铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺试验研究

【摘要】：本论文针对面心立方结构铝合金与密排六方结构镁合金异种材料焊接难题,开展了铝/镁异种合金的搅拌摩擦焊接工艺研究。分别进行6061铝合金、AZ31B镁合金的同种金属搅拌摩擦焊试验,在此基础上,开展铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺试验,设计了异种材料的不同搭接和对接接头形式,并根据异种材料焊接的特征设计了专用搅拌头,开展了不同工艺参数下焊缝成形研究,并进行力学性能、组织成分和断口显微形貌分析。试验结果表明,自身同种合金搅拌摩擦焊时,铝合金的焊接性优于镁合金的焊接性。铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形较好,焊接工艺参数范围较宽,在焊接速度60mm/min～220mm/min、搅拌头转速650r/min～1200r/min范围内均能够良好成形。镁合金塑性差且焊接过程中粘黏搅拌头严重,工艺参数范围较窄,可成形工艺参数范围为焊速55mm/min～70mm/min,转速900r/min～1200r/min。铝/镁异种合金搭接时,试验结果显示镁置于上层更有利于焊缝成形,设计的Z型接头抗拉强度随焊速的增加出现先升后降的趋势,当焊接参数为60mm/min时拉伸强度最大为56.3MPa,断口显微形貌表明其为脆性断裂。XRD物相分析则发现接头出存在铝镁金属间化合物Al12Mg17和Al3Mg2。焊核区和热机影响区晶粒均细化,由于强化相Mg2Si的减少,硬度值相对母材明显降低。铝/镁异种合金对接时,试验发现同时降低转速和焊速能有效改善焊缝成形,抗拉强度最大可达47MPa,当添加中间锌夹层和铜夹层后,接头抗拉强度进一步提高,分别达到63MPa和77MPa,相对无夹层最大提高了63.8%。SEM断口扫描证明对接接头断裂均为脆性断裂。分析接头EDS线扫描和焊缝XRD物相数据可知,无夹层对接接头处存在大量Al12Mg17和Al3Mg2脆性相,夹锌对接接头除有Al12Mg17外还存在Mg2Zn11等化合物,夹铜对接接头主要存在化合物Al2Cu3等。焊核区和热机影响区晶粒均细化,由于强化相Mg2Si的减少,硬度值相对母材明显降低。研究发现了铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接过程中搅拌头受力非对称性易导致搅拌头疲劳断裂,并分析了常规螺纹搅拌头的断裂形式和机理,优化设计了根部增厚无螺纹搅拌头,实验验证了新结构搅拌头焊接效果更好、使用寿命更长。