【正文】 從焊縫焊核區(qū)到熱機械影響區(qū)，顯微硬度呈上升趨勢，在焊核與熱機械影響區(qū)交界處顯微硬度達到最大值；從熱機械 影響區(qū)到熱影響區(qū)過程中，顯微硬度總體呈下降趨勢。 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。此外，厚板鎂合金焊接需要的軸肩壓 力較大，會使待焊工件變形，所以夾具的作用也格外重要。當(dāng)軸肩壓力太小時，軸肩對塑性金屬的密封性不好，焊縫中的塑性金屬容易從軸肩與待焊工件表面的接觸處逸出，造成空腔內(nèi)填充不充分，形成疏松的孔洞。 (c)焊縫易出現(xiàn)連續(xù)孔洞缺陷。 (b)當(dāng)焊接速度過快時易形成缺陷。 形成原因 當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過低、焊接速度過快、軸肩壓力過大或過小時都有可能造 成焊縫表面成形不良。焊核細晶區(qū)，不但提高了材料的強度，同時也改善了材料的塑性和韌性，所以焊核區(qū)的硬度較底。 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(xué)院畢業(yè)設(shè)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。 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。 AZ31 由上到下焊接 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 32 通過以上幾點的分析發(fā)現(xiàn)： 在攪拌摩擦焊接鎂合金的情況下，焊接接頭的成分基本保持不變。由上圖及可知，融合線附近硅含量沒有大的變化，鎂鋁兩種元素的含量在一定范圍內(nèi)波動，該融合線附近各元素含量基本保持不變。 Mg、 Al 由上到下焊接 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(guān)系。鎂鋁含量急劇變化的地方為兩材料的交界處。 圖 316 鎂鋁搭接攪拌摩擦焊焊縫表面形態(tài) 在鎂鋁界面處拉一條貫穿二界面的線， 其線上各元素分布如下圖所示： 圖 317 鎂鋁界面處元素分 布 由貫穿兩界面上的一系列的點的鎂鋁含量可知，該圖上部分呈黑色的為鎂，下部呈白色的為鋁。這些結(jié)果表明，鎂合金攪拌摩擦焊焊縫其組成成分變化不大，焊接結(jié)構(gòu)件仍然有較好的使用性能。 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。鎂和銅元素的含量在一定范圍內(nèi)起伏波動。 圖 313 金相鑲嵌試樣 在右側(cè) 融合線 附近拉一條線，其線上各元素分布如下圖所示： 圖 314 試樣右側(cè) 融合線 附近成分分布 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 29 由上圖可以看出，熔合線附近的鋁元素的含量基本沒有大的變化。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 28 電鏡掃描實驗分析 對三個不同試樣進行掃描電鏡實驗，分析不同焊接參數(shù)對焊縫及其附近組織成分的影響。因為該區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。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。熱影響區(qū)不存在塑性流動 , 但在熱傳導(dǎo)的作用下晶粒變得比較粗大。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 27 圖 311 回撤面熱機械影響區(qū) 同前進面熱機械影響區(qū)一樣， 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。熱影響區(qū)不存在塑性流動 , 但在熱傳導(dǎo)的作用下晶粒變得比較短小。 7 6 5 1 2 3 4 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)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。 圖 35 焊縫橫截面試樣 圖 35 中七個數(shù)字處的微觀組織，分別對應(yīng)于以下圖 36 到圖 312（圖36 到圖 311放大倍數(shù)均為： 500） 圖 36 焊核區(qū) 焊核處晶粒細小的原因是因為這個部位的金屬在攪拌頭的作用下，溫度較高、應(yīng)變速率較大，使之不斷地發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶所致。圖 38 為熱機械影響區(qū)與焊核的過渡區(qū)的高倍組織圖，相比于母材橫向的軋制方向，該區(qū)域左側(cè)材料發(fā)生嚴重變形，右側(cè)已有部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶；焊核區(qū)（見圖 36）是攪拌針直接作用的區(qū)域，組織結(jié)構(gòu)都發(fā)生較大的變化，焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，組織是明顯的等軸晶粒，并且非常細小，晶粒的尺寸取決于所焊合金及焊接規(guī)范。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(dǎo)致焊核左側(cè)分界線很明顯。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 32 AZ31 鎂合金攪拌摩擦焊焊縫表面形態(tài) AZ31 自左向右焊接 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 24 被擠壓金屬 向后流動 被剪切金屬 焊接方向 前進側(cè) 后退側(cè) 圖 33 攪拌摩擦焊接頭橫截面宏觀形貌 圖 34 塑性金屬流動模型 從圖 3－ 3可以看出焊核與兩側(cè)熱變形影響區(qū)的分界線有一定差別，在前進邊 (Advancing side)焊核與熱變形影響區(qū)的分界線很明顯，而后退邊(Retreating side) 焊核與熱變形影響區(qū)的分界線相對模糊。焊核兩側(cè)為熱機械影響區(qū)，熱機械影響區(qū)兩側(cè)為熱影響區(qū)。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 23 (a) 轉(zhuǎn)速 400r/min,焊速 80mm/min (b)轉(zhuǎn)速 400r/min,焊速 100mm/min （ c）轉(zhuǎn)速 400r/min,焊速 120mm/min 圖 31 不同工藝參數(shù)下攪拌摩擦焊焊縫表面形態(tài) 攪拌摩擦焊接頭金相組織 (1)宏觀組織 鎂合金攪拌摩擦焊接頭橫截面典型組織形貌。 圖 (a)、 (b)為當(dāng)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。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、攪拌頭傾角和攪拌頭軸肩壓力等參數(shù)不十分匹配時，焊縫表面及內(nèi)部會反應(yīng)出不同的缺陷。 金相試驗分析 攪拌摩擦焊焊縫表面形態(tài) 影響攪拌摩擦焊焊縫成形的主要因素有 :攪拌頭的形狀、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、攪拌頭傾角和軸肩壓力。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。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 。 顯微硬度的測試原理是采用一定錐體形狀的金剛石壓頭，施以幾克到幾百克質(zhì)量所產(chǎn)生的重力（壓力）壓入試驗材料表面，然后測量其壓痕的兩對南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 21 角線長度。 圖 26 掃描電鏡實驗設(shè)備 顯微硬 度實驗 實驗設(shè)備：砂紙若干 研磨拋光機 HVS1000 型維氏顯微硬度計（見圖27） 圖 27 HVS1000 型維氏顯微硬度計 實驗原理： 硬度是指固體材料受到其它物體的力的作用，在其受侵入時所呈現(xiàn)的抵抗彈性變形、塑性變形及破裂的綜合能力。 用吹風(fēng)機吹干后 ,即可在顯微鏡下進行觀察。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。 拋光過程中要不斷向拋光布上倒入適量的含有氧化鋁的拋光液。 圖 23 攪拌摩擦焊試板尺寸 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 19 圖 24 金相實驗設(shè)備 圖 25 鑲嵌后試樣 2. 試驗步驟 1. 磨制 將砂紙放在光滑平整物體如玻璃板上 ,手指拿住試樣 ,并使磨面朝下 ,均勻用力由后向前推行磨削。 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。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。焊接試驗在龍門式數(shù)控攪拌摩擦焊機上進行。 Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Mg 余量 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 18 焊前準備及焊接參數(shù) 在剛性工作臺上。 表 22 AZ31 鎂合金力學(xué)性能 產(chǎn)品 狀態(tài) 抗拉強度 /MPa 拉伸屈服強度 /MPa 壓縮屈服強度 /MPa 伸長率 /% 板材 F 260 195200 95105 1417 試驗板材規(guī)格分別為： 100*100*10mm，兩板對接，不用開坡口，試板尺寸如圖 23 所示。 圖 21 焊接設(shè)備全貌 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(xué)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(xué)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。傾斜角度范圍為 0176。焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度均可無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍分別為 0到 1330mm/min 和 100到 3000r/min。本文主要研究 AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的組織形態(tài)。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。 通過課題的研 究，可進一步掌握關(guān)于焊接方面的知識；其次是培養(yǎng)自己的初步科研能力。在對鎂合金的攪拌摩擦焊方面，鎂合金攪拌摩擦焊的最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇范圍較窄。在鎂合金的應(yīng)用焊接的過程中，由于鎂合金熔點低、線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)高，對氧親合力高，導(dǎo)致鎂合金的焊接性差，常規(guī)的焊接方法難以獲得良好的焊接接頭。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。試驗表明，軸肩壓力主要影響焊縫成形。若傾角增大，焊接熱 作用程度增大。 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(yīng)力來影響接頭的性能。達到 411Mpa 最大值；當(dāng)θ≥ 5176?！堞取?5176?！堞取?176。時。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(xué)性能的影響如圖 114。 MxTriflute 形式的攪拌針錐面上開有三個螺旋形的槽，也是為了減小攪拌針的體積，增加塑化材料的流動性，同時可以攪碎附著于焊件表面的氧化物 [2223]。若在螺脊上加上凹槽，則可以進一步提高塑化材料的流動性。減少攪拌針體積和改變其設(shè)計形式都可以顯著改善焊縫的機械性能。因 此 錐 形 螺 紋 攪 拌 針 (Whorl)（如圖 112） 和 三 槽 錐 形 螺 紋 攪 拌 針(M