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超声波振动辅助AZ41/AZ31B镁合金焊接研究

杨方洲  
【摘要】:镁合金密度小,具有比刚度高、比强度高、电磁屏蔽性能好、阻尼减震性能良好、机械加工性能好等特点。目前镁合金是工业生产活动中密度最小的金属材料,在航空航天、仪器仪表、交通工具、电子电器以及国防军工等领域的应用日益扩大。由于单一形状的材料难以满足实际生产的需求,焊接作为一种高效、可靠的连接技术,被广泛应用于材料加工过程。但是镁合金的焊接并不容易实现,在焊接过程中易发生挥发、烧损、裂纹、气孔等缺陷,焊件成型质量较差,焊接强度较低。如何实现镁合金的高强度、可靠连接,是进一步扩大镁合金应用亟待解决的关键问题。本文以TIG焊方法对AZ41镁合金和AZ31B镁合金进行对焊,通过调整焊接参数得到最优的焊接接头。此外,本文对镁合金TIG焊过程引入超声振动,从而改善焊件的组织和性能,主要的研究结论如下所示:首先以TIG焊方法对AZ41镁合金和AZ31B镁合金进行焊接,试验结果表明,焊接电流和焊接速度通过改变焊接过程中的热输入,从而对焊件的宏观形貌产生影响。当热输入偏小时,焊件存在未焊透的区域;随着焊接热输入的增大,焊件表面呈现特殊的鱼鳞纹特征;当热输入偏大时,焊缝中出现大量孔洞。焊件热影响区和熔焊区的晶粒出现不同程度的长大,且熔焊区有大量Mg_(17)Al_(12)析出相生成。焊件AZ41侧和AZ31B侧的热影响区硬度值均明显低于镁合金母材,分别为48.0HV和47.8HV,熔焊区的显微硬度值达到51.3HV。拉伸测试表明,当焊接速度取0.20m/min,焊接电流取90A时,焊件具有最大抗拉强度,达到242MPa。对于不同的热输入,断裂都发生在焊件熔焊区,并且随焊接热输入的增大,断裂线由平直转变为犬牙交错形态。对AZ41/AZ31B镁合金TIG焊过程引入超声波振动。结果表明,当超声波功率小于1.0kW时,焊缝区的气孔数量明显减少;但是当超声波功率超过1.0kW后,继续增大功率会导致气孔数量又有所增加。超声振动可以细化焊件熔焊区的微观组织,随着超声波功率的增加,晶粒细化效果越来越明显,当超声波功率为1.0kW时,焊件熔焊区的平均晶粒尺寸约为26μm,晶粒形状近似为等轴晶;超声波功率继续增大到1.5kW,熔焊区的晶粒细化效果不会继续增加。由于超声振动的晶粒细化作用,焊件熔焊区的显微硬度有一定程度提高。当超声波功率为1.0kW,焊接电流90A,焊接速度0.20m/min时,AZ41/AZ31B镁合金焊件的拉伸强度达到最高值263MPa。相比未引入超声波振动的焊件,其拉伸强度增加了8.7%,断裂位置由焊件熔焊区转移到镁合金母材区域。对AZ41/AZ31B镁合金焊件进行腐蚀速率研究。结果表明,焊件的浸泡析氢速率远高于镁合金母材的析氢速率,且溶液中Cl~-的浓度越大,焊件的腐蚀速率越大,当NaCl溶液的浓度为5.5%时,氢气生成速率高达33.8ml/cm~2·day。超声振动通过微观组织细化和焊接缺陷消除两方面的综合作用,可以有效减小镁合金焊件的浸泡析氢速率。当NaCl溶液浓度为1.5%、3.5%和5.5%时,镁合金母材的浸泡失重速率大小分别为3.2、4.5和5.9mg/cm~2?day,而焊件的浸泡失重速率大小分别为23.2、31.3和40.6mg/cm~2?day,明显高于镁合金母材。对镁合金熔池液态金属引入超声波振动后,焊缝区的浸泡失重速率显著降低,但仍高于镁合金母材的浸泡失重速率。


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