【正文】 , 熱導(dǎo)率高, 焊接時應(yīng)采用大功率的焊接熱源, 因而焊縫及近縫區(qū)易產(chǎn)生過熱、晶粒長大、結(jié)晶偏析等現(xiàn)象, 影響接頭性能；(3) 鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑, 易與空氣中的氧、氮反應(yīng)生成MgO、Mg3N2 , 易在焊縫中形成細(xì)小片狀固態(tài)夾渣, 不僅嚴(yán)重阻礙焊縫成形, 也使接頭的力學(xué)性能顯著下降, 因此焊接時需用惰性氣體或焊劑保護(hù)；(4) 鎂合金的線膨脹系數(shù)較大, 在焊接過程中易于變形, 產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力, 易于產(chǎn)生熱裂紋；(5) 在焊接加熱條件下, 高溫中能大量地溶解氫, 隨溫度下降, 其溶解度急劇減少, 析出大量氫氣容易形成氣孔；(6) 在焊接薄件時, 由于鎂合金熔點(diǎn)較低,而氧化鎂的熔點(diǎn)很高, 兩者不易熔合, 焊接操作時難以觀察焊縫的熔化過程。 鎂合金的應(yīng)用鎂合金在車輛工業(yè)上的應(yīng)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(yīng)用日益廣泛[9]。(2)質(zhì)量減輕可以增加車輛的裝載能力和有效載荷，同時還可改善剎車和加速性能。目前汽車工業(yè)中鎂合金用量較多的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。我國汽車廠使用鎂合金件還剛剛開始，目前一汽、東風(fēng)和上海大眾等廠家已在使用，上海桑塔納轎車的變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼等使用鎂合金量比較高。圖15 鎂合金用作汽車零部件鎂合金在自行車上的應(yīng)用利用鎂合金的重量輕、比強(qiáng)度高和耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)。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。圖16 鎂合金電動車鎂合金在航天航空上的應(yīng)用（如圖17）航空材料減重帶來的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善十分顯著，商用飛機(jī)與汽車減重相同質(zhì)量帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100倍。正因如此，航空工業(yè)采用各種措施增加鎂合金的用量，而且在相應(yīng)的零部件開發(fā)上得以應(yīng)用，如航空發(fā)動機(jī)零件、油箱隔板、飛機(jī)長析、翼肋、飛機(jī)艙體隔框、戰(zhàn)斗機(jī)座艙艙架、直升機(jī)發(fā)動機(jī)后減速機(jī)匣、渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的前支撐殼體等各類承力構(gòu)件、各種附件。我軍產(chǎn)的ＨＱ－９A導(dǎo)彈約在1980年開始研制，到二十世紀(jì)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(jī)/彈道導(dǎo)彈雙重用途先進(jìn)防空導(dǎo)彈系統(tǒng)。其最高速度遠(yuǎn)低于先進(jìn)國家的第三代防空導(dǎo)彈；最大飛行時間超過兩分鐘，綜合性能和系統(tǒng)整合能力與歐美和俄式先進(jìn)防空導(dǎo)彈系統(tǒng)相比差距明顯。因此飛行到200公里的最大射程也就100秒。 鎂合金焊接的現(xiàn)狀鎢極氬弧焊(TIG)是目前廣泛采用的焊接方法[10]，鎢極氬弧焊在惰性氣體充分保護(hù)下施焊，能獲得較高質(zhì)量的焊接接頭，焊縫表面美觀。脈沖頻率為20Hz時，焊縫中晶粒較細(xì)，顯微硬度與母材相差不大，接頭強(qiáng)度和延伸率較高，但仍低于母材，斷裂位置在焊縫中心。一般來說，焊接電流對接頭的力學(xué)性能有很大影響。但是如果電流過大，接頭的力學(xué)性能反而降低。所得接頭熱影響區(qū)晶粒粗大，硬度有所下降，而焊縫硬度與母材相當(dāng)，接頭強(qiáng)度和延伸率都低于母材。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(diǎn)”現(xiàn)象和弧坑裂紋等缺陷。AZ31鎂合金材料在TIG焊情況下，具有較大的焊接熱裂紋傾向。鎂合金不存在延遲裂紋傾向[12]。焊縫區(qū)的細(xì)小晶粒，對接頭質(zhì)量的改善較為有利，而熱影響區(qū)的粗大晶粒，必然對接頭的性能產(chǎn)生不利的影響，是接頭斷裂的危險區(qū)。鎂合金焊接過程中， 焊縫區(qū)晶粒明顯細(xì)小，由細(xì)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]。焊接鎂合金時焊縫中的氣孔為氫氣孔。AlMg合金MIG焊焊接時,由于焊絲氧化膜的影響更為主要,靠減少熔池存在時間來降低氫的溶入,難以有效地防止焊絲氧化膜分解出來的氫向溶池侵入,因此一般希望增大溶池存在時間以利于氣泡逸出,增大電流和降低焊接速度或增加線能量有利于減少氣孔。在橫焊或仰焊情況下,因不利氣體排除,產(chǎn)生氣孔的傾向要大于平焊和立向上焊。AlMg合金裂紋傾向與含Mg 量的關(guān)系如圖18所示。當(dāng)含Mg 量較多時,大量共晶又能起到“愈合”作用,裂紋傾向也較小,只有在含Mg含量在2 %左右時,裂紋傾向最大。MIG焊焊接AlMg 合金時選用的焊絲含Mg %～5 %。同時還可以防止形成粗大的柱狀晶,使晶粒細(xì)化,裂紋傾向隨之減小。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(jìn)入焊縫,增加裂紋傾向。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。處理好起弧、收弧, 避免焊接裂紋、氣孔、未焊透等缺陷。最好采用自動焊的方式, 降低焊接質(zhì)量對焊工技能的依賴[14]。如圖19圖19 攪拌摩擦焊的技術(shù)原理自1991 年問世以來，攪拌摩擦焊技術(shù)迅速在飛機(jī)、船舶、汽車等交通工具制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，主要用于變形鋁合金材料的連接。隨著世界各國對汽車排放的要求越來越高，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化以提高燃油效率，降低污染水平是汽車制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。一、攪拌摩擦焊的特點(diǎn)攪拌摩擦焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[1617]攪拌摩擦焊接時，高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭（由軸肩和攪拌針組成）在軸向壓力的作用下與工件緊密接觸，通過摩擦產(chǎn)生熱量使焊接區(qū)的金屬發(fā)生軟化，在攪拌針機(jī)械攪拌的作用下金屬發(fā)生流動，同時攪拌頭沿著焊接方向移動，從而實(shí)現(xiàn)工件的連接。攪拌摩擦焊具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1）、焊接接頭質(zhì)量高，不易產(chǎn)生缺陷。2）、不受軸類零件的限制，可進(jìn)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(jìn)行大型框架結(jié)構(gòu)及大型筒體制造、大型平板對接等。4）、焊接成本較低，不用填充材料，也不用保護(hù)氣體。焊接鋁材工件不用去除氧化膜，只需去除油污即可。5）、焊件有剛性固定，且固相焊接時加熱溫度較低，故焊件不易變形。6）、安全、無污染、無熔化、無飛濺、無煙塵、無輻射、無噪聲、沒有嚴(yán)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）、如不采用專門的攪拌頭，焊接結(jié)束后攪拌頭退出時在焊縫末端會產(chǎn)生凹坑，需要用其他焊接方法補(bǔ)焊。4）、焊縫背面需要有墊板，在封閉結(jié)構(gòu)中墊板的取出比較困難。攪拌摩擦焊已成功焊接T2000系列(AlCu),5000系列(AIMg), 6000系列(AlMgSi), 7000系列(AIZn), 8000系列(AlLi)等鋁合金。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(yīng)用。TWI也對攪拌摩擦焊在鋅材料中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。TWI還于1998年11月開始研究攪拌摩擦焊,在厚達(dá)lOmm以上的鋼及不銹鋼中的應(yīng)用。TWI采用攪拌摩擦焊已經(jīng)成功地焊接了25mm厚的碳鋼板以及l(fā)m長、12mm厚的含鉻12%的低碳鋼的雙邊對接焊縫，獲得了滿意的綜合力學(xué)性能。國內(nèi)北京航空工藝研究所于1998年開始進(jìn)行攪拌摩擦焊的探索性研究。最近兩年，六二五所也己從工藝及設(shè)備方面進(jìn)行研究。攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生重大變革。EWI(美國愛迪生焊接學(xué)會)甚至指出攪拌摩擦焊有希望焊接鎳合金。（一） 焊接速度圖110 焊接速度對攪拌摩擦焊鎂合金接頭強(qiáng)度的影響由圖110可見，接頭強(qiáng)度隨著焊接速度的提高并非單調(diào)變化，而是存在峰值。從焊接熱輸入可知，當(dāng)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。焊接速度等于120mm/min時，焊核區(qū)與熱機(jī)械影響區(qū)界面形成較大的空洞缺陷，接頭強(qiáng)度僅為336MPa.(二)旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速 圖111 旋轉(zhuǎn)速度對攪拌摩擦焊接鎂合金接頭強(qiáng)度的影響保持焊接速度一定，改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)速度較底時，不能形成良好的焊縫，攪拌頭的后邊有一條焊溝槽。在合適的旋轉(zhuǎn)速度下焊接接頭才能獲得最佳強(qiáng)度。當(dāng)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(qiáng)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。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式。高速旋轉(zhuǎn)的軸肩和工件表面之間的相互摩擦能夠產(chǎn)生大量熱，當(dāng)焊接薄板時，這是主要的產(chǎn)熱方式，對于厚板攪拌摩擦焊，軸肩與工件之間的摩擦不能提供足夠的熱量，此時更多的熱量由高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針和工件之間相互摩擦產(chǎn)生。人們已研制出各種形式的攪拌針，以適應(yīng)各種狀態(tài)，主要有以下幾種：1）、柱形光頭攪拌針 在攪拌摩擦焊工藝應(yīng)用的初期，柱形光頭攪拌針應(yīng)用較為廣泛，但在焊接過程中，攪拌針周圍的軟化材料受到指向焊縫根部的力較弱，軟化材料的流動性差，導(dǎo)致焊后接頭性能較差，而且攪拌針容易斷裂。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(shè)計成平。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(jī)械性能。若在螺脊上加上凹槽，則可以進(jìn)一步提高塑化材料的流動性。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]。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。時?！堞取?176?！堞取?176。達(dá)到411Mpa最大值；當(dāng)θ≥5176。抗拉強(qiáng)度/MPa28030032034036038040042012345攪拌頭傾角(度)圖114 攪拌頭傾角對攪拌摩擦焊接鎂合金接頭強(qiáng)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。若傾角增大，焊接熱作用程度增大。試驗(yàn)表明，軸肩壓力主要影響焊縫成形。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。在鎂合金的應(yīng)用焊接的過程中，由于鎂合金熔點(diǎn)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。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。通過課題的研究，可進(jìn)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。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(jìn)行焊接，實(shí)驗(yàn)要求選擇合適的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，進(jìn)而對其焊縫進(jìn)行金相分析、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)以及硬度測試。本文主要研究AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的組織形態(tài)。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。傾斜角度范圍為0176。圖21 焊接設(shè)備全貌 圖22 攪拌摩擦焊機(jī)控制面板試驗(yàn)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?jǐn)?shù)，%）AlZnMnSiFeCuNiMg余量AZ31鎂合金具有良好的強(qiáng)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。表22 AZ31鎂合金力學(xué)性能產(chǎn)品狀態(tài)抗拉強(qiáng)度/MPa拉伸屈服強(qiáng)度/MPa壓縮屈服強(qiáng)度/MPa伸長率/%板材F260195200951051417試驗(yàn)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 23 攪拌摩擦焊試板尺寸在剛性工作臺上。焊接試驗(yàn)在龍門式數(shù)控攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行。焊接工藝參數(shù)如表23表23 FSW焊接A