（材料加工工程專業(yè)論文）鎂合金活性焊絲研究.pdf

大連理工大學碩士學位論文 摘要 鎂合金以其密度低 比強度高 阻尼減震性好 易機械加工及良好的可回收性等優(yōu) 點 在航空航天 汽車等行業(yè)具有廣闊的應用前景 作為鎂合金焊接技術的核心內(nèi)容之 一 優(yōu)質(zhì) 高效鎂合金焊接材料的制備和應用技術已成為制約鎂合金產(chǎn)業(yè)化的 瓶頸 問題 因此展開對鎂合金新型 高效焊接材料的研究 已成為一項有理論意義和現(xiàn)實意 義的工作 本文研究了鎂合金焊絲的擠壓生產(chǎn) 活性焊絲的制備 活性焊絲增加焊接熔 深的能力和機理 活性劑成分的選擇 研究表明 鎂合金具有密排六方晶格 常溫下滑移系少 塑性變形能力差 不能采 用與鋁合金類似的拉拔方法制備焊絲 本文采用熱擠壓的方法 自制了擠壓裝置 通過 設定合理的預熱溫度 擠壓速度等工藝參數(shù) 成功制備出了系列鎂合金焊絲 本文將鎂合金焊絲與活性化焊接中應用的活性劑結(jié)合在一起 制成活性化焊絲 研 究發(fā)現(xiàn) 應用鎂合金活性焊絲焊接鎂合金 焊接熔深得到顯著增加 最大可達普通焊絲 焊接熔深的3 倍 活性劑增加焊接熔深的能力與其分解溫度存在對應關系 分解溫度在 9 0 0 的活性劑增加熔深的作用最為明顯 以氯化物為活性劑焊接時 電弧電壓有明顯 的增加 電弧形態(tài)雖然向四周擴張但中心高溫區(qū)卻呈收縮趨勢變化 電弧光譜分析結(jié)果 顯示在鎂合金活性焊絲焊接中m g 代替a r 成為電弧的主要放電元素 活性焊絲焊接時 活性劑主要是通過壓縮電弧導電通道 增加電弧電流密度和能量密度 提高電弧的熱效 率而起到增加焊接熔深的作用 本文還對活性焊絲的填絲性能進行了研究 研究發(fā)現(xiàn)單一成分的活性劑降低了焊絲 填絲的性能 通過對活性劑成分的優(yōu)化 設計出一系列活性劑的復合配方 不僅更明顯 的增加了焊接熔深 而且改善了焊絲的填絲性能 關鍵詞 鎂合金 熱擠壓 活性焊絲 復合配方 鎂合金活性焊絲研究 s t u d yo nt h ew e l d i n go f m a g n e s i u m w i t hf l u xc o a t e dw i r e a b s t r a c t f o rt h ee b a r a c t e r i s t i c so fl o wd e n s i t y h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h g o o de l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n ga n dr e c y c l a b l e m ga l l o y sa r eu s e di nm a n yf i e l d s s u c h 蠲a e r o s p a c ev e h i c l e a u t o m o b i l e c e n s u l n e l e l e c t r o n i cp r o d u c t i o n s h o w e v e r t h ef i l l e rw i r eo fm ga n di t sa l l o y c a n tm e e tt h ed e m a n d so fm a n u f a c t u r i n ga tp r e s e n ta n di th a sb e e nt h em a i np r o b l e mw h i c h l i m i t st h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o ys t r u c t u r a lc o m p o n e n t s h e r e b y t h er e s e a r c ho nm g f i l l e rw i r ei sb e c o m i n gaf o c a lt o p i ca 1 1o v e rt h ew o r l d i nt h i sp a p e r m a n u f a c t u r eo ft h e n o r m a lf i l l e rw i r ea n df l u xc o a t e df i l l e rw i r e t h ee f f e c to ft h ef l u xc o a t e dw i r eo nw e l d p e n e t r a t i o n t h ec o m p l e xf o r m u l ao ft h ef l u x e sw e r es t u d i e da n dt h em e c h a n i s mo fw e l d p e n e t r a t i o ni n c r e a s ew a sd i s c u s s e d n er e s u l t ss h o w e dt h a tm a g n e s i u ma l l o yw e l d i n gw i r ec a n tb ef a b r i c a t e db yd r a w i n g m e t h o da sa l u m i n u ma l l o yw i r ef o ri t sp o o rp l a s t i c i t y w h i c hr e s u l t si nm a g n e s i u ma l l o y s c l o s e p a c k e dh e x a g o n a ll a t t i c ea n df e ws l i ps y s t e m i nt h i ss t u d y h o t e x t r u d i n gp r o c e s sh a s b e e na d o p t e dw i t hp r o p e rp r o c e s sp a r a m e t e r s a n dm a g n e s i u ma l l o yw e l d i n gw i r eh a sb e e n f a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y f l u xc o a t e dw i r ew a sp r e p a r e db yc o a t e dt h ef l u xo nt h es u r f a c eo f t h en o r m a lf i l l e rw i r e t h ew e l dp e n e t r a t i o nw a si n e r e a s e db yt h eu s eo ft h ef l u xc o a t e dw i r e a n dt h em a x i m u m i n c r e a s el e v e li st h e3 0 0 o ft h ew e l dp e n e t r a t i o nu s i n gn o r m a lw i r e t h eb o i l i n gp o i n t so f t h ef l u x e st h a ti n c r e a s e dw e l dp e n e t r a t i o nm o s ta r em o s t l yi nt h er e g i o n sa b o u t9 0 0 i nf l u x c o a t e dw i r ew e l d t h ew e l d i n ga r ec o n s t r i c t i o ni sg e n e r a t e db yt h ed i s s o c i a t i o no ft h e c o n s t i t u e n te l e m e n t so ft h ef l u x t h ec o n s t r i c t e dw e l d i n ga r cl e a d st oai n c r e a s i n gi na r c v o l t a g e 伽n 哪d e n s i t ya n d a r ct e m p e r a t u r e t h ei n t e r f u s i o na b i l i t yb e t w e e nt h ed r o p l e tm e t a la n dt h ew e l d i n gp o o lm e t a lb e c a m e w o r s ei nt h es i n g l ef l u xc o a t e dw i r ew e l dt h a nt h en o r m a lw i r e a n dt h a ti n d i c a t e df i l l i n g a b i l i t yo f t h ef i l l e rw i r eb e c a m eb a d 1 1 圮c o m p l e xf o r m u l aw h i c hi sc o m p o s e do f o x i d ef l u x e s i s d e s i g n e dw i t ht h eu n i f o r md e s i g n 1 1 1 eu s eo ft h ec o m p l e xf o r m u l af l u x c a nn o to n l y i n c r e a s et h ew e l dp e n e t r a t i o nb u ta l s oi m p r o v et h ef i l l i n ga b i l i t yo f t h ef l u xc o a t e dw i r e k e yw o r d s m a g n e s i u ma l l o y h o t e x t r u d i n g f l u xc o a t e dw i r e c o m p l e x f o r m u l a i i 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明 本碩士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學位或證書所使用過的材料 與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 作者簽名 蘊塑蘭日期 幽笙 星嬰 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 大連理工大學碩士 博士學位 論文版權使用規(guī)定 同意大連理工大學保留并向國家有關部門或機構(gòu)送 交學位論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連理 工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 也 可采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文 作者簽名 窿壘絲 導師簽名 大連理工大學碩士學位論文 1 緒論 1 1 選題意義及背景 鎂是最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料 密度為1 7 3 8 9 c m 3 為鋼的l 4 鋁的2 1 3 t 與鋼和 鋁合金相比 鎂具有較高的比強度 比剛度 良好的鑄造 切削加工 導熱 阻尼 電 磁屏蔽性能和易于回收等優(yōu)點 2 因而在航空航天 汽車以及3 c 產(chǎn)品領域有廣闊的應 用前景 被認為2 1 世紀最具開發(fā)和應用潛力的 綠色材料 7 4 1 鎂是地球上儲量最豐 富的元素之一 除地殼表層金屬礦的含量外 在鹽湖及海洋中的含量也十分可觀 引 隨著 很多金屬礦產(chǎn)資源日益枯竭 鎂以其資源豐富而日益受到重視 特別是結(jié)構(gòu)輕量化技術 及環(huán)保問題的需求更加刺激了鎂工業(yè)的發(fā)展 目前 鎂合金的研究已成為世界性的熱點 現(xiàn)階段 鎂合金研究及其發(fā)展需要解決的問題主要包括 成分設計和性能的改 善 高溫蠕變強度 先進的成形技術及裝置 表面處理技術 連接技術 9 連接技術中以焊接的應用最為重要和廣泛 目前t i g 焊是應用最普遍的一種鎂合金焊接 方法 該方法具有成形美觀 接頭強度高等特點 在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用 但t i g 焊的單道焊熔深淺 生產(chǎn)率低 活性劑焊接 a c t i v a t i n gf l u xt i gw e l d i n g 簡稱a t i g 焊 是由烏克蘭巴頓焊接研究所 p w i 在6 0 年代提出的一種焊接方法 1 0 1 t l 這種技術是焊 前在母材表面涂覆一層活性劑 在相同的焊接規(guī)范下 同常規(guī)t i g 焊相比 可以大幅度 地提高焊縫熔深 在實際生產(chǎn)中無論是對接焊 角接焊還是補焊等 必要的焊接填充材料都是必不可 少的 向焊接熔池中填充必要的焊接材料是提高焊縫性能的重要手段 填絲焊的優(yōu)點如 下 對母材的n t 和裝配精度要求降低 節(jié)約了成本 可以通過填加有用的合金成 分方便地改變和控制焊縫的組分 提高接頭質(zhì)量 可以焊接更厚的材料 而且容易實現(xiàn) 多層糾1 2 對于鎂合金而言目前主要采用t i g 焊冷填絲工藝進行焊接 該方法成型良好 接頭質(zhì)量高 焊接接頭動 靜載荷性能獲得顯著提高 達到與鎂合金母材相匹配水平 完全滿足動載服役環(huán)境對鎂合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求t l 綜合鎂合金焊接的上述現(xiàn)狀 本文通過對焊絲成分的優(yōu)化 采用熱擠壓的方法制備 出高性能的鎂合金焊接材料 并再此基礎上將a t i g 焊接方法與填絲焊接進行復合 研 制出鎂合金活性化焊絲 采用活性焊絲進行焊接鎂合金 焊接熔深可明顯增加 大大提 高焊接生產(chǎn)效率 同時保留填絲焊接的優(yōu)點 實現(xiàn)了活性焊和填絲焊的優(yōu)勢互補 將這 種焊絲應用于厚板焊接或構(gòu)件補焊等場合 便可在一定條件下不需預先開坡口或打孔一 鎂合金活性焊絲研究 次性將工件焊透 從而減少重復焊接次數(shù) 活性焊絲的應用將會大大提高生產(chǎn)效率 改 善接頭性能 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 鎂合金焊接現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 鎂合金的熔點低 導熱快 焊接時焊縫及近縫區(qū)金屬容易過熱 造成晶粒粗大現(xiàn)象 鎂合金還具有高的蒸汽壓 低的表面張力等性質(zhì) 在焊接過程中易產(chǎn)生咬邊 下榻等缺 陷 由于鎂合金的化學性質(zhì)極其活潑 高溫下容易氧化 易生成氧化鎂 m g o 氧化 鎂熔點高 2 5 0 0 密度大 3 2 9 惱n 3 在熔池中易形成細小片狀的固態(tài)夾渣 降低 焊縫的性能 鎂的沸點低 因此在焊接時蒸發(fā)嚴重 鎂合金的線膨脹系數(shù)大 約為鋼的 2 倍 鋁的1 2 倍 因而焊接熱應力大 使得鎂合金在焊接過程中容易產(chǎn)生變形 裂紋 等缺陷 此外 鎂合金易產(chǎn)生氫氣孔 氫在鎂中的的溶解度隨溫度的降低而急劇減小 當氫的來源較多時 出現(xiàn)氣孔的傾向較大i 悼1 6 為了解決上面提出的鎂合金焊接過程 中的一系列問題 研究人員提出了很多焊接方法 1 不熔化極惰性氣體保護焊 t i g t i g 焊是目前鎂合金焊接生產(chǎn)研究中應用最為廣泛的一種焊接方法 它是在惰性氣 體的保護下 利用鎢電極與工件問產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充金屬從而形成結(jié)合的一 種方法 l 丌 鎢極氬弧焊焊接鎂合金 在有無焊絲的情況下都可進行鎂合金的焊接 在有 焊絲的情況下 其電極與焊絲獨立 克服了熔化極惰性氣體保護電弧焊方法焊接規(guī)范窄 的缺點 可以在大范圍條件下進行穩(wěn)定焊接 特別適合鎂合金薄板的焊接 苗玉剛 1 8 腳 等人的研究發(fā)現(xiàn)鎂合金t i g 焊接接頭強度可達到母材強度的9 0 左右 接頭斷口為混合 斷裂 硬度測試表明 除熱影響區(qū)硬度有所下降外 焊縫硬度與母材相當 2 1 1 關于鎂合金t i g 焊的研究方面 美國在二戰(zhàn)期間以及五六十年代就有相關研究報 道 b c k w 0 0 dl f 進行了鎂合金薄板的交 直流g t a 焊接試驗 并探討了保護氣體 電流性質(zhì) 弧長等參數(shù)對焊縫成型的影響 2 2 1 缸a h i n at 等人對5 a m 6 0 鎂合金焊接工 藝及組織性能和a z 3 1 合金的a c 脈沖t i g 焊接工藝及接頭組織進行了研究 得到了性 能良好的焊接接頭 試驗還分析了焊接接頭的特征 探討了裂紋敏感性與脈沖頻率的關 裂 洲 m u n i t za 等應用g t a 焊接了a z 9 1 d 板材 研究了焊接接頭的力學性能和顯微 組織 發(fā)現(xiàn)a z 9 1 d 板材焊接接頭中存在著部分重熔區(qū) 并對其成因進行了探討 2 5 捌 m a r y am 詳細探討了g t a 焊接a z 8 0 鎂合金時保護氣體對焊接接頭的影響 2 7 1 有研究 者對a z 9 1 鎂合金進行t i g 焊接的研究瞄1 發(fā)現(xiàn) 焊接接頭的熱影響區(qū)和焊縫區(qū)有連續(xù)的 2 大連理工大學碩士學位論文 b m g l 7 a 1 1 2 析出 鎂合金氬弧焊存在的主要缺陷是氣孔和疏松 研究者認為鎂合金焊 縫中氣孔的形成與焊縫中的氫有密切聯(lián)系 若焊接材料和保護氣體中含有水分 焊接過 程中發(fā)生置換反應 放出氫 氫的溶解度隨溫度的下降而急速減小 當焊縫的凝固速度 過快 氣泡來不及浮出焊縫金屬表面時就形成了氣孔 h w a n g 等人 認為氬弧焊焊接 鎂合金時 添加焊絲的成分以及保護氣體的流量都是影響焊縫中氣孔含量的因素 在焊 接過程中通過增加保護氣體的流量可以顯著地減小氣孔的數(shù)量 體積 并能減小焊縫中 鎂含量的損失 從而提高接頭的力學性能 另外 對于氣孔的防止 發(fā)現(xiàn)還可以通過焊 接時盡量壓低電弧 2 r a m 左右 以充分發(fā)揮電弧的陰極破碎作用并使熔池受到攪拌 從 而使氣體逸出熔池 鎂合金氬弧焊時焊縫中存在的另一缺陷是熱裂紋 鎂合金屬于典型 的共晶合金 易熔共晶體的存在是鎂合金焊縫產(chǎn)生凝固裂紋的重要原因之 d 0 1 2 鎂合金的等離子弧焊 等離子弧 p l a s m aa r c 是一種受到約束的非自由電弧 溫度和能量密度都顯著高 于普通電弧 是一種高效的焊接方法 采用等離子弧焊焊接鎂合金時 可以在背面無墊 板的情況下實現(xiàn)對接接頭的連接 等離子弧焊平焊縫表面光滑 在周期載荷作用下 表 現(xiàn)出良好的力學性能 沈勇f 3 z 3 3 等人系統(tǒng)的研究了a z 3 1 鎂合金的變極性等離子弧 v p p a v a r i a b l ep o l a r i t yp l a s m aa r e 焊 變極性等離子弧焊方法具有熔深大 焊前 準備少 焊接質(zhì)量高 工件變形小及焊道數(shù)目少等優(yōu)越性 尤其適合焊接鋁 鎂等有色 金屬 其小孔法焊接成形規(guī)范區(qū)間較窄 對焊接工藝和規(guī)范參數(shù)的變化比較敏感 其接 頭強度可以達到母材的9 5 以上 3 l 圖1 1 和圖1 2 分別給出了a z 3 1 鎂合金等離子弧 焊焊接示意圖和焊縫截面 3 4 研究表明 陰極清理時間的增加使得焊縫接頭性能下降 變極性等離子弧焊接頭組織均勻 晶粒細小 熔合線清晰 不存在明顯的熱影響區(qū) 硬 度測試表明 焊縫硬度稍高于母材唧 圖1 1 小孔變極性等離子弧縫焊示意圖 f i g 1 1 s c h e m a t i cd r a w i n go f v p p a w 圖1 2 鎂合金等離子焊接頭宏觀組織 f i 9 1 2m a r o p h o t o g r a p ho f w e l d e d j o i n t 鎂合金活性焊絲研究 3 激光焊 激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法 鎂合金在 激光焊接中 激光束可將高密度能量集中在一個小點上 因而可使熱輸入熔化區(qū) 熱影 響區(qū)減至最小 因此激光焊與電子焊一樣 有熱輸入低 焊道寬度及熱影響區(qū)窄 可獲 得大熔深焊道的優(yōu)點 同樣激光焊的焊接裝置也很昂貴 焊接成本較高 激光焊所用設 備主要有c 0 2 氣體激光器和n d y a g 固體激光器兩種 激光焊可分為熱導焊和小孔焊 s u n 蚓等人對c 0 2 激光 y a g 激光焊和t i g 焊接a z 3 1 鎂合金進行了比較 研究 發(fā)現(xiàn)激光焊可以得到較高的深寬比 和細小的焊縫組織 并且焊縫的硬度均低于母材 j h z h u 3 6 等人采用1 5 千瓦二極管激光器和2 千瓦c 0 2 激光器焊接鎂合金a z 3 1 認 為通過合理調(diào)整焊接參數(shù) 能夠獲得無缺陷的鎂合金焊接接頭 并發(fā)現(xiàn)由于熱傳導模式 的不同 c 0 2 激光焊接接頭的熱影響區(qū)較小 而二極管激光焊接接頭的熱影響區(qū)較寬 宋網(wǎng)l j 3 7 3 9 等人研究了y a g 激光器焊接a z 3 1 b 鎂合金 發(fā)現(xiàn)焊接接頭沒有明顯的熱影響 區(qū)存在 焊縫與母材分界非常明顯 在最好的焊接條件下 拉伸強度達到了9 5 圖 1 3 和圖1 4 分別給出了a z 3 1 鎂合金激光焊焊縫截面示意圖和典型顯微組織 3 s 圖1 3 接頭宏觀組織照片 f i 9 1 3m a r o p h o m g r a p ho f w e l d e d j o i n t 圖1 4 激光焊接a z 3 1 b 的焊縫顯微組織 f i g i a m i c r o s t r u c t u r eo f a z 3 l bm a g n e s i u m w e l di nl a s e rw e l d i n g 4 擴散焊 擴散焊是兩焊件緊密貼合 在真空或保護氣氛中在一定溫度和壓力下保持一段時 間 使接觸面之間的原子相互擴散完成焊接的一種壓焊方法 它屬于固態(tài)焊接技術的一 種 具有無熔化過程 變形小 連接面積大 可以連接異種材料等諸多優(yōu)點 擴散焊的過程可用圖1 5 所示的模型進行描述 共分三個階段 在室溫下焊接表面 無論焊前如何加工處理 貼合時只限于極少數(shù)凸出點接觸 見圖1 5 a 進入第一階段 在溫度和壓力作用下粗糙表面上首先在微觀凸起點接觸的部位開始塑性變形 并在變形 4 一 大連理工大學碩士學位論文 中擠碎了表面氧化膜 于是導致該接觸點的面積增加和被擠平 凈面接觸處便形成金屬 鍵連接 其余未接觸部分就形成微孔 空隙 殘留在界面上 見圖1 5 b 第二階段 原 子持續(xù)擴散 而使界面上許多微孔消失 與此同時 界面處的晶界發(fā)生遷移而離開原始 界面 但仍有許多小微孔遺留在晶粒內(nèi) 見圖1 5 c 第三階段 繼續(xù)擴散 界面與微孔 最后消失形成新的晶喬 達到冶金結(jié)合 最后接頭的成分趨于均勻 見圖1 5 d 據(jù)報道 a z 3 1 合金在多種條件下可以成功地實現(xiàn)擴散焊 于彥東 加 根據(jù)原子擴散 理論對m b l 5 超塑性鎂合金進行了擴散連接工藝研究 結(jié)果表明m b l 5 超塑性鎂合金主 要通過原始焊接表面晶界的移動 因原予擴散和晶粒長大造成的 促使接頭表面原子 充分擴散而形成固相連接 蝌麟 粼麟 圖1 5 擴散焊的三階段模型 1 a 凹凸不平的初始接觸b 第一階段 變形和交界面的形成 c 第二階段 界面遷移和微孔消除d 第三階段 體積擴散 微孔消除 f i g1 5 t h r e es t e p so f t h ed i f f u s i o nw e l d i n g a t h eo r i g i n mc o n t a c tb t h ef i r s ts t e p t h ed e f o r m i n go f t h ei n t e r f a c e c n l es e c o n ds t e p t h em i g r a t i o no f t h ei n t e r f a c ed n wt h i r ds t e p r e m o v i n go f t h em i c r o p o r e 5 攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊 f r i e t i o ns t i rw e l d i n g f s w 是2 0 世紀9 0 年代初 由英國焊接研究所 t h ew e l d i n gi n s t i t u t e t w i 發(fā)明的一種新興的固態(tài)塑化連接方法 通過攪拌針和軸肩與 工件間產(chǎn)生的摩擦熱 使攪拌針接觸面及其附近區(qū)域的金屬達到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當 的宏觀塑性變形 發(fā)生塑性轉(zhuǎn)變的金屬層在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的作用下填入攪拌針后方所 形成的空腔內(nèi) 然后通過材料間的相互擴散和動態(tài)再結(jié)晶 從而實現(xiàn)可靠的連接 f s w 具有如下優(yōu)點 焊接溫度低 殘余應力小 接頭機械性能好 不產(chǎn)生類似熔焊接頭 的鑄造組織缺陷 并且其組織由于塑性流交而細化 與其它焊接焊接方法相比 焊接 變形小 焊后無余高 調(diào)整 返修率低 焊前及焊后處理簡單 焊接過程中的摩擦和 攪拌可以有效去除焊件表面氧化膜和附著雜質(zhì)且焊接過中不需要保護氣 焊條及焊料 能全方位焊接 適應性好 效率高 操作簡單 焊接過程無煙塵 輻射 飛濺 鎂合金活性焊絲研究 噪音及弧光等有害物質(zhì)產(chǎn)生 是一種環(huán)保型焊接工藝方法 4 1 1 攪拌摩擦焊接時 焊接溫 度相對較低 實現(xiàn)的是固態(tài)連接 所以利用此法焊接鎂合金時更安全 便捷 圖1 6 1 7 是a z 3 1 b 型鎂合金攪拌摩擦焊的接頭及熔合區(qū)組織形貌1 4 2 1 圖1 6 接頭宏觀組織照片 v i 9 1 6m a r o p h o t o g r a p ho f w e l d e d j o i n t 圖1 7 攪拌摩擦焊a z 3 1 b 的焊縫顯微組織 f i g 1 7 m i c r o s t m c t u r eo fa z 3 1 bm a g n e a i u m w e l d i n f s w 1 2 2 鎂合金焊接材料 鎂合金焊接材料的開發(fā)隨著鎂合金結(jié)構(gòu)件的廣泛應用越來越多的受到材料工作者 的重視 成為材料研究者的熱點之一 在國內(nèi) 大連理工大學也已展開了鎂合金焊絲的 熱擠壓 擠壓 拉拔方面的研究 并取得了較好的成果 4 卅 在國外 主要有四種鎂合 金焊絲 并制訂了其標準 a n s f a w s 5 1 該四種鎂合金焊絲主要為 e r a z 6 1 e r a z l 0 1 e 黜吧9 2 e i 通z 3 3 表1 1 為這4 種焊絲的成分 表1 1 鎂合金焊絲的化學成分 t a b k1 1c o m p o s i t i o n o f m a g n e s i u ma l l o y w e l d i n g w i r e 填充成分 金屬 a ib em nz nz r 稀 c uf en is i 其 m g 土 他 e r5 8 o 0 0 0 20 1 50 4 0 o 0 50 0 0 50 0 0 5o 0 5o 3 0 余 a z 6 l a7 2 o 0 0 0m m1 5m m a xi n m a m a x 量 8x e r 9 5 o 0 0 0 2o 1 3 o 7 5 0 0 5o 0 0 50 0 0 5o 0 5 0 3 0 余 a z l o l1 0 o 0 0 0肌n1 2 5m a xm a xm a xm am 量 a 58x e r8 3 0 0 0 0 2o 1 51 7 2 o 0 50 0 0 5o 0 0 5o 0 5o 3 0余 a z 9 2 a9 7 0 0 0 0n l m3n mm a x m a xm am e 量 8x e r2 o 3 0 4 5 2 5 余 e z 3 3 a11 04 0 量 大連理工大學碩士學位論文 上述四種焊絲可作為電極和填充使用 可用于焊接絕大多數(shù)的鎂合金 原則是 符 合e r a z 6 1 a 或e r a z 9 2 a 成分的焊絲或填充金屬可用于焊接a z l 0 a a z 3 1 b a z 3 i c a z c o m l a z 6 1 a a z 8 0 a z e l 0 a 和z k 2 1 a 合金 這些合金可以自身互焊或者合金 之間相互焊接 e r a z 6 1 a 通常是以焊接含鋁的加工產(chǎn)品 這是因為該合金具有抗裂紋 敏感性的傾向 e ra z 9 2 a 填充金屬在焊接鑄造m g a 1 z n 和鎂鋁合金時 顯示出極小 的裂紋敏感性 上述合金之一與e k 4 1 a e z 3 3 a k i a q e 2 2 a 和z e 4 1 a 焊接使用的 焊絲或填充金屬相同 但是當后一類合金相互焊接時 建議采用e re z 3 3 a 填充金屬 用e re z 3 3 a 填充金屬焊接變形鎂合金或鑄造鎂合金之后 在高溫下顯示出極佳的機械 性能 對于多數(shù)鎂合金 均可以采用與母材同成分的焊絲 焊條焊接 該協(xié)會還給出了針對于具體牌號鎂合金的填充金屬選擇指南 如表1 2 所示 盡管 利用該四種焊絲可以焊接大部分的鎂合金 但是該四種焊絲的成分跨度過大 可以完成 焊接 卻并不是最優(yōu)的選擇 所以 研究填充金屬對焊接接頭的影響仍具有重要的意義 表1 2 鎂合金焊絲選擇指南 t a b l e l 2s e l e c t i o n o f m a g n e s i u ma l l o y w e l d i n g w i r e 推薦填充材 母材 在鎂合金焊絲的制造工藝中 綜合目前的生產(chǎn)方法主要有以下幾種 鎂合金活性焊絲研究 1 鑄造成型 在小批量生產(chǎn)焊絲時可用鑄造法 也可用條狀的鑄件的邊角料作為焊絲使用 鑄件 焊接和焊補常采用鑄造焊絲 但鑄件的邊角料及鑄造焊絲在使用前應經(jīng)選擇 存在夾渣 疏松等鑄造缺陷的焊絲不能使用 4 5 1 2 拉拔成型 對鎂合金而言 在拉拔成形的過程中的應力狀態(tài)對其塑性的發(fā)揮不利 因此鎂合金 難以進行拉拔成形 但是拉拔成形的產(chǎn)品具有尺寸精度和表面粗糙度高 特別是線材 管材拉拔易于實現(xiàn)高速 連續(xù)化生產(chǎn) 可以大大提高生產(chǎn)效率 已有的研究表明m 拉 拔成形的線材具有更高的強度 因此 鎂合金拉拔成形技術的研究逐漸受到關注 日本 電氣工業(yè)株式會社采用拉拔成形工藝制備了鎂合金線材 其抗拉強度高達4 0 0 m p a 延 伸率為1 0 以上 此外 該公司對a z 3 1 a z 6 1 a z 8 0 的拉拔線材進行了研究 得到 了強韌性能均好的優(yōu)秀線材 也可以用于汽車 輪椅等 并可制作彈簧m 3 熱擠壓成形 鎂合金的擠壓條件沒有軋制和鍛造苛刻 因此對于晶粒粗大和不均勻而難以軋制和 鍛造的兩相鎂合金 一般都可以進行擠壓加工 同樣 一些存在于合金晶界上的可能影 響鑄造性能和軋制性能的氧化膜雜質(zhì)對擠壓過程不產(chǎn)生太大的影響 甚至還有可能提高 產(chǎn)品的力學性能 此外 擠壓生產(chǎn)對生產(chǎn)場地的要求也不高 擠壓過程中速度范圍也較 寬 通常 采用低的擠壓溫度和慢的擠壓速度獲得的擠壓產(chǎn)品力學性能最高 較高的積 壓溫度和快速擠壓可以獲得較高的表面質(zhì)量 鎂合金熱擠壓成形時 在有專門的保溫裝置保證坯料溫度和模具溫度始終保持 在恒定的溫度范圍內(nèi) 采用合理的潤滑劑等條件下 可以擠出各種高質(zhì)量的鎂合金制品 鎂合金熱擠壓生產(chǎn)最大的特點是高溫和高擠壓比 在鎂合金制品的熱擠壓成形 時 大比率擠壓導致的晶粒細化引起的鎂合金力學性能的提高幅度大于由于發(fā)生高溫再 結(jié)晶而導致的力學性能的降低幅度 1 2 3 活性焊接技術研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 活性焊是2 0 世紀6 0 年代中期 烏克蘭巴頓焊接研究所發(fā)明的一種高效焊接方法 最 初是在焊接鈦合金時發(fā)現(xiàn) 某些鹵化物的存在 能夠造成電弧收縮 焊接熔深增加 到了 2 0 世紀7 0 年代 由氧化物和氟化物組成的活性劑在工業(yè)上得到應用 主要用于焊接不銹 鋼 在采用直邊坡口不加絲的情況下 可獲得單道熔深8 1 0 m m 的焊縫 到了9 0 年代 活性 劑在焊接碳錳鋼 低合金鋼方面獲得巨大成功 在進行鋼板對接時 利用a g 焊接技 一8 一 大連理工大學碩士學位論文 術所形成的單面焊雙面成形焊縫獨具特點 焊縫上下表面較寬 焊縫中部較窄 其樹枝晶方 向幾乎與雙面焊效果等同 目前 烏克蘭焊接研究所已將該技術應用于航空航天 化工容 器 核反應堆管子部件 能源電力設備等工業(yè)領域 4 s 到了上世紀9 0 年代 美國的愛迪生焊接研究所 e w i 與海軍連接中心 n j c 也 開始了活性劑的研究 該項目總投資8 0 萬美元 用以開發(fā)不銹鋼 碳鋼 鎳基合金及 鈦合金用活性劑 其中不銹鋼與碳鋼用焊活性劑分項目的研究費用為2 5 萬美元 該分 項目已于1 9 9 8 年基本完成 其中開發(fā)的不銹鋼與碳鋼用活性劑已經(jīng)投入工業(yè)應用 不 銹鋼用活性劑s s 系列實現(xiàn)了商品化 目前鎳基合金用活性劑也已經(jīng)開發(fā)出來 正在開 發(fā)鋁合金和鈦合金用活性劑產(chǎn)品 4 9 美國開發(fā)的不銹鋼活性劑已用于一艘雙體船殼體及 兩艘油輪的建造 與常規(guī)焊接工藝相比 可節(jié)省工時 海軍方面正使用該活性劑焊接艦 船及潛艇用管道系統(tǒng)和某些零部件 該類活性劑也可用于航空航天 化學工業(yè) 壓力容 器 海洋工程等領域 m a r y am 5 0 1 研究了單一氯化物活性劑對a z 3 1 鎂合金焊接后熔深 熔寬 深寬比和 焊縫微觀組織的影響 他發(fā)現(xiàn)涂敖活性劑可以增加電弧電壓 c d c l 2 增加熔深的效果最 為明顯 他認為主要是由于c d 的第一電離能最高 所以增加熔深效果最明顯 涂敷活 性劑的焊縫組織比未涂敷活性劑的焊縫組織稍粗大些 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國近年來的a t i g 焊技術的研究也有了很大的發(fā)展 a t i g 焊技術現(xiàn)已應用于航 空 火箭制造和原子能等工業(yè) 對a t i g 焊的機理也有了較為深入的研究 活性劑的開 發(fā)一是針對不同的材料 二是朝著高效化發(fā)展 此外活性劑應用在a t i g 焊的基礎上也 在向其他焊接方法拓展 張兆棟等人對a z 3 1 b 鎂合金進行了活性t i g 掣5 1 他們在不同的電流條件下 研 究了9 種常見氧化物 氟化物 氯化物活性劑在鎂合金交流氬弧焊及變極性等離子焊弧 中的行為 結(jié)果表明 活性劑t i 0 2 c r 2 0 3 a 1 f 3 n i c i 2 c d c h z n c l 2 m g c l 2 使鎂 合金交流氨弧焊焊縫熔深增加 m g f 2 s i 0 2 使鎂合金交流氬弧焊焊縫熔深減小 在活 性劑增加焊接熔深的機理方面張兆棟等人做了深入的研究 通過系統(tǒng)的試驗分析 最終 他們認為氯化物活性劑和氧化物活性劑的作用機理存在著差異 氯化物增加熔深的機理 主要是影響焊接的電弧 氧化物增加熔深的機理主要是影響焊接的熔池 哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術國家重點實驗室對活性劑的作用機理以及對不 同材料 鈦合金 鋁合金和不銹鋼等 的作用效果進行了研究 劉風刻5 2 5 3 1 等人系統(tǒng)的研 究了活性劑對0 c r l 8 n i 9 不銹鋼和t c 2 鈦合金t i g 焊接焊縫成形的影響 包括焊接參數(shù) 活性劑涂敷量的影響 結(jié)果表明 施加活性劑s i 0 2 后 隨焊接電流的增加 焊接速度 鎂合金活性焊絲研究 的增加 弧長的增加 焊道深寬比比無活性劑時的焊道深寬比大得多 s i 0 2 活性劑增加 熔深是電弧等離子體收縮 陽極斑點收縮和表面張力溫度梯度由負變正共同作用的結(jié) 果 t i 0 2 活性劑增加熔深只是表面張力溫度梯度由負變正的作用 蘭州理工大學的樊丁 張瑞華 黃勇等人研究了低碳鋼 不銹鋼 鋁合金等材料的 活性焊接研究 鄲5 分析了個單一活性劑對焊接熔深的影響規(guī)律 并利用正交 均勻 試驗法對多組員配方進行了研究 在鋁合金的研究方面 分別研究了直流和交流a t i g 焊接中活性劑和焊接參數(shù)對焊縫熔深的影響 認為熱輸入的變化是影響熔深變化的重要 因素 采用多組元活性劑進行a t i g 焊時 交流焊時增加熔深的效果好予直流焊 北京航空制造工程研究所的張連鋒 李曉紅等人 5 6 采用自制的f t 0 1 鈦合金活性 焊劑進行了a t i g 焊接研究 結(jié)果表明 鈦合金活性焊劑對焊接接頭的宏觀組織形貌有 明顯影響 但對焊接接頭的化學組成沒有影響 1 2 4 活性焊熔深增加原理 根據(jù)這些年對于鈦合金和不銹鋼焊接熔深增加機理的研究 研究人員先后提出了一 些理論 其中比較有代表性的理論主要有 電弧收縮理論 及 表面張力溫度梯度改變 理論 但是到目前為止究竟是哪種理論是合理的在國際上還沒有統(tǒng)一的看法 1 電弧收縮理論 電弧收縮理論認為 活性劑在電弧高溫下蒸發(fā)后以原子形態(tài)包圍在電弧外圍區(qū)域 由于電弧外圍區(qū)域溫度較低 活性劑蒸發(fā)原子捕捉該區(qū)域中的電子形成負離子并散失到 周圍空間 使電弧中的電子數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢 電弧導電性減弱 其最終結(jié)果造成電弧自 動產(chǎn)生收縮 熱量集中 電弧力集中 從而使焊接熔深增加 如圖1 8 所示 而在電弧 的中間部分 由于溫度很高 足夠用于原子的電離 而且粒子與電子復合成負離子是一 個放熱反應 故負離子一般不會在電弧的中間部分形成 圖1 8 負離子引起的電弧收縮 f i g 1 8 t h e a r cc o n t r a t i o n b y t h e n e g a t i v e i o n 大連理工大學碩士學位論文 張兆棟等人采用高速攝像機對鎂合金活性焊接時的電弧進行了詳盡的拍攝 結(jié)果發(fā) 現(xiàn) 活性劑涂敷在鎂合金表面 與焊接電弧發(fā)生交互作用 改變了焊接電弧的形態(tài) 活 性劑改變焊接電弧的形態(tài)主要有兩種形式 電弧收縮和電弧拖尾 5 l h o w e sd s 4 9 等人 通過采用激光 t i g 電子束 等離子的焊接方式分別測定了活性劑增加熔深的作用 結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用焊接電弧的收縮是焊接熔深增加的必要前提 w i l m am i d d e l 5 7 l 通過大量的 低碳鋼t i g 實驗研究了活性劑對電弧電壓的影響并試圖作出解釋 如表1 3 所示 從表 1 3 中可以看出 所選氯化物和碳酸鹽對電弧電壓的影響較小 在電弧的高溫作用下 碳酸鹽發(fā)生分解 結(jié)果是相應的金屬氧化物和二氧化碳混合在電弧中 在氯化物和這些 金屬氧化物分解后 電弧中就有相應的金屬蒸汽 這一點可以從金屬粒子特有的波長檢 澳i 出 表中數(shù)據(jù)還顯示出氧化物對電弧電壓的影響是最大的 這從電弧中的負離子形成 方面解釋可能更為合理一些 表1 4 活性劑對電弧電壓的影響及其機理 t a b l e1 4t h ee f f e c to f f l u xo nt h ea r cv o l t a g e 2 表面張力溫度梯度改變理論 表面張力理論認為 熔池金屬流動狀態(tài)對所形成的熔深起到相當大的作用 普通焊 接金屬熔化狀態(tài)下表面張力具有負的張力梯度 熔池表面的金屬從中心流向四周 所得 到的熔深較淺 當熔池金屬中存在某種微量元素 含量達到一定數(shù)值以上 或接觸到活 性氣氛時 熔池液態(tài)金屬的表面張力數(shù)值降低并且轉(zhuǎn)變?yōu)檎膹埩μ荻?從而使熔池金 屬形成從熔池周邊向著熔池中心區(qū)的流動 熔池中心區(qū)的電弧熱量通過液態(tài)金屬的流動 直接傳向熔池底部 對熔池底部的加熱效率提高 從而形成更大的熔深 5 剮 如圖1 9 所 示 鎂合金活性焊絲研究 根據(jù)n p e r r y 的研究 5 9 1 當在焊縫的一側(cè)涂有活性劑時 在活性元素的作用下 熔 池內(nèi)液態(tài)金屬的流動方向會發(fā)生改變 在涂敷活性劑的一側(cè) 活性元素的作用使得表面 張力梯度為正 液態(tài)金屬從邊緣流向中心 在未涂敷活性劑的一側(cè) 表面張力梯度為負 液態(tài)金屬在表面張力的作用下由焊縫中心流向邊緣 這樣形成的焊縫截面形狀將偏向于 一側(cè) 如圖1 1 0 所示 為了驗證該理論 大連理工大學的張兆棟 5 1 等人進行了如下試 驗 采用尺寸為1 0 0m m x 5 0m m x 2 5 m m 的變形鎂合金a z 3 1 b 板材 活性劑涂敷在焊 道的一側(cè) 所選活性劑為t i 0 2 經(jīng)烘干后進行激光焊接 焊后得到的焊縫截面如圖1 1 l 所示 說明t i 0 2 活性劑確實改變了熔池的表面張力 引起熔池的流動方向發(fā)生改變 表l 表i 曩廣 要卜一 張i張r 一 一i 一 oo 圖1 9 熔池表面張力分布與熔池液態(tài)金屬流動的關系 f i g 1 9 t h et h e o r y o f t h es u r 婦t e n s i o n v 丫l j 弋舐一 d v a 嚯 l 圖1 1 0 活性劑元素對焊縫熔池形狀的影響示意圖 圖1 1 1 涂敷t i o z 后的焊縫形狀 f i g 1 1 0t h ee f f e c t s o f t h e f l u x e so n t h e w e l ds h a l f i g 1 i i t h e w e l ds h a p e w i t h t i 0 2 哈爾濱工業(yè)大學的劉風堯等 叫以不銹鋼為研究對象 涂敷含有b i 的活性劑 通過薄 鎢板擋住熔池流動的方法 對鎢板兩側(cè)的顆粒的分布進行了測量 通過對比分析涂敷s i 0 2 大連理工大學碩士學位論文 和t i 0 2 后熔池流動方向的變化 認為s i 0 2 增加熔深是等離子體收縮 陽極斑點收縮和表 面張力溫度梯度由負變正共同作用的結(jié)果 t i 0 2 增加熔深只是表面張力溫度梯度由負變 正的作用結(jié)果 t a n a k a 掣 峨0 2 作為活性劑 對不銹鋼焊的電弧等離子體進行了光譜 測量 電弧中沒有測量到活性劑原子的存在 說明活性劑的蒸發(fā)對電弧收縮無影響 對 熔池表面溫度進行了測量 發(fā)現(xiàn)在涂有活性劑時的溫度分布較陡 他們認為 這是焊接 電弧與熔池表面相互作用的結(jié)果 從而認為活性劑增加熔深的原因是 在活性劑作用下 進行焊接時熔池里液態(tài)金屬的表面張力溫度梯度發(fā)生了變化所引起的 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 隨著鎂合金的被廣泛關注 鎂合金的焊接技術作為生產(chǎn)中一項關鍵技術也在被逐 漸重視起來 作為鎂合金焊接技術的核心內(nèi)容之一 優(yōu)質(zhì) 高效鎂合金焊接材料的制備 和應用技術已成為制約鎂合金產(chǎn)業(yè)化的 瓶頸 問題 本文研制了一種熱擠壓的鎂合金 焊絲并且在此基礎上開發(fā)了鎂合金活性焊絲 本文的主要內(nèi)容 1 熔煉鎂合金鑄錠并采用熱擠壓方法制備鎂合金焊絲 2 采用不同種活性劑與鎂合金焊絲復合制成鎂合金活性焊絲 進行鎂合金活性焊絲 焊接試驗 研究不同種活性劑對焊接熔深的影響 3 采用雙組元活性劑研究活性焊絲填絲性能 分析不同成分活性劑對填絲性能的影 響 4 分析活性焊絲焊接接頭組織及力學性能 借助電子探針等分析設備對接頭的元素 分布進行分析 5 設計活性劑復合配方 采用均勻設計方法復合焊劑的配方進行試驗研究 得到增 加熔深效果優(yōu)于單一活性劑的復合配方 并提高焊接接頭的綜合性能 一1 3 鎂合金活性焊絲研究 2 鎂合金活性焊絲的制備 隨著鎂合金的廣泛應用的 作為結(jié)構(gòu)件制作的一項重要工藝 鎂合金焊接技術也 備受關注 在要求節(jié)能高效生產(chǎn)的今天 研制鎂合金高效焊絲也成了一個極為有意義的 研究方向 本文研制了一種鎂合金活性焊絲 該焊絲能在焊接時增加焊接的熔深 且不 影響接頭性能 鎂合金活性焊絲的制備主要分兩個步驟 首先鎂合金普通擠壓焊絲的制 備 其次將鎂合金普通焊絲制成活性焊絲 2 1 普通焊絲的制備 2 1 1 試驗方法及設備 本試驗采用熱擠壓法生產(chǎn)鎂合金焊絲 具體的方法是 熔煉鎂合金擠壓坯料 熔 煉并澆鑄直徑0 4 5 m m 長8 0 m m 的鎂合金鑄錠 將澆鑄好的鎂錠進行機械加工 加工 成0 4 2 m m 長7 0 m m 的擠壓坯料 坯料及擠壓模具的預熱 將加工好的鎂錠與擠壓 模具裝配好一同放入電阻爐中預熱 預熱溫度4 0 0 5 0 0 保溫3 0 4 0 分鐘 擠壓鎂 合金焊絲 將預熱好的鎂錠和擠壓