AZ31B镁合金点焊结合线伸入的研究

1、目 录1、选题的依据及意义1 2、国内外研究概况及发展趋势2 2.1镁合金焊接的研究现状3 2.2镁合金电阻电焊.3 2.3结合线伸入的研究现状.4 3、研究内容及实验方案.5 3.1研究的主要内容.5 3.2实验方案.5 4、目标、主要特色及工作进度.6 4.1实验预期目标.64.2研究的特色.64.3研究的难点.6 4.4毕 业设计(论文)工作内容及完成时间.7 5、参考文献.81、选题的依据及意义 镁合金是目前实际使用中最轻的金属结构材料，密度为铝的2/3，随着工业 技术的发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，降低结构重量成为提高性能的重要措施1,2。而且随着汽车工业和电子工业的迅速发展

2、，要求通过降低产品的自重以降低能源消耗和减少污染。为了解决以上问题，人们将目光投向具有上述优点的镁合金。镁合金重量轻，有较高的比强度和比弹性模量，良好的降噪音和减震性能，可回收利用，符合环保要求，并且切削加工性能极好37。目前，镁合金在世界范围内年应用增长率高达20%25%，被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”8。汽车工业采用镁合金构件，不仅可以提离性能和安全性，还可以减轻车重，降低油耗，促进环保，从而提高市场竞争力9。轻质高韧 、高强镁合金材料在汽车、飞机制造等领域中的大规模生产，必然基于对镁合金性能、潜在应用能力和生产可能性的广泛研究基础之上。其中，镁合金的连接问题是镁基新材料

3、应用的关键技术之一。点焊是航空、航天、汽车装配生产中应用最为广泛的一种连接方法，在每辆汽车上都有数千乃至上万个焊点。每一个焊点品质的好坏都将影响整车的品质。因此，研究焊点品质与焊接工艺参数之间的关系，寻找提高焊点品质可靠性的途径，对于镁合金材料在汽车工业中起着决定性的作用。 镁合金对比于钢铁、铝合金、工程塑料等材料，所表现出的轻质、高阻尼性、抗振、高导热性、抗电磁干扰、高电负性和易于回收等一些非常明显的性能优势10。使得镁合金在交通工具、3C产品(通信、计算机及电器)领域受到越来越多的关注。现如今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

4、件以及镁合金与其他材料结构件之间的焊接，为制约镁合金应用的技术瓶颈和亟待解决的关键技术之一11。各国政府，汽车厂商以及研究部门都启动了各种发展计划。他们对镁合金电阻电焊研究的主要内容有：镁合金电阻点焊的断口特征和耐腐蚀分析；镁合金电阻点焊焊接热裂纹分析；镁合金电阻点焊接头断裂行为的有限元分析。目前，关于镁合金电阻点焊的文献还很少。所以，对于镁合金点焊的进一研究特别是对镁合金电阻点焊工艺的研究是非常必要的。研究分析镁合金的电阻点焊工艺，找出熔核中结合线深入缺陷产生的原因以及减轻或消除结合线深入的方法，对提高产品质量，推动航空航天汽车工业发展具有重大意义。2、国内外研究概况及发展趋势 目前镁合金的

5、焊接技术的研究主要集中在钨级氩弧焊、电子束焊、激光焊、熔化极惰性气体保护焊和搅拌摩擦焊等方面。关于镁合金电阻点焊方面的研究和文献很少。 镁及镁合金从20世纪50年代起在航空工业中就已经被广泛使用。在B-36轰炸机上，共使用8600kg的镁，其中1/2是用作结构材料。在GAR-1型Falcon空对空导弹)中的弹体是由0.040英寸(0.1016cm)的AZ32B-H24合金和AZ91B制成的。前苏联用火箭送上月球的第一架月球车就是采用镁合金制造的。目前，将已经研究出的高温镁合金WE43,W E54应用在新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中，能在振动、沙尘、腐蚀、高温等比较恶劣的环境中使用。可

6、见镁合金在航空航天工业中具有广阔的应用前景。此外 ，镁 合金还应用在自行车、建筑装饰等行业中，逐渐成为新的市场热点。 由于镁合金具有密度和熔点低，热导率、电导率及热膨胀系数大，化学活性强，易氧化且氧化物的熔点高等特点，使镁合金的焊接必须解决以下一系列问题： （1）粗晶 镁的熔点低，热导率高，焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降低了接头性能。 （2）氧化与蒸发 镁的氧化性极强，易同氧结合，在焊接过程中易形成MgO，MgO 熔点高（2500），密度大（3.2 g/cm- 3），易在焊缝中形成细小片状固态夹渣，不仅严重阻碍焊缝成形，也降低焊缝性能。镁在焊

7、接高温下，还易与空气中的氮化合生成镁的氮化物，氮化镁夹渣也会导致焊缝金属的塑性下降，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 在焊接薄件时，由于镁合金熔点较低，而氧化镁的熔点很高，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，熔池的颜色也没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。 （4）热应力和裂纹 镁及镁合金热膨胀系数较大，约为钢的2倍，铝的1.2 倍，在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。镁易与一些合金元素（如Cu、Al、Ni等）形成低熔点共晶体（如Mg - Cu 共晶点温度为480，Mg - Al 共晶点温度为430，Mg- Ni

8、 共晶点温度为508），脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。研究发现，当w（Zn） 1%时会提高热脆性，并可能导致焊接裂纹。在镁中加入w（Al）10%，可细化焊缝晶粒，改善焊接性。含少量Th的镁合金具有良好的焊接性，无裂纹倾向。 （5）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。 （6）镁及其合金在空气环境下焊接时易氧化燃烧，熔焊时需用惰性气体或焊剂保护。2.1镁合金的焊接研究现状一般来说，钨极惰性气体保护电弧焊（GTAW/TIG）和熔化极惰性气体保护电弧焊（GMAW/MIG）是镁合金常用的焊接方法。此外镁合金还可以采用电阻点焊（RSW）、摩擦焊（FW）、搅拌摩擦焊（FS

9、W）、激光焊（LBW）、电子束焊（EBW）等工艺进行焊接。由于镁的比热容和熔化潜热小，因此焊接时要求的输入热量少而焊接速度高。大多数情况下，镁合金件可采用熔化焊，如电弧焊、激光焊、电子束焊和气焊等方法进行焊接。 关于镁合金的电阻点焊学者们进行了多方面的研究。王亚荣,张忠典等研究表明：新型轻质镁合金在电阻点焊中的主要缺陷,分析了焊接缺陷的形貌特点、形成原因和危害,为提高镁合金点焊接头质量提供了依据。结果表明,在镁合金电阻点焊接头中的裂纹为结晶裂纹,与电流特性、结晶时的应力状态和成分偏析有关;缩松和缩孔的产生主要与焊接过程中金属热膨胀及焊接后期锻压力大小有关;电极粘附和焊接喷溅是镁合金点焊中最常见

10、的缺陷,产生的主要原因是电极与工件以及工件与工件界面处局部过热造成的。张晓宏,蔡智鹏,吴甦等对镁合AZ31B进行点焊研究,确定出合理的工艺参数,进行了力学性能试验,包括撕裂试验和拉剪试验,分析了个别试件缺陷产生的原因,为进一步工作提供了有益的指导。罗键,孙玉,王向杰等采用电阻点焊的方法研究了3.5mm厚AZ31镁合金板的连接问题。结果表明;在不添加焊料的情况下,焊缝熔核不对称,缺口有裂纹,在添加焊料的情况下,镁合金的连接变的复杂,焊接过程中容易产生飞溅,界面结合不良等现象.在本实验条件下,当外加纵向磁场励磁电源的励磁电流为3A时,焊缝熔核成形良好、飞溅现象基本消失、界面状况明显提高,焊缝组织细

11、化。王亚荣,张忠典,冯吉才等人采用交流电阻点焊焊接了AZ31B镁合金,研究了点焊接头力学性能的变化规律,分析了点焊接头的显微组织.结果表明:接头抗剪强度随焊接规范呈规律性变化,存在最佳值;表面状态对接头拉剪强度影响很大;接头熔核区显微组织为单一的等轴晶,在a-Mg固溶体的晶界网络处析出离异共晶体;焊点中的裂纹为沿晶热裂纹,断口显现出韧窝沿晶界撕裂的特点。2.2镁合金电阻点焊 镁合金薄板和挤压件都可以采用常规的电阻焊，如缝焊、点焊和闪光对焊进行焊接，其中点焊最常用。Mg-Al 系和Mg-Zn 系合金的电阻焊性能较好。电阻点焊一般用于承受低载荷的工件焊接，如某些镁合金框架、仪表舱、隔板等常采用电阻

12、点焊。只要焊机功率能保证瞬时快速加热，直流脉冲点焊机及一般的交流点焊机均可适用于镁合金的点焊。镁合金电阻点焊的工艺特点如下： （1）镁合金具有良好的导电性和导热性，点焊时，须在较短的时间内通过大电流； （2）镁的表面易氧化，被焊面间的接触电阻较大，当通过大的焊接电流时，往往产生飞溅； （3）由于导热性好及线膨胀系数大，断电后熔核冷却收缩快，易引起缩孔及裂纹等缺陷；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1214对AZ31B镁

13、合金的点焊进行了研究。孙德新等表明，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，产生结合线深入变大。为了获得良好的焊点，避免产生结合线深入的缺陷，必须对镁合金焊件进行焊前清理。2.3结合线伸入的研究现状结合线伸入的原因，一般认为是由于焊件表面的氧化物夹杂物在焊前没有被清理干净，这样在熔核结晶过程中就阻碍了晶粒的长大，造成了结合线伸入。可见结合线伸入和熔核的形成结晶有很大的关系，而影响熔核形成结晶的因素主要是焊接参数。结合线伸入多在铝合金、铁基或镍基高温合金点焊或缝焊时出现。它与焊前材料表面状态有很大的关系，南昌航

14、空大学朱富强硕士论文结果表明：如保护层过厚，清理不干净，表面氧化膜硬脆，熔点高，或经过清理又重新氧化时，这些表面氧化膜或杂质进入熔化区，阻断了枝晶的生长，造成了结合线伸入15，16。结合线伸入这一缺陷，从本质上看是夹杂物进入熔化区的结果。材料的表面状态是产生结合线伸入的主要原因，但是材料化学成分与所选规范也影响结合线伸入的形成。末梢呈尖状或有分叉或拐弯的结合线伸入，这种深入容易引起应力集中，减小了熔核的实际有效直径，在焊件承受动载荷时，有可能发展成为裂纹，引起接头的破坏，因此，接头中一般不允许存在。对尾末为圆形的结合线伸入，在不影响核心的宽度时，每边可允许深入0.2mm。熔核内结合线部位有非连

15、续的氧化夹杂物时，对接头的影响可忽略不计。3、研究内容及实验方案3.1 研究的主要内容本课题确定的研究主要内容如下：（1）结合线伸入形成机理；（2）分析塑性环与结合线伸入的关系；（3）分析焊件表面状态，焊接规范参数对结合线伸入的影响； (4）分析结合线对焊件力学性能的影响。3.2实验方案实验选用AZ31B镁合金材料,试件尺寸为为100mm25mm2mm。焊接接头搭接长度为25mm。试件的形状和尺寸如图1所示。实验采用DZ-3100三相次级整流点焊机进行焊接。通过正交实验法获得最佳焊接规范。图2-1 试样的形状与尺寸 图1.试件的尺寸形状为了研究结合线伸入，应该在保证焊接接头质量的前提下，通过改

16、变不同的清理方式和焊接参数来对镁合金进行焊接，研究结合线伸入与表面处理方式的影响，采用相同的焊接参数，把清理方式分为3级，即，不清理、机械清理、化学清理等，试样编号分别为J1、J2、J3。其次，研究结合线伸入与焊接规范参数之间的关系，固定某一参数，改变其他参数，每一组参数改变5次，分别编号为F1F5、I1I5、T1T5为了保证数据的准确性，每个参数下焊接三个试样，分析时取结合线伸入明显试样数据的平均值。对焊接过的试样从纵截面切开，经磨制、抛光、腐蚀后在金相显微镜下观察结合线伸入长度，比较两种不同清理方式的结合线伸入的长短，确定其影响因素1719后对典型的结合线伸入试样进行金相显微分析、扫描电子

17、显微分析、X射线衍射分析以及显微硬度测试，并依据电阻点焊过程来分析结合线伸入的形成机理2022。通过显微观察焊接试件中朔性环大小与结合线的长短。分析朔性环大小与结合线伸入的关系。对不同表面处理方式和不同参数下的试样进行拉伸试验，研究不同结合线伸入下的焊件的强度，确定结合线伸入与焊件力学性能之间的关系。最后采用万能拉伸机对相同参数下不同表面清理方式和不同参数下焊接参数下焊接试件进行拉伸剪切实验。分析结合线深入对焊件力学性能的影响。4、目标、主要特色及工作进度4.1实验预期目标 （1）为了更深入的研究结合线伸入的形成原因和机理，我们用XRD打磨试样J1的结合线伸入部位物相进行定性分析。分析结果表明

18、氧化物夹杂物是造成结合线伸入的主要原因。通过对焊缝组织的显微分析。塑性环阻碍了枝晶的生长，造成了结合线伸入。 （2）随着表面清理方式的改变结合线伸入的长度也发生了不同的变化。表面的清理质量越高，表面残留的高熔点且硬脆的氧化物夹杂物越少，形核时对熔核枝晶生长产生的阻力就越小，产生的结合线伸入长度就小。反之，清理质量较差时，产生的结合线伸入长度就越大。 （3）焊接参数也会对结合线伸入产生影响，随着电极压力、焊接电流和通电时间的增加而增加。 （4）通过焊接接头拉剪试验。我们得到结合线伸入在允许的范围内与点焊接头的质量基本没什么影响，除非结合线伸入过大，严重减小了熔核直径，使接头的质量大大降低，这时才

19、会影响接头的抗拉剪能力。4.2研究的特色 （1）可以找出结合线深入与焊接参数之间的关系。 （2）可以证明结合线伸入的形成原因及机理。 （3）可以得出不同结合线深入长度对焊件力学性能的影响。4.3研究的难点结合线伸入的原因，一般认为是由于焊件表面的氧化物夹杂物在焊前没有被清理干净，这样在熔核结晶过程中就阻碍了晶粒的长大，造成了结合线伸入。可见结合线伸入和熔核的形成结晶有很大的关系，而影响熔核形成结晶的因素主要是焊接参数。因此，本研究的主要技术要点就是要找出焊接参数与结合线伸入之间的关系，这要通过大量的实验才能完成，实验也是本研究的主要环节。结合线伸入的原因确定后，就要研究其形成机理。如前所述，结

20、合线伸入的产生和熔核的形成结晶过程有很大的关系，因此，要研究结合线伸入的形成机理就要从研究电阻焊过程熔核的形成机理入手，逐步分析其形成的机理，这也是本研究的技术要点和难点。结合线伸入减小了熔核的有效直径，容易引起应力集中，在焊件承受动载荷时，有可能发展成为裂纹，引起接头的破坏，严重影响了焊接质量。大量的实验表明，结合线伸入在多数情况下都是存在的，只是伸入熔核的长度不一样，因此，不同的伸入长度对焊件的力学性能的影响也不一样。要考察结合线伸入对焊件力学性能的影响，关键的问题就是要在做力学性能实验之前要把结合线伸入的长度确定下来，但是要确定结合线伸入的长度就要用到无损检测的方法，而实际上由于射线探伤

21、对就结合线伸入的长度没法进行定量，超声探伤又对薄板有一定的局限性，所以说，无损探伤的方法可行性还有待商榷，这也是本研究的技术要点和难点。4.4毕 业设计(论文)工作内容及完成时间1.检索文献，熟悉镁合金电阻点焊过程及原理并完成开题报告; 3.22-4.4 2周2.相关外文文献资料的阅读与翻译（6000字以上）； 4.5-4.18 2周 3.熟悉焊机及相关设备，并进行预研实验； 4.19-4.25 1周4.制定实验方案，完成所有工艺实验； 4.26-6.6 6周5.整理实验结果并完成实验数据的处理； 6.7-6.13 1周6.撰写毕业论文； 6.14-6.27 3周7.答辩准备及毕业答辩。 6.

22、28-7.2 1周 5、参考文献1K.Belher,J. B erkmanns,A .Ehrhardt,W .Frohn.Laser Beam Welding of Low Weight Materials and StructuresM.Materials & Design.1997,18(4/6):261-2672laudio Mus.Magnesium Die Casting,History,Principles and State of The ArtJ.Magesium Industry.2001,(2):21-253邢丽，柯黎明等.镁合金薄板的搅拌摩擦焊工艺J.焊接学报.2001,

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24、 Metal Welding & Construction.2001,39(12):565-5747J.F.Nie.Efects of Precipitate Shape and Orientation on Dispersion Strengthening in Magnesium AlloysM. Scripta Materialia. 2003,(48):1009-10158刘正，张奎，曾小勤.镁基轻质合金理论基础及其应用M.北京:机械工业出版社，2002:4-59RP Jacques, R DasGupta.Hot Chamber Diecasting of Magnesium Alloy AM50A for Automotive Interior Structural C