【正文】 變化比較大的地方為缺陷點分布處， 可能生成第二相粒子 Mg17Al12。 在某些點處鋁的質(zhì)量分數(shù)急劇變化，此處可能形成第二相粒子Mg17Al12。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 35 第五章 結論 AZ31 鎂合金攪拌摩擦焊接頭橫截面微觀組織存在幾個典型分區(qū) :焊核、熱機械影響區(qū)及熱影響區(qū)（本文中此這兩個影響區(qū)的區(qū)別不明顯）。除焊接速度過快的原因以外，軸肩壓力太小也會形成連續(xù)孔洞缺陷。 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。 （ 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”。 (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。 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)。 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。 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。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。 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。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。 研究結果表明，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 。厚焊接件邊緣不用加工坡口。 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。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。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。用鎂合金制造的電動車車架重量僅 22kg。鎂為密排六方結構，滑移系少，有脆化傾向，用作結構材料必須合金化。 熔焊溫度高，容易導致大的焊接變形和殘余應力。 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。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。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]。 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]。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)。 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。 AlMg合金裂紋傾向與含 Mg 量的關系如圖 18所示。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。 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。 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。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。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。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。 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。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。 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，但拉伸試驗結果表明接頭抗拉強度較高。 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。鎂和銅元素的含量在一定范圍內(nèi)起伏波動。 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。焊核呈扁長橢圓狀，晶粒等軸、細小。 (c)焊縫易出現(xiàn)連續(xù)孔洞缺陷。 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。因為該區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結晶。旋轉(zhuǎn)的攪拌頭前進過程中在其后方留下一個空腔，而攪拌頭前進時對前方母材有個擠壓作用，塑性金屬在攪拌頭的擠壓作用下向后方空腔流動，前進邊的塑性金屬流動方向與母材被剪切形成的塑性金屬的流動方向相反，變形差很大，而后退邊的塑性金屬流與母材被剪切形成的塑性金屬的流動方向相同（塑性金屬流動方向如 圖 34），母材與焊縫金屬一起變形，所以導致焊核左側分界線很明顯。金屬材料在承受不同的熱作用時，其組織形態(tài)變化很大，尤其 FSW焊縫區(qū)域同時承受攪拌頭的機械攪拌作用，與傳統(tǒng)的焊接接頭相比， FSW接頭組織具備獨特的組織特征。 金相試樣在 試板上以 焊縫為中心截取尺寸為 18 mm 12mm 10 mm 的小塊。本文主要研究 AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的組織形態(tài)。 圖 114 攪拌頭傾角對攪拌摩擦焊接鎂合金接頭強度的影響 傾角主要是通過改變接頭致密性、軟化材料填充能力、熱循環(huán)和殘余應力來影響接頭的性能。減少攪拌針體積和改變其設計形式都可以顯著改善焊縫的機械性能。從焊接熱輸入可知，當旋轉(zhuǎn)速度為定值，焊接速度較底時，攪拌頭與焊件界 面的整體摩擦熱輸入較高。 TWI也對攪拌摩擦焊在鋅材料中的應用進行了研究。 4）、焊接成本較低，不用填充材料，也不用保護氣體。因此 ,焊接裂紋傾向較大的鋁鎂合金時 ,不宜采取過大的電流和焊接速度。焊接 鎂 合金時焊縫中的氣孔為氫氣孔。 一般來說，焊接電流對接頭的力學性能有很大影響。使得電動車更輕便、更快速、更舒適，并具有優(yōu)良的避震性能。鎂的化學性能活潑，在空氣中易自燃 。 然而， 鎂合金的焊接生產(chǎn)還不成熟 , 這是因為鎂合金熔點低 , 熱導率和線膨系數(shù)大 ,焊接過程中會出現(xiàn)裂紋、氣孔、塌陷、燒穿以及焊后變形大等缺陷 , 使得采用傳統(tǒng)的熔焊方法難以獲得理想的焊縫 , 這在一定程度上限制了鎂合金的應用。 Friction stir welding。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 國內(nèi)由于攪拌摩擦焊接的研究尚處于起始探索階段，因而盡快摸清攪拌摩擦焊接機理，對新工業(yè)的推廣應用具有重要的理論意義。鎂合金用作汽車零部件（見圖 15）與其它金屬部件相比通常具有如下優(yōu)點 : (1)提高燃油經(jīng)濟性能綜合標準，降低廢氣排放和燃油成本，據(jù)測算，汽南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 4 車所用燃料的 60%消耗于汽車自重，汽車每減重 10%，消耗將減少 8%到 10%。由于體型驚人，彈重約２噸，使其戰(zhàn)略戰(zhàn)術機動性受到很大影響：最高速度僅 赫，最大射程 200公里，射高 30公里。通過調(diào)整焊接順序 , 采用大電流、快速焊和剛性固定等措施 , 可以獲得較好的焊接接頭 , 接頭強度可以達到母材的 80% 以上 [8]。由圖 18可以看出 ,當含 Mg量較少時 ,易熔共晶不足以形成連續(xù)的液態(tài)空間 ,裂紋傾向較小 。鎂合金是最輕的金屬結構材料，具有比強度高、鑄造和切削加工性能優(yōu)良、易于回收再利用等優(yōu)點，在交通工具制造領域有很大的應用潛力。 攪拌摩擦焊接技術的缺點 1）、不同的結構需要不同的工裝夾具，設備的靈活性差。南昌航空工業(yè) 學院己用現(xiàn)有設備焊接了鋁合金對接接頭、丁字接頭，取得了較好效果。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 12 （三）攪拌頭傾角 [21] 攪拌頭是攪拌摩擦焊的核心，設計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關鍵。仰角θ =1176。 本課題的意義與主要內(nèi)容 本課題的意義 鎂合金密度小，比強度、比剛度高，還具有散熱性、屏蔽性好等特點，在航空、航天、汽車制造和交通 運輸?shù)刃袠I(yè)應用前景廣闊，近年來對鎂合金的研發(fā)、運用得到非?？焖俚陌l(fā)展。AZ31 變形鎂合金同時具有良好的強度和延展性 ,這主要通過控制軋制、擠壓或鍛造以及向室溫冷卻時退火或伴生退火效應，保留了部分加工硬化在鎂中添加鋁和鋅，可以產(chǎn)生固溶強化和晶粒細化的效果。 3. 浸蝕 浸蝕方法是將待觀察面浸入 2%的硝酸和 2%草酸混合溶液 中 ,浸蝕時間為 5s左右 , 直到能夠清晰顯示出接頭形貌，融合線位置等 , 完畢后立即用清水沖洗，然后用酒精沖洗，最后用吹風機吹干。（ c）試樣雖然攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與 (b)相同，但焊接速度比 (b)快，導致焊縫上單位距離分布的熱量較少，焊縫金屬流動不充分，表面成形質(zhì)量較 (b)差。 圖 39 前進面熱影響區(qū) 熱影響區(qū)緊鄰機械熱影響區(qū) , 離焊縫中心較遠。這些結果表明，鎂合金攪拌摩擦焊焊縫附近組織的成分基本沒有大的變化，其焊縫組織仍能保持良好的性能。實驗數(shù)據(jù)見表 31。熱影響區(qū)僅僅受熱傳導的影響為粗大組織。攪拌摩擦焊接過程攪拌頭與待焊工件摩擦產(chǎn)生的熱量足夠高時，使固態(tài)金屬變?yōu)檎乘苄越饘?，隨著攪拌頭向前移動，在攪拌針后方留下一個空腔，由于軸肩和下部墊板的密封擠壓作用，粘塑性金屬向后方流動并填滿空腔，焊縫成形的過程就是空腔不斷被填滿的過程，但當焊接速度過快時，空腔來不及被填滿或填充的金 屬不夠致密，就會導致接頭留下孔洞或組織疏松。 攪拌摩擦焊接過程中，由于攪拌頭的劇烈攪動，會使得異種材料焊接時，兩材料界面間發(fā)生元素的大量擴散。 （ 2）焊核區(qū)有細小的等軸晶。在前進邊，母材受攪拌頭的剪切力向前，即塑性變形方向與焊接方向相同，而后退邊母材的塑性變形方向與焊接方向相反。 圖 28 維氏 顯微 硬度測量 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 22