镁-钢异种金属搅拌摩擦焊工艺及性能研究

镁-钢异种金属搅拌摩擦焊工艺及性能研究内容摘要：

SW 对镁合金 (AZ31B)和钢 (Q235)进行焊接 ,焊接工艺参数 的优化 ,获得成形良好的接头。 分析了搅拌摩擦焊焊接工艺、接头组织及性能之 间的相互关系及接头断裂特点 ,采用扫描电镜、能谱分 析及电子探针等方法对镁 / 钢界面元素分布及连接特点进行研究 ,为汽车、船舶、飞机等交通工具轻量化实 现节能减排 ,提供一种有效的方法。 国内外研究现状 镁合金特点及镁合金的焊接性 镁合金是目前重要的结构材料 ,其特点有 :镁合金是目前应用中昀轻的金属 结构材料 ,其密度约是 Al 的 2/3,Fe 的 1/4,是交通工具轻量化的理想材料。 其比 强比刚度较高 ,虽然密度比塑料高 ,但在相等强度的情况下 ,镁合金材料的零部 件比塑料零部件要薄 ,质量也较轻 ,而且 ,其比强度比 Al 合金及 Fe 都要高 ,在 等强度零部件情况下 ,镁合金零部件要比 Al 和 Fe 零部件的质量轻很多。 镁合金 导电性和传热性优良 ,其热传导系数小于铝 ,大于钢 ,高出塑料热传导系数数十 倍 ,导电率强于铝和钢。 镁合金具有优良电磁波屏蔽性 ,较电镀屏蔽膜塑料的屏 蔽效果好 ,因此使用镁合金作为屏蔽材料可省去屏蔽膜电镀工序。 镁合金的机加 工性较好 ,其切削阻力小于铝合金和钢的切削阻力 ,机加工速度快 ,对刀具磨损 小 ,且抗冲击性能好 ,拥有良好的能量吸震性 ,使用在传动和驱动的零部件上可 减少机械振动 ,降低零部件断裂造成的事故。 镁合金具有优良的抗蠕变性能 ,尺 寸上随温度和时间的变化蠕变率小 ,因而可以确保工件在尺寸上的精度要求。 镁 合金再生性和可回收性良好 ,其废料回收利用率高达 85%以上 ,使得镁合金在有 色金属中具有很大的吸引力 ,其再生熔解时所耗的能源非常小 ,仅为制造新材料 耗能的 4%。 密度小是镁合金的主要优点 ,使镁合金成为零部件轻量化的理想材料 ,但在 在潮湿环境中镁合金的耐蚀性能较差 ,高缺口敏感性 ,在水和多数酸盐液体中易 [15] 被腐蚀 ,只在氢氟酸、铬酸、碱及汽油中相对比较稳定。 2?南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 镁合金由于熔点 低、热膨胀系数大、化学活性强和易氧化 ,且生成的氧化物 熔点比镁的熔点还高 ,导致镁合金在焊接过程中常出现许多的问题 ,这些性质与 铝合金的性质类似 ,但镁合金易氧化趋势大于铝合金 ,因此对焊接过程中所使用 [ 16] 的保护气的要求也更高。 镁合金主要焊接特点如下 : 镁合金因熔点低 ,导热率较大 ,导致焊缝及附近区域金属易过热及晶粒长大 , 降低接头性能 ,因此镁合金焊接时所采用热源功率较大 ,这也是镁合金焊接特点 之一。 镁合金表面张力小 ,焊接过程中常出现焊缝金属下塌现象。 镁极易氧化而 与氧结合 ,在镁的表面生成高熔点 MgO,熔点高达 2500176。 C,且密度较大 ,在熔池 内常常形成片状的夹渣 ,夹渣不但会恶化焊缝形成 ,而且会影响接头性能。 镁的 沸点 (1100℃ )较低 ,在采用电弧等高热源焊接时易蒸发 ,导致镁的流失和环境 污染 ,因此镁的焊接保护措施更加严格。 在焊接过程中 ,镁容易与 Cu、 Al、 Ni等 合金元素发生化学反应而形成低熔共晶体 ,导致接头易产生结晶裂纹 ,而且低熔 共晶在高温下易在晶界处发生熔化形成晶界缺陷 ,从而使接头性能降低。 镁合金 的由于线膨胀系数较大 ,焊缝金属凝固时的体积收缩率高达 %,导致接头变形 严重、应力较大 ,而加 剧热裂纹的形成。 与铝类似 ,焊接镁合金时也易形成氢气 孔 ,且随温度的降低 ,氢气的溶解度急剧减小 ,导致焊缝金属凝固时易形成气孔 , 因此 ,焊前要严格清理镁合金表面 ,采用合理的工艺来防止氢气孔的形成。 镁及 镁合金的热膨胀系数较大 ,分别为钢的 2 倍 ,铝的 倍 ,且热导率较高、弹性模量 较小 ,焊接过程易发生大的变形。 镁与钢异种金属的焊接 随着全球经济和科技的飞速发展、能源需求量的大幅增加及能源的短缺 ,节 能、环保已成为人类所面临的共同问题。 交通工具轻量化是节能的有效途径。 镁 合金密度小和高比强比刚度等 优异的金属特性 ,而成为交通工具轻量化首选的金 属材料 ,使得镁合金在航空、航天、汽车等领域得到广泛的运用。 镁合金应用途 径及范围的不断拓展 ,与钢 (目前应用昀 广的金属结构材料 )存在不可避免的连 接问题。 但由于两种金属物理性能和化学性能差异较大 (如表 11 所示 ),采用传 统的熔焊方法对二者进行焊接 ,很难得到良好的焊接接头 ,目前镁合金与钢焊接 的熔焊方法主要有激光深熔钎焊、电阻点焊和复合热源焊。 3?南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 [17] 表 11 镁和钢的物理和化学性质 金属名称 钢 镁 3 密度ρ / 熔点176。 C 1539 650 1 比热容 C/ 460 1078 1 热导率λ / 77 145 6 1 线膨胀系数 a/10 k 6 电阻率ρ /10 ?m 结晶时体积收缩率 % 10 原子半径 10m 原子昀外层电子数 3 2 晶格类型 Bcc hcp 16 晶格常数 10m 周 期表中 A Ⅶ Ⅱ A 所谓复合热源焊是把物理性质、热量传导方式完全不同的两种热源组合在一 起 ,并同时加工于同一位置 ,不但发挥了两种热源独自的优势 ,而且弥补了各自 的不足 ,而形成一种新的高效热源 ,图 11 为复合热源焊接装置示意图。 Liming [8] Liu 、赵旭等人先后采用 TIG 焊和激光 ?TIG 复合热源焊对 AZ31B 镁合金和304 不 [18] 锈钢进行搭接焊研究 ,发现采用 TIG 焊焊接时 ,镁合金基材易烧损、氧化现象十 分严重 ,焊缝成形较差 ,接头力学性能很低。 采用复合热源焊得接头成形较好 , 接头力学性能 明显提高。 在复合热源焊过程中存在 Mg 元素向钢中扩散 ,并在镁 / 钢侧界面形成过渡区 ,生成“竹节状”的 MgO 相如图 12 和 Mg Fe O 相 ,从 x y z 而实现镁和钢紧密连接。 Mg Fe O 复合相的存在 ,证明了镁与钢之间存在扩 x y z 散作用。 图 11 复合热源焊接装置示意图 图 12 焊缝微观组织“竹节状”形貌 单闯等人采用激光 ?TIG 复合热源焊对 AZ31B 镁合金和 Q235 钢进行焊接试 [1 20] 验 ,并对加夹层焊和不加夹层焊的接头成形及抗拉强度进行了对比 ,试验结 果表明 ,以 Ni 箔作为夹层焊得到的接头成形较好 ,接头剪切强度 (170MPa)大于 4?南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 不加夹层焊得到的接头强度 (123MPa)。 接头抗拉强度随焊接速率的减小、激光功 率的增大而增大 ,随激光离焦量的增大呈先增大后减小的趋势变化 ,而钢侧焊缝 宽度随激光离焦量增大呈现先减小后增大的特点。 TIG 电流对接头抗拉强度影响不 明显。 Ni 元素富集分布于焊核两侧 ,Ni 元素和 Fe 元素以固溶体形式紧密连接 , Ni 元素和 Mg 元素之间以金属间化合物 (Mg 与 Ni 的金属间化合物为 Mg Ni 和 2 MgNi )相结合 ,从而实现了镁和钢的紧密连接。 2 镁和钢采用无夹层复合热源焊虽能成功连接 ,但由于两种金属的熔点差异较 大 ,难以同时达熔融态 ,且二者晶格类型不同 ,相互固溶度极低 ,焊接冶金性差、 、 [21] [22 镁 /钢界面连接差 ,接头强度较低。 基于以上原因 ,Liming Liu 、 Xiao dong Qi 23] 等人采用激光 ?TIG 复合热源焊以纯 Ni、 Zn 和 Cu 箔及 H80、 H62 作为夹层对 AZ31B 镁合金和 Q235 钢进行试验。 结果表明 ,同镁 /钢直接焊相比 ,夹层焊得到 接头强度明显提高 ,加 Cu 箔接头剪切强度昀高 ,为 170MPa,达 AZ31B 母材强度 的 100%。 镁 /钢直接焊接头断裂于镁 /钢界面 ,而加不同夹层的焊接接头断裂于熔 合区 ,接头断裂类型为准解理断裂。 夹层的加入改善了镁合金对钢的润湿性 ,使 焊缝熔合区域镁 /钢紧密连接 ,从而使接头强度得到改善。 [ 2 25] 苗玉刚等人采用激光深熔钎焊对 AZ31 镁合金和 Q235 钢进行试验 ,合 适的工艺参数可获得熔钎焊性能的复合型接头 ,焊接过程中镁完全焊透 ,而钢只 熔化微小部分 ,如图 13 激光深熔钎 焊工艺示图。 激光光束偏移量对接头抗拉强度 影响显著 ,当激光光束偏移量为 时 ,接头平均抗拉强度为 185MPa,达。