采用夹具固定、坡口处理、焊前焊后热处理等措施，以保证获得完整的焊接接头。研究发现，采用交流tig方法焊接az31b镁合金薄板后主要存在波浪变形、焊后错边、焊瘤、表面“麻点”现象和弧坑裂纹等缺陷，通过调整焊接顺序，采用大电流、快速焊和刚性固定等措施可以获得较好的焊接接头，接头强度可以达到母材的80以上。对于镁合金厚板的焊接，为了获得较大的熔深，很多研究都集中于活性钨极氩弧焊（a-tig）。这种方法是焊前在待焊材料表面涂敷单一活性剂tio2 或氯化物，然后施焊，可以使焊缝熔深比常规 焊增加2倍，接头的微观组织与未涂敷时没有明显区别，焊缝熔合良好，没有裂缝、

17、气孔、夹渣等缺陷。其原理是添加活性剂可提高电弧电压和电弧温度，而且在焊接方向上增加了电弧宽度，使得焊接过程中在增大热输入的同时伴随着热流的重新分布。镁合金tig 焊一般用交流焊机或电流强度连续可调的直流焊机，其选择主要取决于母材合金成分、板料厚度及反面有无垫板等。焊接薄板时，可采用交流或dcep 电源；焊接厚度大于4.8mm 的镁合金时，交流焊机因熔深较大而占优势。此外，采用交流焊时一般需叠加高频脉冲电流以便稳弧，但若采用方波交流电，则无需叠加高频电流，且可产生较强的阴极雾化作用。电极的选择主要取决于所用电源类型和焊接电流大小，一般来说，0.25mm6.35mm的纯钨极、锆钨极和钍钨极常被用于

18、tig 焊接。1.2.3等离子弧焊 等离子弧是一种受到约束的非自由电弧，也称压缩电弧，其温度和能量密度都显著高于普通电弧的，穿透力较强，适合于厚板与弧长要求较大的场合。采用等离子弧焊焊接镁合金时，可以在背面无垫板的情况下实现厚板对接的一次全焊透，且焊缝表面光滑，表现出良好的疲劳力学性能。有研究表明镁合金变极性等离子弧焊的可调焊接参数区间比较窄，且参数变化的影响较大。改变正负极性的时宽比，工件的阴极清理作用会发生变化，从而对接头的抗拉强度产生一定的影响。通过合理选择焊接参数，可以获得理想的焊接效果，接头强度达到母材的95%以上。1.2.4激光焊激光焊是利用高能量激光束作为热源的一种高效精密焊接方

19、法，具有高能量密度、高焊速、小变形、深穿透、高效率、高精度、强适应性等优点，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛应用。weisheit等人采用co2激光焊焊接镁合金，结果表明，采用激光焊可以焊接相同成分或不同成分的厚度为2.58mm的镁合金试样，对于铸造合金 az61、zw3和zc71可以得到较窄的焊缝、熔融区和热影响区。由于激光焊的光束能量密度大，焊接速度高，熔池金属冷却速度大，接头组织晶粒细化，且熔深较深，对接头强度的提高较为有利。激光焊焊接镁合金时，由于激光与母材的作用时间短，熔融金属凝固快，金属气体和吸入的其它气体（如氢、氧等）来不及逸出，易形成气孔、热裂纹、疏松等缺陷，深熔焊

20、时根部还可能出现空洞，降低了接头力学性能。宋刚等人14采用激光焊焊接az31 变形镁合金，结果表明，激光脉宽是影响焊接接头性能的主要因素，通过控制激光脉冲宽度可以获得高质量的镁合金焊接接头。激光焊缝连续、狭窄、变形小、背面熔透均匀，无裂纹、气孔等缺陷。对组织进行观察发现，母材为粗大的等轴晶；焊接接头组织致密，晶粒细小；焊缝由细小的等轴晶组成，是因为激光焊接冷却速度快使晶粒细化；热影响区没有晶粒长大现象，是因为在焊接过程中激光能量高度集中，镁合金导热系数高，致使焊接接头处的温度梯度很大限制了晶粒长大。母材、热影响区、焊缝的硬度变化不大，邻近熔合线处的硬度值略有上升。1.2.5电子束焊 电子束焊是

21、一种能量密度高、焊接效果好、适应范围广的焊接方法，在焊接过程中不受氧气等气体的影响, 在真空状态下热损失很小，加热速度快。文献15采用电子束焊焊接纯镁和az31镁合金，结果表明，纯镁和az31 镁合金焊缝的表面无缺陷，未发现气孔和裂纹，在不同的焊接速度下也未出现起弧现象。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；az31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az31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；az31镁合金在

22、焊接速度5mm/s和5.83mm/s 时，接头拉伸强度和冲击性能优良。munitz a等人16采用电子束焊焊接az91d镁合金时发现，热影响区很小, 焊缝表面光滑，没有缺陷，由于高的冷却速度，晶粒细化，焊缝和热影响区的强度提高，获得了高的延伸率。焊接时增加电流可以增大熔融区和热影响区的宽度。由于镁合金具有大的热传导性，对于纯镁、az31、az61、az91d合金, 随着含铝量和热输入量的增加，熔深变深。这是由于镁合金中铝熔入量的增加，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。在相同的焊接热输入量条件下，随着铝熔入量的增加或镁熔解成分的减少, 焊缝的表面变得光滑，波纹也变得有规

23、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，飞溅减少，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，且随焊接热输入量的减小晶粒细化。由于熔融区的晶粒细化，熔融区的硬度值几乎与母材相同17。1.2.6激光-tig复合焊 激光-电弧复合热源焊接是由英国的w.steen在20世纪70年代末提出的，它是将能量传输机制、物理性质截然不同的两种热源同时作用在一个加工位置。激光-电弧复合热源焊接可以增大焊接熔深、提高焊接速度、增大装配间隙，并可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善母材热作用和热影响区域的温度分布，从而改善焊缝及热影响区的冷却条件、组织转变

24、和应力状态18,19。利用混合热源焊接的方法焊接镁合金是相对较新的方法，在激光-tig 复合焊的方法中，tig焊的喷嘴安装在激光束的轴线上，喷嘴和激光束与焊接方向排在一起，前面是tig，这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定, 焊接速度也大大增加。文献20-22以az31b变形镁合金为研究对象，采用激光-tig复合焊对其进行焊接，结果表明激光-tig复合焊的焊接速度比tig的焊接速度快，激光-tig复合焊的熔深是tig焊熔深的2倍，是激光焊熔深的4倍。与单独的tig焊相比，特别是在焊接速度快、tig焊接电流低的情况下，激光 -tig复合焊的电弧的稳定性提高。激光-tig 复合焊的焊缝为明显的“

25、图钉型”形貌，上部分为tig电弧焊接成形，下部分为典型的激光焊接成形，其焊缝表面连续、平稳、深宽比大、热影响区窄、组织晶粒细小均匀、基本无下凹现象。采用激光-tig复合焊焊镁合金能在较宽的工艺参数范围内焊接，得到质量良好的焊缝和抗剪强度较高的焊接接头。1.2.7搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991 年发明的一种新型固态连接技术23。它是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。在焊接过程中不需要填充材料，焊前没有复杂的准备工作，焊接时不存在熔焊时的各种缺陷，

26、因而有利于镁合金的焊接24,25。 目前已实现了az61、az81a、az91d等镁合金的搅拌摩擦焊接。焊接镁合金时不会产生与熔化有关的缺陷，如气孔、裂纹等，相反，由于焊接过程中的快速机械搅拌作用，塑化连接的接头有动态再结晶的过程，焊缝宽度均匀，表面成形美观无任何缺陷。观察接头组织发现，在接头处产生了一个椭圆形的搅拌区域，该区域由具有高密度的混乱微小的再结晶颗粒组成；焊缝中心晶粒细小，且在靠近焊缝的上表面和下表面晶粒更加细小，这是因为在搅拌头的作用下，产生变形和摩擦热导致该部位金属在较低温度下发生动态再结晶过程，从而形成细小的等轴晶粒；热影响区晶粒较粗短，逐渐向等轴晶、微细晶粒转变。整个接头的

27、综合机械性能几乎与母材相同，接头抗拉强度达母材强度的90%左右，接头韧性与母材相比降低很少。1.2.8电阻点焊 电阻点焊是镁合金众多连接方法中具有较大潜力的一种，电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属环包围，与外界气体隔绝，防止空气中气体与熔核中的金属发生冶金反应，以保证熔核成分基本不变，从而实现在无保护气体条件下进行焊接。文献29-31对az31b镁合金的点焊进行了研究。结果表明，镁合金表面状态的不同对焊接质量的好坏有显著的影响。未经过表面处理的焊件由于表面氧化膜的存在使焊件与电极间的接触电阻增大或减小，产生裂纹或飞溅。为了获得良好的焊点，避免产生裂纹和飞溅等缺陷，必须对镁合金焊件进行焊前清理。由

28、于镁合金的电阻率较低，导热系数较大，金属在非常短的时间内被熔化，且冷却速度快, 分析az31b镁合金交流点焊中的焊接电流、电极压力及焊接时间等工艺参数对接头拉剪力的影响规律，确定的最佳工艺参数为焊接电流17000a、电极压力 2475n、焊接时间为10个周波、预压时间为20个周波，在这种条件下焊接接头的抗剪强度为1980n，可以得到质量较好的焊点和力学性能.近年来随着镁合金材料日益广泛的应用，作为镁合金材料成形方法之一的镁合金焊接技术也逐步成为人们关注的重点。镁合金焊接技术的今后研究方向应侧重于以下几个方面：镁合金熔焊工艺的基础性研究。镁合金在焊接过程容易产生焊缝脆性、气孔、裂纹以及热影响区晶

29、粒粗大等缺陷，因此针对这些方面的研究，如镁合金的焊接冶金、填充焊丝的选配、活性助焊剂的研制、焊接裂纹及变形的控制等，将成为今后研究的重点；深入开展镁合金搅拌摩擦焊工艺的研究，搅拌摩擦焊工艺具有工作温度低、成形性好、接头强度高等特点, 成为倍受关注的镁合金焊接方法之一, 具有广阔的发展前景；逐步开展激光-tig等镁合金复合焊接的研究，复合焊接可以克服单一焊接存在的缺陷，提高焊接效率，改善接头质量；镁合金与其它金属的连接技术，开展镁合金与钢、镁合金与铝合金等金属熔化焊接问题的研究，以适应工业发展的需要。 由于镁合金焊接技术研究刚刚起步，研究和开发新的镁合金焊接技术对我国利用丰富的镁资源和促进镁合金

30、的应用具有重大意义。1.3镁合金的基本特性，焊接特点及应用1.3.1镁合金的基本特性及分类纯镁为银白色，密度 1.74g/cm3，熔点 648.9，沸点 1090。密度低，常用结构材料中最轻的金属。20时密度 1.738g/cm3。晶体结构为密排六方结构。25时晶格常数为：a=0.3202nm，c=0.5199nm，c/a=1.6237。具有延展性，且有良好的热消散性，热导率为 156 w/(mk)。还原性较强，与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合。 纯镁中加入 al、zn、mn、zr 及稀土等元素，制成镁合金。与其他材料相比，镁

31、及镁合金具有很多的性能特点，例如： （1）比重小。纯镁的比重仅为 1.73g/cm3，约为铝的 2/3，铁的 1/4，接近于工程塑料的比重； （2）比强度和比刚度大。镁合金的比强度不仅高于某些高强钢，甚至还高于铝合金； （3）具有良好的机械加工性能以及优异的热成型性能； （4）铸造性能优良，铸造速率高且容易成型复杂的形状，在保持良好结构的条件下，镁制品壁厚可小于 0.16mm，这是塑胶制品在相同强度下无法达到的。至于铝也只能在 112115mm 范围内才可与镁相比； （5）具有良好的阻尼性能，能够承受较大的冲击、振动载荷； （6）具有很强的再生性，废旧镁合金铸件可再熔化，并作为 az91d、a

32、m50 或 am60 的二次材料进行铸造。由于压铸件的需求不断增长，可回收再用的能力是非常重要的。这种符合环保要求的特点，使得镁合金比许多塑胶材料更具吸引力。 此外，镁合金还具有抗疲劳、无毒、无磁性和较低的裂纹倾向等特点。镁合金的强化方式：（1）合金化强化，（2）时效沉淀强化，（3）晶粒细化，（4）热处理强化。镁合金按成型工艺来区分，镁合金有变形镁合金和压铸镁合金两类。目前压铸镁合金使用最多。但变形镁合金的组织缺陷要少，比压铸镁合金有着更好的延展性和强度系数。压铸镁合金：有az，am，as，ae四个系列，其典型代表有：az91，am60 ，as41，ae42等，其成分见表2-1。目前压铸镁合金

33、主要的应用领域是制造机件壳罩、汽车零件以及电气构件等等。表2-1 常用压铸镁合金的化学成分table1-1the chemical composition of the commonly used cast magnesium alloys合金alznmnre sicunifeaz91d8.3-9.70.35-1.00.15-0.50-0.010.030.0020.0005am60b5.5-6.50.220.24-0.6-0.010.010.0020.0005as41b3.5-5.00.120.35-0.7-0.5-1.50.020.0020.00035ae423.6-4.40.200.102

34、.0-3.0 -0.040.0010.0004变形镁合金：有mg-al, mg-zn ,mg-mn, mg-li四大系列，其典型代表有az31、zk60等，其成分见表1-2。其中的mg-li系列合金，由于其强韧性和塑性都很高，而且是目前最轻的合金，所以在航空航天领域和兵器工业领域非常有前途。镁合金中加入li以后，镁合金会从密排六方晶胞转变为立方晶胞，从而使镁合金的塑性加工性能得到改善。s.r.agnew等利用粘塑性模型模拟了li元素的加入对镁基体组织中变形织构的影响，认为li元素的加入促进了锥面的滑移，并用tem等手段研究了位错结构的变化。这一发现无疑是对已有的传统观点的一个极大的挑战，并且可

35、望通过添加合金元素的方法改善镁合金成形性能这方面的研究提供理论上的依据。2，3表2-2 常用变形镁合金的化学成分table1-2 the chemical composition of the commonly used wrought magnesium alloy合金alznmnzrlicufenisiaz31b2.5-3.50.6-1.40.2 - -0.100.0050.0050.10zk60a-4.8-6.2 -0.45 - - - - -m1a- -1.2-2.0 - -0.05 -0.010.10la141a1.0-1.4 -0.15 -13.0-15.00.005 -0.005

36、0.004本课题所要研究的az31镁合金是最受人们关注的变形镁合金，它的强塑性和耐蚀性俱佳，而且价格便宜，可以经轧制、锻造和挤压等成型工艺加工成各类棒、杆、型材和管材4。表1-3详细列出了az31镁合金板材的一些力学性能。表2-3 az31镁合金的力学性能fig1-3 the mechanical properties of magnesium alloy合金种类b/m pas/m pa/%hvaz312551301660 从上世纪九十年代开始，欧美、日、韩开始把镁合金用于汽车零件上。 镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势。在过去十年里，其年增长速度超过 15%。在欧洲，已经有

37、300 种不同的镁制部件用于组装汽车，每辆欧洲生产的汽车上平均使用 2.5kg 镁。目前，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和 安全部件上都有镁合金压铸产品的应用。 1.3.2镁合金的焊接特点镁合金的铸造和塑性变形等制造的零部件都离不开焊接,铸件缺陷的修补也离不开焊接。与铝合金相比,镁合金在焊接时更易形成疏松、热脆性较大的氧化膜及夹渣,其焊接工艺更为复杂。由于镁合金密度低,熔点低,热导率和电导率大,热膨胀系数大,化学活泼性很强,易氧化,且氧化物的熔点很高,使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难。主要问题如下: (1) 粗晶现象镁的熔点低,热导率高,焊接时

38、应采用大功率的焊接热源,因而焊缝及近缝区金属易产生过热、晶粒长大以及结晶偏析现象,从而降低了接头性能。 (2) 氧化与蒸发镁元素易和氧结合,在焊接过程中易形成氧化镁薄膜 ,mgo熔点高(2500 ) ,密度大(3. 2g/ cm3) ,易在焊缝中形成夹杂,降低了焊缝性能。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。镁的沸点不高(1100 ) ,在电弧高温下很易蒸发。 (3) 薄件的烧穿与塌陷因为镁的表面张力比铝小,焊接时很容易产生焊缝金属下塌。在焊接薄件时,由于镁合金的熔点较低,而氧化镁薄膜的熔点很高,两者不易熔合,焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高,熔池的颜色没

39、有显著变化,极易产生烧穿和塌陷现象。 (4) 热应力镁及镁合金热膨胀系数较大,约为钢的2倍,铝的1.2倍,所以在焊接过程中易引起较大的焊接应力变形和焊接裂纹。 (5) 热裂纹镁易与一些合金元素(cu、al、ni 等)形成低熔点共晶体(mg- cu共晶点为480 ,mg- al 共晶点为430 ,mg- ni 共晶点为508 ) ,所以脆性温度区间较宽,易形成热裂纹。 (6) 氢气孔焊镁时易产生氢气孔, 氢在镁中的溶解度也是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。镁及其合金在没有隔绝氧的条件下焊接时易燃烧,熔化焊时需用惰性气体或焊剂保护。由于焊接镁合金时要求用大功率的热源,

40、当接头处温度过高时,母材将产生“过烧”现象。因此,焊接镁合金时必须控制好接头温度。1.3.3镁合金构件的应用镁及镁合金与其它金属相比有很多突出的优点，例如，镁在所有结构金属中密度最小；镁的熔点较低且容易进行热成形，能耗也低；在用作结构件时，它具有质量轻、比强度高、减振和抗冲击性能好、易切削加工、不易老化的特点；它具有良好的导热性、无磁、电磁屏蔽能力强、在受到冲击和摩擦时不会产生火花、阳极氧化着色能力强的特点；镁的还原性强，可用于提取活性金属等。鉴于这些特点，镁及镁合金可以广泛的应用于汽车、通信、电子、电器、航空航天、国防及军事装备、交通、冶金等行业，被誉为“21世纪的绿色工程材料”7。 由于镁

41、及镁合金质量结构轻等诸多优点，使得镁在航空航天和军事上的应用更加广泛，因为它的减重效果比较好，用它可以设计制造飞行器机身和构件、火箭、导弹、卫星和探测器等。直升机的主传动系统使用镁合金后，水平旋翼系统功能得到有效提高。太空飞船和卫星部件使用镁合金后能适应太空运行的特殊环境，如短波电磁辐射、臭氧侵蚀、高能粒子冲击及空气动力学加热引起的温度极限。镁合金的密度小，应用于航空、航天领域中减重效果非常好。 航空航天领域要求镁合金力学性能和高温性能优异，抗蚀性好，比较适合的合金包括az91e、qe22、ze41、eq21、ez33、we43等，飞机的各种发动机箱体、传送箱和电源装置，直升机主要传送系统的零

42、部件、螺旋桨系统都可以采用ze41和qe22合金制造。镁合金在航空发动机中应用主要是压缩机尾部箱体和装有大量减速齿轮或辅助设备的大齿轮箱。 镁合金制造汽车零部件具有一系列优点，如：可以显著减轻车重、降低油耗、减少尾气排放量，提高零部件的集成度，降低零部件加工和装配成本，提高汽车设计的灵活性，采用高塑性的镁合金可以提高汽车抗振动及耐碰撞性能，改善汽车的刚度，提高废旧零部件的回收率，提高汽车的安全性和可操作性9。德国大众汽车公司是最早在轿车上大规模应用镁合金的汽车公司，各汽车公司也纷纷用镁合金生产轿车零部件10。美国伏特公司、通用公司和克莱斯勒三大汽车制造公司，用镁合金制造汽车壳体、转向柱架以及照

43、明夹持器等汽车零部件。目前，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金压铸产品的应用11，如下图所示。 镁合金零件带给汽车的好处是显而易见的。一是它的质量轻，其密度只有1.738，是铝的23,钢的14，换用镁合金就能减轻整车重量，也就间接减少了燃油消耗量。二是它的比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。三是它具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数，减震量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性12,15。镁合金虽

44、然有这些优点，但从成本上看它仍然偏高于铝合金。尽管如此，镁合金的应用前景仍然看好，福特汽车公司已开始用镁合金制造悬架零件和制动盘等16。 随着电子技术的发展，对电子器件用结构材料及零部件的性能的要求越来越高。电子器件越来越向轻、薄、小型化的发展方向发展，所以要求作为电子器件壳体的材料要具有密度小、强度和刚度高、抗冲击和减振性好、电磁屏蔽能力强、散热性能好、容易成形加工、表面美观、耐用、符合环保要求等特点15。例如，下图（a）和图（b）分别是宏基电脑的镁合金外壳和尼康d700的镁合金外壳。 图（a）宏基电脑 图（b）尼康d700相机随着社会的发展，传统的塑料和铝材已难以满足使用要求，镁及镁合金是

45、制造电子器件壳体的理想材料，在电子及家用电器产品上具有非常广阔的应用前景，采用镁及镁合金制备的电子器件壳体具有很多优点： (1)结构质量轻 用镁合金制造相机的顶盖、前盖、反光镜箱和机身，可以提高相机刚度、精度和耐久度，使相机质量变轻、结构变小，易于携带。 (2)散热性好 镁合金的热导率略低于铝合金和铜合金，远高于钛合金和钢材材料，并且比热容是常用合金中较低的，因此镁合金外壳具有散热快的显著优点，是制造笔记本电脑外壳的首选材料。 (3)电磁屏蔽能力强 手机、个人电脑在使用过程中会发出高频率的电磁波，对人体造成伤害。镁合金的电磁屏蔽性能非常优异，镁合金电子器件壳体不做任何处理便可以获得很好的屏蔽效

46、果。 镁合金除了作为结构材料在航空航天、汽车和家用电器方面有着广泛应用外，还有很多其他应用领域。镁早期在工业方面的应用是制造烟火。另外，镁燃烧发出的白光被用作摄影闪光灯。镁粉被广泛用于夜空摄影的焰火、各种礼花、军用信号弹、照明弹、燃烧弹等方面。在冶金行业中，镁是铁水预处理过程中使用的主要脱硫剂之一。在制备球墨铸铁时加入镁起到除硫并使石墨球化的作用，可以获得更高的压延性和强度。至今为止，镁的最大用途是添加到金属铝中，充当合金组元制造铝镁合金。铝镁合金既轻又硬、强度和抗蚀性能好，是制造飞机、火箭、快艇、车辆的重要材料。1.4镁合金电弧焊接方法的改进及原理1.4.1活性tig焊所谓“活性化tig 焊

47、”或“a-tig”焊，就是在被焊材料处，预先在工件表面均匀地涂上一层很薄的细粒状的活性化焊剂，然后进行tig焊的方法研究。结果表明：涂活性化焊剂后，在保证焊缝质量的基础上，焊缝熔深可以显著增加，而熔宽变化不大，同时使焊接过程简化，提高了焊接生产效率，大大降低了生产成本。可以预见：a-tig焊接工艺将为实现低应力无变形焊接提供一条很有价值的思路。 a-tig焊使焊缝熔深有显著增加，因此，在二十世纪六十年代中期，paton焊接研究所提出了“活性化tig 焊”的概念，开始是应用于金属钛的焊接，随后用于c-mn钢的焊接，近年来，a-tig焊在镁合金领域的研究更是热点。据资料介绍：在开i 形坡口，不使用

48、填充材料的情况下，单道焊c-mn钢的焊缝熔深可达12mm 。 前苏联在二十世纪九十年代就进入了a-tig焊技术的实用阶段，广泛应用于电力、化工和航天等重要工业领域，如：核反应堆、汽车轮毂、氧化钢瓶、汽车的压缩气体钢瓶和压力容器的制造等。在这些应用中，a-tig焊使生产效率有明显的提高，且焊缝金属性能没有显著的变化。而现在欧洲、美国、日本也正就此项技术开展深入而系统的研究。对于厚度不大于12mm 的钢板，利用a-tig焊焊接技术不需要填充金属，单道焊即可焊透，而普通tig 焊需要多道焊才可焊透；对于更厚钢板（25mm）, a-tig双面焊即可焊透。 marya m研究了单一氯化物活性剂对az21

49、镁合金焊接后熔深、熔宽、深宽比研究了单一氯化物活性剂对az21镁合金焊接后熔深、熔宽、深宽比和焊缝微观组织的影响，他发现涂敷活性剂可以增加电弧电压，cdcl2 增加熔深的效果最为明显，他认为主要是由于cd的第一电离能最高，所以增加熔深效果最明显。涂敷活性剂的焊缝组织比未涂敷活性剂的焊缝组织稍粗大些。张兆栋等人对az31b 镁合金进行了活性tig焊，他们选取tio2作为活性剂，研究了单一活性剂tio2对镁合金焊后组织的影响。实验结果表明，涂敷活性剂可以使焊缝熔深比常规tig焊增加2倍，微观组织与未涂敷焊剂的接头没有区别，ti 元素只分布在焊缝上表面附近，呈弥散分布状态。张兆栋等人还对az31镁合

50、金的活性tig焊做了更深入的工作，他们在不同的电流条件下，研究了9种常见氧化物、氟化物、氯化物活性剂在镁合金交流氩弧焊及变极性等离子焊弧中的行为。结果表明：活性剂tio2 、cr 2 o3 、alf3、nicl 2 、cdcl2 、zncl2 、mgcl2 使镁合金交流氩弧焊焊缝熔深增加；mgf 2 、sio2使镁合金交流氩弧焊焊缝熔深减小；tio2 、sio2 、cr 2 o3 、alf3 、nicl 2、cdcl2 使镁合金变极性等离子弧焊焊缝熔深增加；mgf 2 、zncl2 、mgcl2 使镁合金变极性等离子弧焊焊缝熔深减小；活性剂对镁合金交流氩弧焊焊缝熔深增加的作用大于对镁合金变极性

51、等离子弧焊的。图1.2为他们所拍摄的活性剂对焊缝熔深变化的照片。 图1. 2 不同焊接条件下活性剂对焊缝熔深的影响 (a)80a tig weld ；(b)120a tig weld；(c)40a vppa weld ；(d)80a vppa weld通过以上分析可以看出，发达国家中a-tig焊接技术己经得到了广泛的工应用，而在我国对a-tig焊的研究才刚刚起步，但此研究也已引起焊接工作者重视。但在a-tig焊接研究中活性化焊剂成分对tig 焊熔深方面的机理解释还是显得不够深入和系统，因此今后的研究趋势将以建立活性化焊剂成分对焊缝成形和熔深的定量影响机理为核心，针对不同的被焊材料制定相应的焊接

52、工艺和操作规程，最终开发出此项技术应用的知识库。其主要内容包括：生产一应用情况安全性、力学性能和冶金性能、抗腐蚀性、熔深再验性、以及母材成分变化影响等诸方面以及由统一的机理解释其活性化焊剂对焊接熔池熔深的影响作用。1.4.2激光电弧复合焊 激光电弧复合焊主要是激光与tig电弧、mig电弧及等离子体。目前该工艺在德国和日本等发达国家研究比较多，并在汽车用铝合金业中已有一定的应用，如大众汽车公司的 phaeton前门上就有48处激光mig焊道，而且还可以用来焊接车体及轮轴。不过国内在该工艺的研究和应用上基本还是很少。用激光和电弧复合焊接方法来焊接镁合金时，激光与电弧的相互影响，可以克服单用激光或电

53、弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应。能显著提高焊接效率，这主要基于两种效应：一方面是高的能量密度导致了高的焊接速度；另一方面是两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应。刘黎明等人对az31b镁合金进行了钨极氩弧焊，激光焊，复合焊，每组实验的试样相同。他们对实验结果进行了对比：氩弧焊的焊缝是最宽的，激光焊的焊缝最窄。复合焊的熔深是钨极氩弧焊的两倍，激光焊的四倍。在复合焊过程中，其稳定性明显高于钨极氩弧焊，特别是在高的焊接速度和低的电流情况下。激光焊焊缝的晶粒是最小的，钨极氩弧焊的焊缝晶粒是最大的。复合焊的工艺参数选择，比激光焊要复杂，因为复合焊牵涉的参数更多。宋刚等对az31b 镁合金进行了

54、复合焊，得到了预期效果，接头性能优良。焊接参数有焊接电流、激光频率、激光脉宽、焊接速度、离焦量、激光钨极间距。他们发现：激光频率对表面成形影响最大，其次是tig焊电流；tig焊电流对熔深影响最大，其次是激光钨极间距。如果没有保护气对激光保护，焊缝中可能会有比较多的气孔，这是由于空气中氧和氮进入的结果。刘黎明等对az31b镁合金复合焊气孔出现的原因和解决方案。他们发现：气孔中的氧和氮含量分别占24.8% 和9.4%。主要是由于没有气体对激光进行保护，他们设计了两种保护方案：与激光束同轴的气体保护法，侧面气体保护法。第二种方法的保护效果较好，气孔的数量大大减少，第一种方法中保护气会扰动激光束，效果

55、不是很好。1.4.3复合焊接方法的采用由于镁合金本身所固有的物理、化学特性及焊接方法本身的局限性，使得镁合金的焊接过程经常有缺陷出现，如果将两种焊接方法结合到一起,取长补短形成复合热源对镁合金进行焊接，则可以得到非常满意的效果。宋刚等人就激光-氩弧复合热源焊接变形镁合金az31b进行了研究。发现，氩弧焊的焊缝表面成形较好，但接头深宽比小、热影响区宽且组织晶粒粗大，试样的抗拉强度较低；激光焊接头深宽比大、几乎不存在热影响区、组织晶粒细小、基本无焊接变形，试样的抗拉强度较高；激光-氩弧复合热源焊接技术焊缝的表面成形接近氩弧焊，其深宽比及组织晶粒度接近于激光焊，且焊接变形小，接头抗拉强度接近母材。激

56、光-氩弧复合热源焊接技术充分利用了激光和电弧相互作用的优势，克服了两者的不足，无论是在接头质量，还是在生产效率上都具有明显的优势，是一种高质高效的镁合金焊接工艺。1.5课题的主要研究内容镁合金材料的脉冲逆变电弧焊，也即镁合金脉冲交流电弧焊，是一种复合型的焊接方法。本文以镁合金的脉冲交流tig焊为研究内容。弧焊电源是一种可控的能量转换装置，为实现转换，一般使用变压器（交流交流），整流器（交流直流），斩波器（直流直流），或逆变器（直流交流）等装置。逆变式弧焊电源，是其输出的的焊接能量经逆变器变换过的弧焊电源。其框图如图1所示。逆变式弧焊电源把电网的50hz交流整流为直流，并进行滤波。然后用逆变电路将滤波后的直流转换为高频交流。在这一环节中，几khz或几十khz（取决于设计）的高频输出波被控制在与要求输出功率相应的数值上，然后输入给变压器，使之降压并隔离，在变压器接另一整流器，把变压器输出的高频交流整流为直流，最后将此直流经滤波后输出，提供电弧焊接使用。可控的脉冲逆变tig焊能使焊缝中渗钨量减至最少，钨极寿命最长，并能控制熔深，可控的mig/tig焊，输出不同的脉冲波形，例如矩形波，桥形波用于不锈钢；三角形波用于铝合金焊接，可达到焊缝成形最佳而几乎没有飞溅。交流 tig焊接是目前实际应用于镁合金连接的主要