【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 SW 對(duì)鎂合金 (AZ31B)和鋼 (Q235)進(jìn)行焊接 ,焊接工藝參數(shù) 的優(yōu)化 ,獲得成形良好的接頭。分析了攪拌摩擦焊焊接工藝、接頭組織及性能之 間的相互關(guān)系及接頭斷裂特點(diǎn) ,采用掃描電鏡、能譜分 析及電子探針等方法對(duì)鎂 / 鋼界面元素分布及連接特點(diǎn)進(jìn)行研究 ,為汽車、船舶、飛機(jī)等交通工具輕量化實(shí) 現(xiàn)節(jié)能減排 ,提供一種有效的方法。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鎂合金特點(diǎn)及鎂合金的焊接性 鎂合金是目前重要的結(jié)構(gòu)材料 ,其特點(diǎn)有 :鎂合金是目前應(yīng)用中昀輕的金屬 結(jié)構(gòu)材料 ,其密度約是 Al 的 2/3,Fe 的 1/4,是交通工具輕量化的理想材料。其比 強(qiáng)比剛度較高 ,雖然密度比塑料高 ,但在相等強(qiáng)度的情況下 ,鎂合金材料的零部 件比塑料零部件要薄 ,質(zhì)量也較輕 ,而且 ,其比強(qiáng)度比 Al 合金及 Fe 都要高 ,在 等強(qiáng)度零部件情況下 ,鎂合金零部件要比 Al 和 Fe 零部件的質(zhì)量輕很多 。鎂合金 導(dǎo)電性和傳熱性優(yōu)良 ,其熱傳導(dǎo)系數(shù)小于鋁 ,大于鋼 ,高出塑料熱傳導(dǎo)系數(shù)數(shù)十 倍 ,導(dǎo)電率強(qiáng)于鋁和鋼 。鎂合金具有優(yōu)良電磁波屏蔽性 ,較電鍍屏蔽膜塑料的屏 蔽效果好 ,因此使用鎂合金作為屏蔽材料可省去屏蔽膜電鍍工序 。鎂合金的機(jī)加 工性較好 ,其切削阻力小于鋁合金和鋼的切削阻力 ,機(jī)加工速度快 ,對(duì)刀具磨損 小 ,且抗沖擊性能好 ,擁有良好的能量吸震性 ,使用在傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)的零部件上可 減少機(jī)械振動(dòng) ,降低零部件斷裂造成的事故 。鎂合金具有優(yōu)良的抗蠕變性能 ,尺 寸上隨溫度和時(shí)間的變化蠕變率小 ,因而可以確保工件在尺寸上的精度要求 。鎂 合金再生性和可回收性良好 ,其廢料回收利用率高達(dá) 85%以上 ,使得鎂合金在有 色金屬中具有很大的吸引力 ,其再生熔解時(shí)所耗的能源非常小 ,僅為制造新材料 耗能的 4%。 密度小是鎂合金的主要優(yōu)點(diǎn) ,使鎂合金成為零部件輕量化的理想材料 ,但在 在潮濕環(huán)境中鎂合金的耐蝕性能較差 ,高缺口敏感性 ,在水和多數(shù)酸鹽液體中易 [15] 被腐蝕 ,只在氫氟酸、鉻酸、堿及汽油中相對(duì)比較穩(wěn)定 。 2?南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 鎂合金由于熔點(diǎn) 低、熱膨脹系數(shù)大、化學(xué)活性強(qiáng)和易氧化 ,且生成的氧化物 熔點(diǎn)比鎂的熔點(diǎn)還高 ,導(dǎo)致鎂合金在焊接過程中常出現(xiàn)許多的問題 ,這些性質(zhì)與 鋁合金的性質(zhì)類似 ,但鎂合金易氧化趨勢(shì)大于鋁合金 ,因此對(duì)焊接過程中所使用 [ 16] 的保護(hù)氣的要求也更高。鎂合金主要焊接特點(diǎn)如下 : 鎂合金因熔點(diǎn)低 ,導(dǎo)熱率較大 ,導(dǎo)致焊縫及附近區(qū)域金屬易過熱及晶粒長(zhǎng)大 , 降低接頭性能 ,因此鎂合金焊接時(shí)所采用熱源功率較大 ,這也是鎂合金焊接特點(diǎn) 之一。鎂合金表面張力小 ,焊接過程中常出現(xiàn)焊縫金屬下塌現(xiàn)象 。鎂極易氧化而 與氧結(jié)合 ,在鎂的表面生成高熔點(diǎn) MgO,熔點(diǎn)高達(dá) 2500176。 C,且密度較大 ,在熔池 內(nèi)常常形成片狀的夾渣 ,夾渣不但會(huì)惡化焊縫形成 ,而且會(huì)影響接頭性能。鎂的 沸點(diǎn) (1100℃ )較低 ,在采用電弧等高熱源焊接時(shí)易蒸發(fā) ,導(dǎo)致鎂的流失和環(huán)境 污染 ,因此鎂的焊接保護(hù)措施更加嚴(yán)格 。在焊接過程中 ,鎂容易與 Cu、 Al、 Ni等 合金元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成低熔共晶體 ,導(dǎo)致接頭易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋 ,而且低熔 共晶在高溫下易在晶界處發(fā)生熔化形成晶界缺陷 ,從而使接頭性能降低。鎂合金 的由于線膨脹系數(shù)較大 ,焊縫金屬凝固時(shí)的體積收縮率高達(dá) %,導(dǎo)致接頭變形 嚴(yán)重、應(yīng)力較大 ,而加 劇熱裂紋的形成 。與鋁類似 ,焊接鎂合金時(shí)也易形成氫氣 孔 ,且隨溫度的降低 ,氫氣的溶解度急劇減小 ,導(dǎo)致焊縫金屬凝固時(shí)易形成氣孔 , 因此 ,焊前要嚴(yán)格清理鎂合金表面 ,采用合理的工藝來防止氫氣孔的形成 。鎂及 鎂合金的熱膨脹系數(shù)較大 ,分別為鋼的 2 倍 ,鋁的 倍 ,且熱導(dǎo)率較高、彈性模量 較小 ,焊接過程易發(fā)生大的變形。 鎂與鋼異種金屬的焊接 隨著全球經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展、能源需求量的大幅增加及能源的短缺 ,節(jié) 能、環(huán)保已成為人類所面臨的共同問題。交通工具輕量化是節(jié)能的有效途徑。鎂 合金密度小和高比強(qiáng)比剛度等 優(yōu)異的金屬特性 ,而成為交通工具輕量化首選的金 屬材料 ,使得鎂合金在航空、航天、汽車等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。鎂合金應(yīng)用途 徑及范圍的不斷拓展 ,與鋼 (目前應(yīng)用昀 廣的金屬結(jié)構(gòu)材料 )存在不可避免的連 接問題。但由于兩種金屬物理性能和化學(xué)性能差異較大 (如表 11 所示 ),采用傳 統(tǒng)的熔焊方法對(duì)二者進(jìn)行焊接 ,很難得到良好的焊接接頭 ,目前鎂合金與鋼焊接 的熔焊方法主要有激光深熔釬焊、電阻點(diǎn)焊和復(fù)合熱源焊。 3?南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 [17] 表 11 鎂和鋼的物理和化學(xué)性質(zhì) 金屬名稱 鋼 鎂 3 密度ρ / 熔點(diǎn)176。 C 1539 650 1 比熱容 C/ 460 1078 1 熱導(dǎo)率λ / 77 145 6 1 線膨脹系數(shù) a/10 k 6 電阻率ρ /10 ?m 結(jié)晶時(shí)體積收縮率 % 10 原子半徑 10m 原子昀外層電子數(shù) 3 2 晶格類型 Bcc hcp 16 晶格常數(shù) 10m 周 期表中 A Ⅶ Ⅱ A 所謂復(fù)合熱源焊是把物理性質(zhì)、熱量傳導(dǎo)方式完全不同的兩種熱源組合在一 起 ,并同時(shí)加工于同一位置 ,不但發(fā)揮了兩種熱源獨(dú)自的優(yōu)勢(shì) ,而且彌補(bǔ)了各自 的不足 ,而形成一種新的高效熱源 ,圖 11 為復(fù)合熱源焊接裝置示意圖。Liming [8] Liu 、趙旭等人先后采用 TIG 焊和激光 ?TIG 復(fù)合熱源焊對(duì) AZ31B 鎂合金和304 不 [18] 銹鋼進(jìn)行搭接焊研究 ,發(fā)現(xiàn)采用 TIG 焊焊接時(shí) ,鎂合金基材易燒損、氧化現(xiàn)象十 分嚴(yán)重 ,焊縫成形較差 ,接頭力學(xué)性能很低 。采用復(fù)合熱源焊得接頭成形較好 , 接頭力學(xué)性能 明顯提高。在復(fù)合熱源焊過程中存在 Mg 元素向鋼中擴(kuò)散 ,并在鎂 / 鋼側(cè)界面形成過渡區(qū) ,生成“竹節(jié)狀”的 MgO 相如圖 12 和 Mg Fe O 相 ,從 x y z 而實(shí)現(xiàn)鎂和鋼緊密連接。 Mg Fe O 復(fù)合相的存在 ,證明了鎂與鋼之間存在擴(kuò) x y z 散作用。 圖 11 復(fù)合熱源焊接裝置示意圖 圖 12 焊縫微觀組織“竹節(jié)狀”形貌 單闖等人采用激光 ?TIG 復(fù)合熱源焊對(duì) AZ31B 鎂合金和 Q235 鋼進(jìn)行焊接試 [1 20] 驗(yàn) ,并對(duì)加夾層焊和不加夾層焊的接頭成形及抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比 ,試驗(yàn)結(jié) 果表明 ,以 Ni 箔作為夾層焊得到的接頭成形較好 ,接頭剪切強(qiáng)度 (170MPa)大于 4?南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 不加夾層焊得到的接頭強(qiáng)度 (123MPa)。接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接速率的減小、激光功 率的增大而增大 ,隨激光離焦量的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)變化 ,而鋼側(cè)焊縫 寬度隨激光離焦量增大呈現(xiàn)先減小后增大的特點(diǎn) 。 TIG 電流對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響不 明顯。 Ni 元素富集分布于焊核兩側(cè) ,Ni 元素和 Fe 元素以固溶體形式緊密連接 , Ni 元素和 Mg 元素之間以金屬間化合物 (Mg 與 Ni 的金屬間化合物為 Mg Ni 和 2 MgNi )相結(jié)合 ,從而實(shí)現(xiàn)了鎂和鋼的緊密連接。 2 鎂和鋼采用無夾層復(fù)合熱源焊雖能成功連接 ,但由于兩種金屬的熔點(diǎn)差異較 大 ,難以同時(shí)達(dá)熔融態(tài) ,且二者晶格類型不同 ,相互固溶度極低 ,焊接冶金性差、 、 [21] [22 鎂 /鋼界面連接差 ,接頭強(qiáng)度較低?；谝陨显?,Liming Liu 、 Xiao dong Qi 23] 等人采用激光 ?TIG 復(fù)合熱源焊以純 Ni、 Zn 和 Cu 箔及 H80、 H62 作為夾層對(duì) AZ31B 鎂合金和 Q235 鋼進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明 ,同鎂 /鋼直接焊相比 ,夾層焊得到 接頭強(qiáng)度明顯提高 ,加 Cu 箔接頭剪切強(qiáng)度昀高 ,為 170MPa,達(dá) AZ31B 母材強(qiáng)度 的 100%。鎂 /鋼直接焊接頭斷裂于鎂 /鋼界面 ,而加不同夾層的焊接接頭斷裂于熔 合區(qū) ,接頭斷裂類型為準(zhǔn)解理斷裂。夾層的加入改善了鎂合金對(duì)鋼的潤(rùn)濕性 ,使 焊縫熔合區(qū)域鎂 /鋼緊密連接 ,從而使接頭強(qiáng)度得到改善。 [ 2 25] 苗玉剛等人采用激光深熔釬焊對(duì) AZ31 鎂合金和 Q235 鋼進(jìn)行試驗(yàn) ,合 適的工藝參數(shù)可獲得熔釬焊性能的復(fù)合型接頭 ,焊接過程中鎂完全焊透 ,而鋼只 熔化微小部分 ,如圖 13 激光深熔釬 焊工藝示圖。激光光束偏移量對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度 影響顯著 ,當(dāng)激光光束偏移量為 時(shí) ,接頭平均抗拉強(qiáng)度為 185MPa,達(dá)