AZ31B镁合金焊接冶金性能研究

论文摘要

镁合金具有一系列优点,尤其是作为轻质工程结构材料备受关注,镁合金及其加工技术也就成为人们研究的热点。由于熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点,镁合金的焊接性能较差。针对镁合金连接方面需要解决的众多问题,镁合金焊接冶金基础理论的研究仍然是一个关键内容。本论文针对镁合金常用的电阻点焊Spot Welding-SW、钨极氩弧焊Tungsten Inert Gas Arc Welding-TIG和熔化极氩弧焊Metal Inert Gas ArcWelding-MIG等三种方法的焊接冶金性能进行了详细研究。本文研究了厚度为2mm的AZ31B镁合金板材电阻点焊焊接性能,能够获得成型良好的点焊焊接接头。最佳工艺参数是焊接电流4.85 kA、焊接时间1.3 s、加压时间0.44 s、冷却时间0.4 s、维持时间0.4 s、休止时间0.4 s。点焊接头中母材、热影响区Heat Affected Zone-HAZ和熔核区分界明显;HAZ形成环状的塑性区将母材和熔核区分割开。熔核区得到树枝晶和等轴晶的混合组织。点焊接头的最大抗剪力达到2300 N。TIG焊接8 mm厚度AZ31B镁合金时,焊缝区和母材的物相种类组成一致,均为α-Mg固溶体和Mg17Al12金属间化合物,但物相含量略有区别,母材的强度峰值比焊缝区的高。随着焊接电流的增大,HAZ和焊缝区的晶粒尺寸均增大,共晶物Mg17Al12的析出数量增多,且连续弥散分布在晶界和晶粒内部。焊缝区晶粒的变化幅度较HAZ的小。AZ31B镁合金母材和TIG对接焊接接头的抗拉强度分别为228.76 MPa和149.31MPa,对接接头的抗拉强度是母材的65.27%。同时,HAZ的硬度值低于母材,最小值为42 HK;焊缝区的共晶物较多,硬度最高可达95 HK。AZ31B镁合金在TIG焊接的情况下,具有较大的焊接热裂纹倾向。热裂纹均在焊缝金属中产生,开裂处始于焊缝上表面。主裂纹是沿晶扩展,两侧存在多次分叉裂纹。分叉裂纹为沿晶与穿晶扩展方式共存。焊接工艺参数对焊接热裂纹的产生有较大的影响。焊接电流大于170 A的焊接试件均出现了焊接热裂纹,而焊接电流小于160 A的焊接试件未产生任何裂纹。斜Y型坡口焊接裂纹试验焊后对每个试件焊缝区进行了观察,线能量较大的两个试样在焊缝区出现了焊接热裂纹。焊接热裂纹的扩展特征与自熔焊热裂纹的特征类似,主裂纹亦属于沿晶断裂,裂纹扩展中也存在多次分叉裂纹,不同的是分叉裂纹属于穿晶扩展。形成机理与自熔焊热裂纹的分析结果相近。未产生裂纹的试件在放置48小时以后仍然没有观察到任何形式的表面和内部裂纹,AZ31B镁合金TIG焊接冷裂倾向小。AZ31B镁合金MIG焊接时,熔滴颗粒细小均匀,存在飞溅和焊瘤现象,焊缝成型不及TIG焊接时均匀。10 mm厚AZ31B镁合金MIG焊接的最佳焊接工艺参数为:焊接电流250 A、焊接电压27 V、焊接速度13.37 mm/s、保护气体流量25 L/min、干伸长15 mm。MIG焊接与TIG相比,焊缝区晶界连续弥散分布的共晶物增多,晶粒得到细化;HAZ晶内的共晶物呈块状分布。Mg17Al12相的弥散分布,可以弥补焊缝区晶界的缺欠,使得MIG焊接热裂纹的扩展受到限制,裂纹长度减小。同时,MIG焊缝区的显微硬度可达102HK,比TIG的高。AZ31B镁合金母材、TIG和MIG焊缝金属在3.5%NaCl中性溶液中电化学腐蚀反应剧烈。母材的自腐蚀电位Ecorr=-1.425 V,自腐蚀电流Icorr=1.093×10-2A。TIG焊缝金属的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为-1.489 V和1.598×10-2A。MIG焊缝金属的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为-1.497 V和1.645×10-2A。焊缝金属的耐腐蚀性能比母材的低,MIG焊接接头的耐腐蚀性能较TIG的弱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 镁及镁合金的基本性质
• 1.2.1 镁的性质
• 1.2.2 镁合金的性质
• 1.3 镁合金焊接特点及其焊接方法的发展现状
• 1.3.1 镁合金的焊接特点
• 1.3.2 镁合金焊接方法的研究现状
• 1.4 镁合金焊接冶金性能的影响因素
• 1.5 焊接缺陷概述
• 1.5.1 焊接热裂纹的形成机理
• 1.5.2 焊接冷裂纹的形成机理
• 1.5.3 焊接气孔概述
• 1.6 镁合金的腐蚀行为
• 1.7 本论文主要研究内容和技术路线
• 第二章 AZ31B镁合金点焊焊接冶金性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料与设备
• 2.3 AZ31B镁合金点焊焊接工艺性能研究
• 2.4 AZ31B镁合金点焊焊接接头冶金性能研究
• 2.5 AZ31B镁合金点焊焊接接头的剪切试验
• 2.6 本章小结
• 第三章 AZ31B镁合金钨极氩弧焊焊接冶金性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 AZ31B镁合金TIG堆焊焊接冶金性能研究
• 3.2.1 试验材料与设备
• 3.2.2 TIG焊接接头的物相分析
• 3.2.3 TIG焊接接头的显微组织比较分析
• 3.3 AZ31B镁合金TIG焊接接头力学性能研究
• 3.3.1 TIG焊接接头的静载拉伸试验
• 3.3.2 TIG焊接接头的显微硬度分析
• 3.4 AZ31B镁合金TIG自熔焊焊接裂纹研究
• 3.4.1 TIG自熔焊试验
• 3.4.2 焊接热裂纹扩展特征
• 3.4.3 分析与讨论
• 3.5 斜Y型坡口TIG添丝焊焊接裂纹试验研究
• 3.5.1 斜Y型坡口TIG添丝焊焊接裂纹试验
• 3.5.2 试验结果
• 3.5.3 分析与讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 AZ31B镁合金熔化极氩弧焊焊接冶金性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料与设备
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设备
• 4.3 AZ31B镁合金MIG焊接工艺性能研究
• 4.4 AZ31B镁合金MIG焊接冶金性能研究
• 4.4.1 MIG焊接接头的物相分析
• 4.4.2 MIG焊接接头的显微组织分析
• 4.4.3 MIG焊接接头的显微硬度分析
• 4.5 AZ31B镁合金MIG焊接裂纹研究
• 4.5.1 MIG焊接热裂纹扩展特征
• 4.5.2 分析与讨论
• 4.6 AZ31B镁合金MIG焊接气孔研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 AZ31B镁合金氩弧焊焊接接头耐腐蚀性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 AZ31B镁合金氩弧焊焊接接头电化学腐蚀试验
• 5.2.1 试验材料及设备
• 5.2.2 镁合金及其焊接接头的电化学腐蚀曲线
• 5.3 试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 对于下一步工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况