基于外加能量场的镁合金焊接冶金过程及微观组织研究

发布时间：2019-03-17 08:14

【摘要】：镁合金具有较高的比强度,是目前最轻的金属结构材料,在汽车和航空航天领域的应用逐渐增加,因此镁合金电弧焊研究也受到越来越多的关注。由于镁合金部分独特的物理化学性能,镁合金电弧焊尚存在较多问题,焊接理论还不完善。因此,针对镁合金焊接目前存在的一些具体问题,从微观层面进行深入研究,完善镁合金焊接理论,提出具体的解决方法对于镁合金的发展具有重大意义。本文主要分为两个部分,分别针对镁合金焊缝熔合区液化裂纹和镁合金焊缝晶粒粗大两个主要焊接冶金问题涉及的理论机制及解决方法展开研究。第一部分针对镁合金焊缝熔合区液化现象、液化裂纹等焊接冶金问题,利用横向拘束环形焊缝裂纹试验方法,借助热力学计算软件Pandat,展开一系列实验探究和理论分析。(1)本文首次提出镁合金焊缝熔合区液化裂纹敏感性判据。即,当镁合金焊接熔池糊状区固相百分数fs (fraction solid)值大于焊缝熔合区区固相百分数fs值时,例如高出5%以上,焊缝熔合区液化裂纹的敏感性较高。该判据一般适用于两相区产生了一定强度以后,如固相百分数fs0.3以后。(2)本文验证了镁合金熔合区成分液化现象的发生,并从微观层面分析了镁合金焊缝熔合区液化裂纹的产生机制。通过微观组织观察和EDS分析发现,AZ91镁合金焊缝熔合区粗大的γ(Mg17Al12)相在焊后转变为α/γ(Mg17Al12)复合相,说明AZ91镁合金熔合区焊接过程中发生了成分液化。由于AZ31镁合金的γ(Mg17Al 12)相颗粒在生产过程中通过热处理固溶了,所以其成分液化现象比AZ91镁合金弱。(3)本文利用多元相图计算方法研究了镁合金熔池非平衡凝固过程,基于scheil凝固模型定量分析了镁合金焊缝及熔合区的凝固路径,揭示镁合金各相在凝固过程中的凝固温度,指导镁合金焊缝熔合区液化裂纹研究。第二部分针对镁合金焊缝晶粒粗大的问题,重点研究镁合金焊缝晶粒生长理论及晶粒尺寸控制方法,包括电磁电弧摆动和熔池超声搅拌两种晶粒细化方法。(1)本文首次研究了电磁电弧摆动对焊接熔池凝固过程的影响机理。在电磁电弧摆动影响下,温度梯度G减小,成分过冷度增大。同时,本文发现,温度梯度G的下降主要是由于电弧摆动造成的预热作用,而不是单单由于电磁电弧摆动加强了熔池流动。(2)本文首次利用电磁电弧摆动晶粒细化方法在镁合金焊缝中得到细小均匀的晶粒,并揭示其晶粒细化机制最有可能是枝晶尖端或者侧臂由于重复受热发生重熔脱落进入焊接熔池并作为新晶核长大为等轴晶,并不单纯是一般认为的枝晶尖端在外力作用下发生机械性折断。同时,电磁电弧摆动增强了熔池凝固前沿的过冷度,使枝晶碎片更容易在熔池中保存下来并长大为等轴晶。另外,本文还探究了电弧摆动参数对晶粒细化效果的影响规律。(3)本文首次提出了一个基于直接超声搅拌的全新焊缝晶粒细化方法,即,将一根超声探针直接插入焊接熔池并进行超声搅拌,成功将超声能量直接导入镁合金焊接熔池并成功细化镁合金焊缝晶粒,简单高效。同时,实验结果说明镁合金超声搅拌焊缝的晶粒细化机制最有可能是枝晶破碎机制,即超声搅拌诱发声空化气泡在崩溃的瞬间将其附近的枝晶尖端击碎。另外,本研究发现,随着超声搅拌振幅及超声探针与电弧之间的距离增大,镁合金焊缝的晶粒细化效果逐渐增强。
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【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22;TG457.19

【参考文献】