镁合金（AZ91D、AZ31B）焊接性的研究

论文摘要

本文采用钨极惰性气体保护焊（TIG）和熔化极惰性气体保护焊（MIG）对AZ91D、AZ31B镁合金的焊接性进行了较系统地研究,并且详尽探讨了常见的焊接性问题。揭示了AZ91D镁合金TIG/MIG及AZ31B镁合金MIG焊接接头的组织结构特点。结果表明,镁合金焊接接头由焊缝区,热影响区和母材区构成。镁合金焊缝多为较细小的等轴晶,在焊缝中心晶粒相对较粗大,而接近熔合线处晶粒较细小。焊缝金属主要由α-Mg固溶体和β-Al12Mg17金属间化合物组成,晶界处存在由α-Mg固溶体和β-Al12Mg17金属间化合物组成的两相层片状交替分布的共晶组织,在α-Mg固溶体晶内有β-Al12Mg17金属间化合物析出,随着焊缝Al含量的降低,晶界无共晶组织,极少量的β-Al12Mg17相呈细粒状析出于晶界。AZ91D、AZ31B镁合金焊接热影响区组织整体上有粗化的趋势,半熔化区晶界局部熔化、晶界变宽。研究了焊接电流和焊接速度对镁合金焊接接头组织及力学性能的影响规律。随着焊接电流的增加,AZ91D镁合金TIG/MIG及AZ31B镁合金MIG焊缝组织变化的突出特点是晶粒粗化,热影响区组织变化总的趋势是晶粒粗化、半熔化区晶界宽化,焊缝及半熔化区中β-Al12Mg17相的质量分数有增加的趋势。随着焊接速度的增加,焊缝组织变化的突出特点是晶粒细化,焊接热影响区组织变化总的趋势是晶粒细化和半熔化区晶界变窄。AZ91D镁合金MIG焊焊接电流为154A、TIG焊焊接电流为110A时,可获得相对较高的焊缝及接头的力学性能。AZ31B镁合金焊接,选择焊接电流160-170A、焊接速度400-450mm/min是有利的。研究了AZ91D、AZ31B镁合金焊接接头的裂纹和气孔的特点,探讨了形成机理及影响因素。结果表明,镁合金焊缝金属具有高的裂纹敏感性,主要分布在焊缝中心线处和焊缝末端弧坑处,裂纹沿α-Mg晶界扩展,属于结晶裂纹。镁合金焊缝结晶裂纹产生的主要原因在于焊缝中存在低熔点液态薄膜和焊缝金属在凝固过程中受到拉伸应力的作用,控制焊缝中低熔点共晶体的含量,降低接头拉伸应力是改善镁合金焊缝结晶裂纹敏感性的有效措施。与AZ31B镁合金相比,AZ91D镁合金具有更高的裂纹敏感性。AZ91D镁合金焊接热影响区的裂纹属于液化裂纹。随着焊接速度提高,接头拉伸应力减小,液化裂纹敏感性降低,在AZ31B镁合金MIG焊热影响区没有发现液化裂纹。镁合金焊缝具有高的产生氢气孔的敏感性。根据焊缝气孔的分布特征,可分为孤立气孔、密集气孔、链状气孔、弥散气孔和熔合区气孔。镁合金焊缝易产生氢气孔主要归因于焊接熔池中氢的溶解度随温度下降而降低,在凝固点发生突变,氢在焊接熔池中显著过饱和而导致气泡形核长大;镁合金密度小导致减小气泡的上浮速度;镁合金的热导率高导致提高焊缝的结晶速度。采用有限元模型研究了镁合金焊接接头温度场和应力场的分布特点及影响规律,有限元分析结果与试验结果基本吻合。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁合金材料的研究现状
• 1.2.1 镁及镁合金材料的特点
• 1.2.2 镁合金的种类
• 1.2.3 镁合金的应用
• 1.3 镁合金焊接的研究现状
• 1.3.1 镁合金的焊接性
• 1.3.2 钨极惰性气体保护焊（TIG）
• 1.3.3 熔化极惰性气体保护焊（MIG）
• 1.3.4 激光焊（LBW）
• 1.3.5 激光-TIG复合焊（Laser-TIG）
• 1.3.6 电子束焊（EBW）
• 1.3.7 搅拌摩擦焊（FSW）
• 1.3.8 电阻点焊（RSW）
• 1.4 有限元法在焊接数值模拟中应用和发展
• 1.4.1 焊接温度场的数值模拟
• 1.4.2 焊接应力场的数值模拟
• 1.5 选题意义及本文主要研究内容
• 第2章 试验材料、方法及设备
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法及设备
• 2.2.1 镁合金TIG焊
• 2.2.2 镁合金MIG焊
• 2.3 样品表征
• 2.3.1 光学显微镜
• 2.3.2 X射线衍射分析
• 2.3.3 扫描电镜和能谱分析
• 2.3.4 透射电镜分析
• 2.4 力学性能测试
• 2.4.1 硬度测试
• 2.4.2 拉伸实验
• 2.4.3 有限元分析
• 第3章 镁合金焊接接头的组织结构特点
• 3.1 焊缝区的微观组织特点
• 3.1.1 AZ91D镁合金TIG焊缝微观组织特点
• 3.1.2 AZ91D镁合金MIG焊缝微观组织特点
• 3.1.3 AZ31B镁合金MIG焊缝的微观组织特点
• 3.2 热影响区的微观组织特点
• 3.2.1 AZ91D镁合金TIG焊热影响区的微观组织特点
• 3.2.2 AZ31B镁合金MIG焊热影响区的微观组织特点
• 3.3 母材的微观组织特点
• 3.3.1 AZ91D镁合金母材的微观组织特点
• 3.3.2 AZ31B镁合金母材的微观组织特点
• 3.4 本章小结
• 第4章 焊接参数对镁合金接头组织及力学性能的影响
• 4.1 焊接参数对AZ91D镁合金接头组织的影响
• 4.1.1 MIG焊接电流对接头组织的影响
• 4.1.2 MIG焊接速度对接头组织的影响
• 4.1.3 TIG焊接参数对接头组织的影响
• 4.2 焊接参数对AZ91D镁合金接头力学性能的影响
• 4.2.1 焊接接头的硬度
• 4.2.2 焊接接头的拉伸性能
• 4.2.3 焊缝裂纹扩展及断口形貌
• 4.3 焊接参数对AZ31B镁合金接头组织的影响
• 4.3.1 焊接电流对接头组织的影响
• 4.3.2 焊接速度对接头组织的影响
• 4.3.3 焊接接头的力学性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 镁合金焊接接头的热裂纹和气孔
• 5.1 镁合金焊缝结晶裂纹
• 5.1.1 焊缝结晶裂纹的表面形貌
• 5.1.2 焊缝结晶裂纹的截面形貌
• 5.1.3 焊缝结晶裂纹的断口形貌
• 5.1.4 焊缝结晶裂纹的形成机理
• 5.2 镁合金焊接热影响区液化裂纹
• 5.3 镁合金焊缝气孔
• 5.3.1 焊缝中气孔的特征
• 5.3.2 焊缝中气孔的形成机理
• 5.3.3 防治焊缝气孔的途径
• 5.4 焊缝中的缩孔
• 5.5 本章小结
• 第6章 镁合金熔化焊的有限元分析
• 6.1 焊接温度场计算的基本理论
• 6.1.1 傅立叶公式
• 6.1.2 热传导微分方程式
• 6.2 焊接应力和应变的分析理论
• 6.2.1 应力应变关系
• 6.3 有限元模型的建立
• 6.3.1 建立几何模型
• 6.3.2 有限元网格模型
• 6.3.3 热源模型
• 6.3.4 材料的热物理性能
• 6.4 焊接温度场的有限元分析
• 6.4.1 焊接电流的影响
• 6.4.2 焊接速度的影响
• 6.4.3 焊接过程中时间温度场的影响
• 6.5 焊接应力场的有限元分析
• 6.5.1 焊接电流的影响
• 6.5.2 焊接速度的影响
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract