镁合金搅拌摩擦焊缝组织与性能研究毕业论文(编辑修改稿)

镁合金搅拌摩擦焊缝组织与性能研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的前支撑壳体等各类承力构件、各种附件。 图 17 采用 FSW制造的火箭燃料贮箱 镁合金在武器上的应用 镁合金最早应用于军事工业领域是在 1916年，被用于制造 7 mm炮弹引线。 我军产的ＨＱ－９ A导弹约在 1980年开始研制，到二十世纪末装备部队，可谓二十 年磨一剑，是我军研制的第一款攻击高空敌机 /弹道导弹双重用途先进防空导弹系统。 由于体型惊人，弹重约２吨，使其战略战术机动性受到很大影响：最高速度仅 赫，最大射程 200公里，射高 30公里。 其最高速度远低于先进国家的第三代防南京工程学院毕业设计说明书（论文） 6 空导弹；最大飞行时间超过两分钟，综合性能和系统整合能力与欧美和俄式先进防空导弹系统相比差距明显。 ＨＱ－９ A经过一系列改进后定型为红旗－ 9B，弹体采用了高强度的镁合金，由此把弹体总重降到了 1200公斤，体积也大为缩小，最高速度提升到 6马赫。 因此飞行到 200公里的最大射程也就 100秒。 可拦截飞行速度更快、距离更远的弹道导弹、巡航导弹和隐形飞机，一跃成为世界先进的双重用途先进防空导弹系统，成为独立于美、俄、欧系防空导弹家族的另 一极。 镁合金焊接的现状 钨极氩弧焊焊接镁合金 钨极氩弧焊 (TIG)是目前广泛采用的焊接方法 [10]，钨极氩弧焊在惰性气体充分保护下施焊，能获得较高质量的焊接接头，焊缝表面美观。 采用脉冲 TIG焊接 4mm厚 AZ31镁合金，焊接过程不添加焊丝。 脉冲频率为 20Hz时，焊缝中晶粒较细，显微硬度与母材相差不大，接头强度和延伸率较高，但仍低于母材，断裂位置在 焊缝中心。 疲劳极限为母材的 92%。 一般来说，焊接电流对接头的力学性能有很大影响。 镁合金的焊接电流越大，所需的焊接速度也越大，焊后接头的力学性能越好。 但是如果电流过大，接头的力学性能反而降低。 焊接时应将电流控制在合适的范围内。 所得接头热影响区晶粒粗大，硬度有所下降，而焊缝硬度与母材相当，接头强度和延伸率都低于母材。 断裂主要发生在热影响区，表明热影响区的粗大晶粒导致了镁合金焊接接头的断裂 [11]。 采用交流 TIG 方法焊接 AZ31镁合金薄板后 , 主要存在波浪变形、焊后错边、焊瘤、表面“麻点”现象和弧坑裂纹等缺 陷。 通过调整焊接顺序 , 采用大电流、快速焊和刚性固定等措施 , 可以获得较好的焊接接头 , 接头强度可以达到母材的 80% 以上 [8]。 AZ31镁合金材料在 TIG焊情况下，具有较大的焊接热裂纹倾向。 热裂纹均在焊缝金属中产生，主裂纹为沿晶扩展方式，分叉裂纹为沿晶与穿晶扩展方式共存。 镁合金不存在延迟裂纹倾向 [12]。 当热输入较大时 ， 熔池液态金属的高温停留时间过长 ， 冷却速度慢 ， 焊接接头的过热问题较为严重 ， 从而造成焊缝金属的组织晶粒长大 ， 热影响区的宽度明显变大。 焊缝区的细小晶粒 ， 对接头质量的改善较为有利 ， 而热影响区 的粗大晶粒 ， 必然对接头的性能产生不利的影响 ， 是接头断裂的危险区。 因此 ， 采用高速焊接 ， 在南京工程学院毕业设计说明书（论文） 7 保证焊透的情况下 ， 尽量选择小的焊接热输入 ， 是改善镁合金接头质量 、 抑制热影响区劣化作用的关键。 镁合金焊接过程中 ， 焊缝区晶粒明显细小 ， 由细小的等轴晶组成 ； 热影响区的晶粒明显粗大 , 是典型的过热组织 ， 是接头断裂的危险区 [13]。 熔化极气体保护焊焊接镁合金 熔化极气体保护焊 (MIG)焊接 镁 合金时 ,气孔是主要的焊接缺陷之一。 焊接 镁 合金时焊缝中的气孔为氢气孔。 焊接时氢的来源主要有两方面 ； 一是电弧气氛中的氢 ,在焊接高温下 ,焊接材料或坡口表面吸附的水分 ,以及潮湿空气中的水分都会侵入电弧空间 ,并分解为原子氢而溶入液态铝中 ,成为焊缝中形成气孔的主要原因 ； 二是焊丝表面氧化膜中的水分 , 镁 合金的氧化膜中因含有致密性比较低的 MgO ,吸水性较大 ,焊丝的氧化膜所吸附的水分全部进入熔池中 ,气孔对焊丝表面的氧化膜更敏感。 AlMg合金 MIG焊焊接时 ,由于焊丝氧化膜的影响更为主要 ,靠减少熔池存在时间来降低氢的溶入 ,难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向溶池侵入 ,因此一般希望增大溶池存在时间以利于气泡逸出 ,增大电流和降低焊接速度或增加线能量有利于减少气孔。 另外 ,采用脉冲电源可以减少气孔的产生。 在横焊或仰焊情况下 ,因不利气体排除 ,产生气孔的倾向要大于平焊和立向上焊。 铝镁合金为典型的共晶型合金 ,合金成分变化会改变共晶的数量 ,合金热裂纹倾向也随之变化。 AlMg合金裂纹倾向与含 Mg 量的关系如图 18所示。 由图 18可以看出 ,当含 Mg量较少时 ,易熔共晶不足以形成连续的液态空间 ,裂纹倾向较小。 当含 Mg 量较多时 ,大量共晶又能起到“愈合”作用 ,裂纹倾向也较小 ,只有在含 Mg含 量在 2 %左右时 ,裂纹倾向最大。 图 18 AlMg合金裂纹倾向与含 Mg量的 关系 从热裂纹的成因可以看出 ,增加焊丝中的含 Mg 量对裂纹能起到“愈合”作用。 MIG焊焊接 AlMg 合金时选用的焊丝含 Mg 量一般要超过 %～ 5 %。 MIG焊时由于热量比较集中 ,加热、冷却速度快 ,裂纹敏感性大的成分将向更低的南京工程学院毕业设计说明书（论文） 8 方向移动。 同时还可以防止形成粗大的柱状晶 ,使晶粒细化 ,裂纹倾向随之减小。 但是如果焊接电流与焊接速度太大 ,也会增加裂纹倾向。 焊接电流太大 ,不仅会使熔池过热 ,而且会增加熔合比 ,使母材成分过多的进入焊缝 ,增加裂纹倾向。 焊接速度加快 ,会提高焊缝在脆性温度区间内的应变率 ,同样增加裂纹倾向。 因此 ,焊接裂纹倾向较大的铝镁合金时 ,不宜采取过大的电流和焊接速度。 铝镁合金进行 MIG焊接时产生气孔的倾向大 , 必需严格进行焊前清理 ,控制母材清洁度。 处理好起弧、收弧 , 避免焊接裂纹、气孔、未焊透等缺陷。 保持焊接工艺参数的稳定性。 最好采用自动焊的方式 , 降低焊接质量对焊工技能的依赖 [14]。 搅拌摩擦焊焊接镁合金 搅拌摩擦焊（ Friction stir welding， FSW）是英国焊接研究所（ The Welding Institute， TWI）发明的一种新型固相连接技术 [15]。 如图 19 图 19 搅拌摩擦焊的技术原理 自 1991 年问世以来，搅拌摩擦焊技术迅速在飞机、船舶、汽车等交通工具制造领域实现了工业化应用，主要用于变形铝合金材料的连接。 镁合金是最轻的金属结构材料，具有比强度高、铸造和切削加工性能优良、易于回收再利用等优点，在交通工具制造领域有很大的应用潜力。 随着世界各国对汽车排放的要求越来越高，实现汽车轻量化以提高燃油效率，降低污染水平是汽车制造业发展的必然趋势。 因此，镁合金在汽车制造业尤其具有吸引力。 一、搅拌摩擦焊的特点 搅拌摩擦焊技术的优点 [1617] 搅 拌摩擦焊接时，高速旋转的摩擦头（由轴肩和搅拌针组成）在轴向压力的作用下与工件紧密接触，通过摩擦产生热量使焊接区的金属发生软化，在搅拌针机械搅拌的作用下金属发生流动，同时搅拌头沿着焊接方向移动，从而实 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 现工件的连接。 与传统的熔焊和钎焊相比，搅拌摩擦焊的加工温度低，不发生金属熔化，是一种固态连接技术。 搅拌摩擦焊具有以下技术优点： 1）、焊接接头质量高，不易产生缺陷。 焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相连接，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生裂纹、气孔等缺陷。 2）、不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊 接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等。 3）、便于机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。 4）、焊接成本较低，不用填充材料，也不用保护气体。 厚焊接件边缘不用加工坡口。 焊接铝材工件不用去除氧化膜，只需去除油污即可。 对接时允许留一定间隙，不苛求装配精度。 5）、焊件有刚性固定，且固相焊接时加热温度较低，故焊件不易变形。 这点对较薄铝合金结构的焊接极为有利，这是熔焊方法难以做到的。 6）、安全、无污染、无熔化、无飞溅、无烟尘、无辐射、无噪声、没有严重的电磁干扰及有害物质的 产生，是一种环保型连接方法。 搅拌摩擦焊接技术的缺点 1）、不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。 2）、如不采用专门的搅拌头，焊接结束后搅拌头退出时在焊缝末端会产生凹坑，需要用其他焊接方法补焊。 3）、目前焊接速度不高。 4）、焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。 二、搅拌摩擦焊的现状及发展 从材料角度看， TWI最初研究了搅拌摩擦焊在铝合金中的应用 [1819]。 搅拌摩擦焊已成功焊接 T20xx系列 (AlCu),5000系列 (AIMg), 6000系列(AlMgSi), 7000系列 (AIZn), 8000系列 (AlLi)等铝合金。 TWI在 1997年完成了使铝合金的搅拌摩擦焊进入工业应用阶段的初步研究工作。 英国剑桥焊接研究所，还研究了搅拌摩擦焊在钛合金中的应用。 TWI对 Ti6Al4V等的研究结果表明，采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金可以得到高质量的钛合金焊缝，且焊接速度快、成本低、效益好、操作简单。 TWI也对搅拌摩擦焊在锌材料中的应用进行了研究。 研究结果表明，搅拌摩擦焊能够用于焊接比较薄的锌板 (一种被认为难以南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 进行熔化焊的材料 )，焊接。 TWI还于 1998年 11月开始研究搅拌摩擦焊 ,在厚达 lOmm以上的钢及不锈钢中的应用。 低碳钢搅拌摩擦焊的研究结果表明，对于黑色金属也是能够采用搅拌摩擦焊的。 TWI采用搅拌摩擦焊已经成功地焊接了 25mm厚的碳钢板以及 lm长、 12mm厚的含铬12%的低碳钢的双边对接焊缝，获得了满意的综合力学性能。 用搅拌摩擦焊焊接比较薄的钢板时不需要用焊接材料，不需要进行板材边缘预整加工，这对工业化生产时降低成本和提高生产效率具有重大意义。 国内北京航空工艺研究所于 1998年开始进行搅拌摩擦焊的探索性研究。 南昌航空工业 学院己用现有设备焊接了铝合金对接接头、丁字接头，取得了较好效果。 最近两年，六二五所也己从工艺及设备方面进行研究。 此外，随着搅拌摩擦焊应用的日益广泛，曲面零件的搅拌摩擦焊也是重要的研究课题之一。 搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。 目前，用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果，现在英、美等国正进行锌、铜、钦、低碳钢、复合材料等的搅拌摩擦焊接。 EWI(美国爱迪生焊接学会 )甚至指出搅拌摩擦焊有希望焊接镍合金。 为了充分发挥搅拌摩擦焊的优点 ，提高焊接速度，提高焊接质量，有必要进行高速搅拌摩擦焊的研究 三、搅拌摩擦焊焊接参数对接头成形的影响 搅拌摩擦焊参数主要包括：焊接速度、旋转速度、搅拌头倾角、轴肩压力 [20]。 （一） 焊接速度 30031032033034035036037038039040 60 80 120 140 160 170 180焊接速度m m / m i n抗拉强度/MPa 图 110 焊接速度对搅拌摩擦焊镁合金接头强度的影响 由图 110可见，接头强度随着焊接速度的提高并非单调变化，而是存南京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 在峰值。 当焊接速度小于 160mm/min 时 ,接头强度随着焊接速度的提高而增大，等于 160mm/min 时达到 381MPa 的最大值。 从焊接热输入可知，当旋转速度为定值，焊接速度较底时，搅拌头与焊件界 面的整体摩擦热输入较高。 如果焊接速度过高，使塑性软化材料，填充搅拌针行走所形成的空腔的能力变弱，软化材料填充空腔的能力不足，焊缝内易形成一条狭长且平行于焊接方向的疏松的缺陷，严重时焊缝表面形成一条狭长且平行于焊接方向的隧道沟，导致接头强度大幅度降低。 焊接速度等于 120mm/min 时，焊核区与热机械影响区界面形成较大的空洞缺陷，接头强度仅为 336MPa. (二 )旋转头转速 200220240260280300320340360380400500 600 700 800 900 1000 1100旋转速度r/min抗拉强度MPa 图 111 旋转速度对搅拌摩擦焊接镁合金接头强度的影响 保持焊接速度一定，改变搅拌头旋转速度进行试验，结果表明旋转速度较底时， 不能形成良好的焊缝，搅拌头的后边有一条焊沟槽。 随着旋转速度的增加，沟槽的宽度减小，当旋转速度提高到一定数值时，焊缝外观良好，内部的孔洞也减小，旋转速度提高到一定数值时，焊缝外观良好，内部的孔洞逐渐消失。 在合适的旋转速度下焊接接头才能获得最佳强度。 搅拌头旋转速度是通过改变焊接热输入和软化材料流动来影响接头微观结构，进而影响接头的强度。 当焊接速度为定值、旋转速度较底，焊接热输入较底，搅拌头前方不能形成足够的软化材料填充搅拌头后方的空腔，焊缝内易形成孔洞缺陷，从而弱化接头的强度，转速提高，焊接峰值温度增加，因而在一定范围内提高旋转速度，热输入增加，有利于提高软化材料填充空腔的能力，避免接头内缺陷的形成，接头内无缺陷。 南京工程学院毕业设计。