【正文】 作用下晶粒變得比較短小。因為該區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。 在左側(cè) 融合線 附近拉一條線，其線上各元素分布如下圖所示： 圖 315 試樣左側(cè) 融合線 附近成分分布 由上圖可以看出，熔合線附近的鋁元素的含量基本 沒有變化，而且在所選掃描范圍內(nèi)點狀缺陷不明顯。 Mg、 Al 由上到下焊接 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 31 對實驗參數(shù)為 400r/min 80mm/min 的試樣進行掃描電鏡實驗 對如圖 320試樣進行掃描電鏡實驗，分析 融合線 附近組織的成分變化關系。 表 31 顯微硬度實驗數(shù)據(jù)記錄表 序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 硬度 49 49 50 52 54 53 53 52 50 48 49 51 53 49 51 49 51 下圖為顯微硬度測試的部分壓痕圖（放大倍數(shù)為 50X）： 圖 320 顯微硬度壓痕 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 33 圖 321 顯微硬度分布趨勢圖 測量結(jié)果如圖 321 所示，從焊縫焊核處到兩邊的熱影響區(qū)顯微硬度先升后降，焊核與熱機械影響區(qū)交界處達 到最大。 (c)焊縫易出現(xiàn)連續(xù)孔洞缺陷。 攪拌摩擦焊接 AZ31 鎂合金，焊接接頭的成分基本保持不變。焊核呈扁長橢圓狀，晶粒等軸、細小。 (b)當焊接速度過快時易形成缺陷。 顯微硬度實驗 以焊核中心部位為基點，向焊縫兩邊打顯微硬度點，間隔 1mm， 直到硬度點連續(xù)三個未發(fā)生大的變化。鎂鋁含量急劇變化的地方為兩材料的交界處。鎂和銅元素的含量在一定范圍內(nèi)起伏波動。這主要是因為熱影響區(qū)晶粒沒有發(fā)生機械的拉伸，無法讓晶粒破碎，只是伴隨 著摩擦產(chǎn)生的高溫的加熱，所以晶粒變粗。 7 6 5 1 2 3 4 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 26 圖 38 前進面熱機械影響區(qū) 熱機械影響區(qū)是不同尺寸晶粒的共存區(qū) , 晶粒比焊核區(qū)晶粒粗大。攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)使攪拌區(qū)和近縫區(qū)溫度升高，若溫度高到可以使焊縫金屬達到塑性狀態(tài)，則塑性金屬會隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)而流動。 圖 (a)、 (b)為當攪拌頭轉(zhuǎn)速為 400 r/min，焊接速度分別為 80 mm/min和 100 mm/min 時，攪拌摩擦焊連接的 10 mm 厚鎂合金的焊縫表面形態(tài)，焊縫總體成形較好 , (a)試樣雖有一定的飛邊，但拉伸試驗結(jié)果表明接頭抗拉強度較高。二相對棱面間的夾角為 136?金剛石正方四棱角錐體，即為維氏壓頭 。待試樣表面磨痕全部被拋掉而呈現(xiàn)光亮鏡面 時 ,拋光即可停止 ,并將試樣用水或酒精洗干凈后轉(zhuǎn)入浸蝕。焊接工藝參數(shù)如表 23 表 23 FSW焊接 AZ31工藝參 數(shù) 旋轉(zhuǎn)速度 旋轉(zhuǎn)方向 焊接速度 攪拌頭傾角 接頭形式 400 r/min 左旋 100 mm/min 176。 圖 21 焊接設備全貌 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 17 圖 22 攪拌摩擦焊機控制面板 試驗所用材料以及規(guī)格 試驗用板材 100*100*10mm，材料 AZ31軋制鎂合金板材 成分如（表 21） 表 21 AZ31的化學成分（質(zhì)量分數(shù)， %） AZ31 鎂合金具有良好的強度、塑性和耐腐蝕綜合性能 , 而且價格較低 , 因此是最常用的合 金之一 ,AZ31 鎂合金板材的典型室溫力學性能如表 22 所示 AZ31 鎂合金主要通過軋制、擠壓和鍛造等變形方式加工成形 ,制成各類棒、桿、型材和管材。課題中母材選擇的是 AZ31 鎂合金，因此 為了成功的將 AZ31 鎂合金進行焊接，實驗要求選擇合適的焊接工藝參數(shù)進行焊接，進而對其焊縫進行金相分析、掃描電鏡實驗以及硬度測試。如果壓緊程度偏大，軸肩與焊件的摩擦力增大，摩擦熱容易使軸肩平臺發(fā)生粘附現(xiàn)象，焊件兩側(cè)出現(xiàn)飛邊和毛刺，焊縫中心下凹量較大，不能形成良好的焊接接頭。達到 411Mpa 最大值；當θ≥ 5176。所謂攪拌頭傾角是指攪拌頭與焊接工件法線的夾角，它表示向后傾斜的程度，對于鎂合金在 n=800r/min,v=160mm/min 的條件下，攪拌頭傾角對焊接力學性能的影響如圖 114。因 此 錐 形 螺 紋 攪 拌 針 (Whorl)（如圖 112） 和 三 槽 錐 形 螺 紋 攪 拌 針(MxTriflute)（如圖 113）都被設計成平。當焊接速度為定值、旋轉(zhuǎn)速度較底，焊接熱輸入較底，攪拌頭前方不能形成足夠的軟化材料填充攪拌頭后方的空腔，焊縫內(nèi)易形成孔洞缺陷，從而弱化接頭的強度，轉(zhuǎn)速提高，焊接峰值溫度增加，因而在一定范圍內(nèi)提高旋轉(zhuǎn)速度，熱輸入增加，有利于提高軟化材料填充空腔的能力，避免接頭內(nèi)缺陷的形成，接頭內(nèi)無缺陷。 （一） 焊接速度 30031032033034035036037038039040 60 80 120 140 160 170 180焊接速度m m / m i n抗拉強度/MPa 圖 110 焊接速度對攪拌摩擦焊鎂合金接頭強度的影響 由圖 110可見，接頭強度隨著焊接速度的提高并非單調(diào)變化，而是存南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 11 在峰值。 國內(nèi)北京航空工藝研究所于 1998年開始進行攪拌摩擦焊的探索性研究。英國劍橋焊接研究所，還研究了攪拌摩擦焊在鈦合金中的應用。 6）、安全、無污染、無熔化、無飛濺、無煙塵、無輻射、無噪聲、沒有嚴重的電磁干擾及有害物質(zhì)的 產(chǎn)生，是一種環(huán)保型連接方法。 2）、不受軸類零件的限制，可進行平板的對接和搭接，可焊 接直焊縫、角焊縫及環(huán)焊縫，可進行大型框架結(jié)構及大型筒體制造、大型平板對接等。如圖 19 圖 19 攪拌摩擦焊的技術原理 自 1991 年問世以來，攪拌摩擦焊技術迅速在飛機、船舶、汽車等交通工具制造領域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)化應用，主要用于變形鋁合金材料的連接。焊接電流太大 ,不僅會使熔池過熱 ,而且會增加熔合比 ,使母材成分過多的進入焊縫 ,增加裂紋傾向 。 AlMg合金裂紋傾向與含 Mg 量的關系如圖 18所示。 鎂合金焊接過程中 ， 焊縫區(qū)晶粒明顯細小 ， 由細小的等軸晶組成 ； 熱影響區(qū)的晶粒明顯粗大 , 是典型的過熱組織 ， 是接頭斷裂的危險區(qū) [13]。 采用交流 TIG 方法焊接 AZ31鎂合金薄板后 , 主要存在波浪變形、焊后錯邊、焊瘤、表面“麻點”現(xiàn)象和弧坑裂紋等缺 陷。脈沖頻率為 20Hz時，焊縫中晶粒較細，顯微硬度與母材相差不大，接頭強度和延伸率較高，但仍低于母材，斷裂位置在 焊縫中心。我軍產(chǎn)的ＨＱ－９ A導彈約在 1980年開始研制，到二十世紀末裝備部隊，可謂二十 年磨一劍，是我軍研制的第一款攻擊高空敵機 /彈道導彈雙重用途先進防空導彈系統(tǒng)。 圖 15 鎂合金用作汽車零部件 鎂合金在自行車上的應用 利用鎂合金的重量輕、比強度高和耐沖擊的優(yōu)點。 鎂合金的應用 鎂合金在車輛工業(yè)上的應用 為減輕汽車重量以降低油耗，以及“環(huán)保型汽車”對材料可回收性的要求，鎂合金在汽車工業(yè)中的應用日益廣泛 [9]。另外，在鹽湖及海水中的含量更是取之不盡。波音公司己將 攪拌摩擦焊接 技術應用于 Delta運 載火箭推進劑貯箱的制造 [46]。 我國鎂資源約占全球總量的 70%，原鎂產(chǎn)量居世界首位 [2]。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。分析了鎂合金焊接特點、影響焊接性能的主要因素、優(yōu)缺點，通過金相觀察、電鏡掃描和一些硬度試驗等分析了這幾組試樣的組成成分，以及對比各組式樣焊縫的好壞，總結(jié)出焊縫成型好壞的原因，并分析影響鎂合金攪拌摩擦焊焊接性能的參數(shù)，總結(jié)了鎂合金攪拌摩擦焊的質(zhì)量、技術特點和研究方法以及展望未來的發(fā)展 情況。 Microstructure 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被 查閱和借閱。 熔焊溫度高，容易導致大的焊接變形和殘余應力。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 2 第一章 緒論 鎂及其合金 進人 21世紀，資源和環(huán)境已成為人類可持續(xù)發(fā)展的首要問題。鎂為密排六方結(jié)構，滑移系少，有脆化傾向，用作結(jié)構材料必須合金化。 (3)可以極大改善車輛的噪聲、振動現(xiàn)象。用鎂合金制造的電動車車架重量僅 22kg。ＨＱ－９ A經(jīng)過一系列改進后定型為紅旗－ 9B，彈體采用了高強度的鎂合金，由此把彈體總重降到了 1200公斤，體積也大為縮小，最高速度提升到 6馬赫。鎂合金的焊接電流越大，所需的焊接速度也越大，焊后接頭的力學性能越好。熱裂紋均在焊縫金屬中產(chǎn)生，主裂紋為沿晶擴展方式，分叉裂紋為沿晶與穿晶擴展方式共存。焊接時氫的來源主要有兩方面 ； 一是電弧氣氛中的氫 ,在焊接高溫下 ,焊接材料或坡口表面吸附的水分 ,以及潮濕空氣中的水分都會侵入電弧空間 ,并分解為原子氫而溶入液態(tài)鋁中 ,成為焊縫中形成氣孔的主要原因 ； 二是焊絲表面氧化膜中的水分 , 鎂 合金的氧化膜中因含有致密性比較低的 MgO ,吸水性較大 ,焊絲的氧化膜所吸附的水分全部進入熔池中 ,氣孔對焊絲表面的氧化膜更敏感。 圖 18 AlMg合金裂紋傾向與含 Mg量的 關系 從熱裂紋的成因可以看出 ,增加焊絲中的含 Mg 量對裂紋能起到“愈合”作用。 鋁鎂合金進行 MIG焊接時產(chǎn)生氣孔的傾向大 , 必需嚴格進行焊前清理 ,控制母材清潔度。因此，鎂合金在汽車制造業(yè)尤其具有吸引力。厚焊接件邊緣不用加工坡口。 3）、目前焊接速度不高。 研究結(jié)果表明，攪拌摩擦焊能夠用于焊接比較薄的鋅板 (一種被認為難以南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 10 進行熔化焊的材料 )，焊接 。 此外，隨著攪拌摩擦焊應用的日益廣泛，曲面零件的攪拌摩擦焊也是重要的研究課題之一。如果焊接速度過高，使塑性軟化材料，填充攪拌針行走所形成的空腔的能力變?nèi)?，軟化材料填充空腔的能力不足，焊縫內(nèi)易形成一條狹長且平行于焊接方向的疏松的缺陷，嚴重時焊縫表面形成一條狹長且平行于焊接方向的隧道溝，導致接頭強度大幅度降低。軸肩的作用一是：防止塑性軟化材料溢出，二是：提供焊接熱源。 Whorl形式的攪拌針上面有螺脊，螺脊之間的間隔大于螺脊本身的寬度，可以保證塑化材料有較好的流動性。接頭抗拉強度為 ；當 1176。如果傾角較底，由于軸肩壓力不夠，軸肩下方軟化材料填充空腔的能力較弱，焊核區(qū) /熱機械影響區(qū)界面處易形成孔洞缺陷，導接頭強度較底。攪拌摩擦焊作為一種新型的低熔點有色金屬連接工藝，在鎂合金的焊接方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。 試驗所用設備 試驗設備采用北京賽福斯特公司研制的龍門式數(shù)控攪拌摩擦焊機，（如圖 2圖 22）工作臺規(guī)格 1500mmX9200mm,是中國自行研制的第一臺攪拌摩擦焊接設備，可用于直焊縫和環(huán)焊縫，焊接最大厚度 用數(shù)字控制，具有控制精度高、焊接工藝重復性好等優(yōu)點。 試板在焊接前采用酸堿洗處理，并用丙酮擦拭待焊端面，然后將試板固定。 將試樣的橫截面（垂直焊接方向）用 XQ2B 鑲嵌機鑲嵌入膠木粉里面如圖 27，先在金相砂紙上磨平，并在拋光機上拋光，然后用 2%的硝酸與 2 %的草酸混 合溶液腐蝕，用數(shù)碼相機拍下接頭宏觀照片，在金相顯微鏡下進行顯微組織觀察，并拍攝顯微組織。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 20 電鏡掃描試驗 將進行過金相觀察的試樣交與由老師進行掃描電鏡實驗，所用設備為JSM6360LV 掃描電鏡及 GENE SIS20xxXMS60 能譜儀。 攪拌頭對 FSW 接頭厚度及垂直焊縫方向不同區(qū)域的熱機械作用不同，導致 FSW 接頭不同截面具有獨特的組織特征，接頭橫截面組織可以直觀反映由于垂直焊縫方向溫度梯度形成的不同分區(qū)。焊縫從上至下逐漸變窄，焊核上部形成冠狀區(qū)域，在此區(qū)域軸肩熱機械作用比攪拌針旋轉(zhuǎn)攪拌作用顯著。 (2)顯微組織 圖 35為焊縫橫截面，當攪拌頭轉(zhuǎn)速為 400 r/min、焊接速度為 100 mm/min時焊接接頭的顯微組織見以下圖。 圖 310 回撤面 融合線附近 該 區(qū)域的微觀組織有塑性流動的趨勢 ,接近等 軸晶粒 , 只是比較粗大 ,熔合線附近 的晶粒受母材的塑性流動和攪拌頭攪拌的作用 , 有明顯的變形。 （ 3）焊接接頭的各個區(qū)域之間分界明顯，伴隨有不同的“塑性流線”。鎂和銅元素的含量仍在一定范圍內(nèi)起伏波動，變化范圍不大。 圖 318 AZ31 鎂合金攪拌摩擦焊焊縫表面形態(tài) 圖 319 融合線附近各元素分布 融合線附近各元素含量見上圖