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铝合金5083/镁合金AZ31异种金属搅拌摩擦搭接焊及连接机理研究

陈影  
【摘要】:镁合金和铝合金都具有密度低、比强度高的特点,为工程中常用的轻合金材料,广泛应用于航空、航天和汽车制造等领域。为扩展镁合金和铝合金的使用空间,实现两材料的连接正在成为研究热点。由于镁合金和铝合金焊接过程中极易形成金属间化合物,以及常出现裂纹、气孔等缺陷,使用传统的熔焊方法难以获得性能良好的接头,而固相连接方法可避免上述缺陷的产生。 本文采用搅拌摩擦焊方法对镁合金AZ31和铝合金5083异种金属进行了搭接焊试验研究。在此基础上,研究了AZ31/5083异种金属搭接接头力学性能、界面过渡区的微观组织及元素分布,利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对接头断口进行了分析,并通过对界面过渡区的温度场模拟与实测,确定了不同旋转速度下的温度场分布,探讨了AZ31与5083之间搅拌摩擦搭接焊的连接机理。 采用合适的工艺参数实现了5083/AZ31异种金属良好的搅拌摩擦焊搭接接头,得到的接头不含有飞边、沟槽、弱连接、孔洞和隧道等缺陷。当使用搅拌针长度为2.8mm的搅拌头,旋转速度1350r/min,焊接速度50mm/min时,搭接接头的最大剪切强度可达81.6MPa,接近镁合金母材强度的40%。对搭接接头进行硬度测量,发现横向显微硬度近似呈“W”型分布,而纵向硬度分布在界面过渡区出现了最高值。不论热输入的大小,接头断裂形式大多呈脆性断裂。 在旋转速度1350r/min,焊接速度50mm/min时,接头界面区域结合紧密,没有出现微裂纹等缺陷,在镁合金和铝合金界面处形成了一个不同于两侧母材的过渡层,两板之间通过该过渡层形成了连接。过渡层主要由固溶体和金属间化合物组成,但金属间化合物分布相对分散,没有呈连续层状分布,而且厚度较薄,对接头的力学性能没有较大影响。 采用ABAQUS有限元软件模拟了铝合金5083和AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦焊的温度场,建立了复合热源模型。利用红外测温仪及热电偶对铝合金表面及铝合金/镁合金的界面温度进行了实际测量,并将测量的温度与数值模拟结果进行了比较,两者基本吻合。 从热输入的角度出发,分析了在不同热输入条件下界面的连接机理,且进一步探讨了界面过渡区金属间化合物的形成。当旋转速度850~950r/min时,连接界面温度低于共晶温度,仅仅有Mg、Al原子发生互扩散形成固溶体,未发现金属间化合物。当旋转速度为1050~1350r/min时,连接界面的局部温度达到了共晶温度437℃,冷却后连接界面局部区域,形成了断续分布的金属间化合物Al_(12)Mg17以及少量的Al_3Mg2。当旋转速度达到1450r/min及以上时,镁合金、铝合金的整个连接界面都发生了熔融现象,冷却后在界面上形成连续分布的金属间化合物层,并在连接界面末端发现了不利的Al_(12)Mg_(17)小熔珠凝固体。


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