AZ31镁合金和DC01钢的搅拌摩擦焊接
发布时间：2021-01-12 19:53
镁合金拥有高出铝合金三分之一的比强度,“镁代钢”也逐渐成为汽车轻量化中的发展趋势,因此,实现镁与钢这两种较难结合的材料间的有效连接成为业界的关注焦点。本文针对AZ31镁合金与DC01低碳钢,使用搅拌摩擦焊在点焊、短线焊和搭接焊三种不同模式下均成功实现了异种材料间的连接。研究中通过控制变量法摸索出三种模式下的焊接工艺窗口及最优参数组合,分别取得3463N、6184N与2956N的最高接头强度,并总结了关键工艺参数对接头力学性能的影响。此外,还创新性地在镁/钢的搭接焊中引入了下压力恒力控制的模式,在合适的工艺窗口内取得了焊接质量与接头性能更为稳定的焊缝。研究发现,机械咬合与冶金结合是镁/钢搅拌摩擦焊接头强度的主要来源:耳状组织作为宏观机械互锁结构,可以有效承载拉伸应力,而搭接焊界面上大量形态各异的微观勾连结构,同样提高了接头的抗拉强度;在三种模式下界面偏DC01侧均出现了厚度为0-20μm的Al元素富集层,精细表征结果证实其为多个Al含量与厚度各异的条带组成的多层结构,结合数据库分析其中最靠近界面的一层中可能存在AlFe新相,而偏AZ31侧则形成宽度达几百微米Al元素含量不足1%的中空区。...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
镁-铁相图[5]
上海交通大学硕士学位论文-3-机械连接主要依靠铆钉连接，螺纹连接等方式，通过机械互锁和摩擦互锁的方式形成连接，其特点是工艺较为简单，技术成本低，但在一些对密闭性要求较高的场景中使用受限，且铆钉和螺栓本身的成本仍然是一个问题。近年来，一些新型的机械连接方法不断涌现，它们不需要借助铆钉或螺栓嵌入材料内部提供强度，而是利用材料本身的塑性变形完成连接，Clinching是其中较有代表性的一种。图1-2Clinching材料连接工艺及其应用结果：（a）Clinching基本工作原理；（b）温度、压头、模具形状对Clinching结果的影响[13]；（c）运用Clinching连接AZ31/DC01的结果Fig.1-2Clinchinganditsapplicationresults:(a)Thebasicconceptofclinching;(b)Theinfluenceoftemperature,punchanddieshapeonclinchingresults[13];(c)TheresultsofAZ31/DC01clinchinginthisstudyClinching的原理非常简单，如图1-2（a）所示：使用一个压头将上下放置的两种材料快速下压至下方特定形状的模具中，利用材料的塑性变形是两种材料产生机械咬合。许多研究者在连接铝与钢两种材料时使用了这种技术。例如，Huang等人[13]对6061Al合金与SUS304钢的连接研究中使用了这种技术，并在一定的参数组合下取得了不错的连接效率，但也发现这种技术对于模具、压头的尺寸要求十分精细，如图（b）所示，很小的偏差就有可能导致连接的失效。此外，Lee[14]与Jiang[15]所在课题组分别对DP780/AA5052以及SAE1004/AA6111进行了Clinching的研究，并得出了模具尺寸和参数分别对焊接结果的影响。然而，这种简单的机械连接的方法在运用在镁合金这样塑性较差的材料中时，一般难以形成成功接头，本课题前期研究中曾经使用该技术对AZ31和DC01进行Clinching实验，但结果均不理想，如?
第一章绪论-4-源辅助用以提高待连接材料的塑性变形能力，但即使如此，Clinching的工艺窗口也比较小，鲁棒性不足，不具备良好的生产应用前景。(2)激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，它的自动化程度高，适应性良好，被广泛应用在国民生产的各领域。国内外已有较多研究者运用激光对镁/钢进行焊接。Miao课题组[16]对AZ31B镁合金与Q235钢在不同的偏移量条件下做了大量激光焊接，示意图如图1-3（a）所示。图（b）的拉伸结果显示连接效率在偏移量为0.6mm时达到最大值82%，强度值为185MPa，在该条件下可以得到一个无缺陷的镁钢连接焊缝。同时，实验结果也说明了这两种材料的激光焊接工艺窗口很小，偏高与偏低的偏移量将会分别导致钢熔化不足与熔化过度的情况，最终分别造成界面处的孔洞缺陷及不完全熔化，削弱了力学性能。Wahba课题组[17]通过激光叠焊实现了SP781/AZ31B的接头，其中钢材料表面镀有Zn层，防止表面氧化的同时在焊接中起到破坏氧化层的作用，界面处在焊接后出现了一层450nm的Fe3Al新相，作为冶金结合辅助了镁与钢之间的连接。图1-3激光焊接在镁/钢连接中的应用：（a）激光焊接示意图；（b）AZ31B/Q235激光焊接力学性能随偏移量的变化情况[16]Fig.1-3TheapplicationoflaserweldinginMg/steeljoining:(a)Schematicdrawingoflaserwelding;(b)TensilestrengthofAZ31B/Q235versuslaseroffset[16]此外，有不少文献中运用TIG辅助激光焊接也取得了不错的效果。Tan[18,19]课题组利用激光-TIG复合焊接技术对AZ31B镁合金与镀锌DP980钢在不同的条件下做了大量的焊接试验，示意图如图1-4（a）所示，焊接结果如图（c）所示，TIG辅助的激光焊接可以有效地减少焊缝表面的缺陷，得到比单独使用TIG或单
【参考文献】：
期刊论文
[1]AZ31B镁合金/镀锌钢无匙孔搅拌摩擦点焊结合方式[J]. 刘骁,王希靖,景文霞,柴廷玺. 焊接学报. 2016(08)
[2]镁-钢异种金属无匙孔搅拌摩擦点焊过程分析[J]. 王希靖,李卫红,赵钢. 焊接学报. 2014(12)
[3]镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊(英文)[J]. 张忠科,王希靖,王培中,赵刚. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(06)
[4]镁-钢异种金属无匙孔搅拌摩擦点焊工艺的研究[J]. 王希靖,赵钢,张忠科,王培中. 热加工工艺. 2012(17)
本文编号：2973441
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
镁-铁相图[5]
上海交通大学硕士学位论文-3-机械连接主要依靠铆钉连接，螺纹连接等方式，通过机械互锁和摩擦互锁的方式形成连接，其特点是工艺较为简单，技术成本低，但在一些对密闭性要求较高的场景中使用受限，且铆钉和螺栓本身的成本仍然是一个问题。近年来，一些新型的机械连接方法不断涌现，它们不需要借助铆钉或螺栓嵌入材料内部提供强度，而是利用材料本身的塑性变形完成连接，Clinching是其中较有代表性的一种。图1-2Clinching材料连接工艺及其应用结果：（a）Clinching基本工作原理；（b）温度、压头、模具形状对Clinching结果的影响[13]；（c）运用Clinching连接AZ31/DC01的结果Fig.1-2Clinchinganditsapplicationresults:(a)Thebasicconceptofclinching;(b)Theinfluenceoftemperature,punchanddieshapeonclinchingresults[13];(c)TheresultsofAZ31/DC01clinchinginthisstudyClinching的原理非常简单，如图1-2（a）所示：使用一个压头将上下放置的两种材料快速下压至下方特定形状的模具中，利用材料的塑性变形是两种材料产生机械咬合。许多研究者在连接铝与钢两种材料时使用了这种技术。例如，Huang等人[13]对6061Al合金与SUS304钢的连接研究中使用了这种技术，并在一定的参数组合下取得了不错的连接效率，但也发现这种技术对于模具、压头的尺寸要求十分精细，如图（b）所示，很小的偏差就有可能导致连接的失效。此外，Lee[14]与Jiang[15]所在课题组分别对DP780/AA5052以及SAE1004/AA6111进行了Clinching的研究，并得出了模具尺寸和参数分别对焊接结果的影响。然而，这种简单的机械连接的方法在运用在镁合金这样塑性较差的材料中时，一般难以形成成功接头，本课题前期研究中曾经使用该技术对AZ31和DC01进行Clinching实验，但结果均不理想，如?
第一章绪论-4-源辅助用以提高待连接材料的塑性变形能力，但即使如此，Clinching的工艺窗口也比较小，鲁棒性不足，不具备良好的生产应用前景。(2)激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，它的自动化程度高，适应性良好，被广泛应用在国民生产的各领域。国内外已有较多研究者运用激光对镁/钢进行焊接。Miao课题组[16]对AZ31B镁合金与Q235钢在不同的偏移量条件下做了大量激光焊接，示意图如图1-3（a）所示。图（b）的拉伸结果显示连接效率在偏移量为0.6mm时达到最大值82%，强度值为185MPa，在该条件下可以得到一个无缺陷的镁钢连接焊缝。同时，实验结果也说明了这两种材料的激光焊接工艺窗口很小，偏高与偏低的偏移量将会分别导致钢熔化不足与熔化过度的情况，最终分别造成界面处的孔洞缺陷及不完全熔化，削弱了力学性能。Wahba课题组[17]通过激光叠焊实现了SP781/AZ31B的接头，其中钢材料表面镀有Zn层，防止表面氧化的同时在焊接中起到破坏氧化层的作用，界面处在焊接后出现了一层450nm的Fe3Al新相，作为冶金结合辅助了镁与钢之间的连接。图1-3激光焊接在镁/钢连接中的应用：（a）激光焊接示意图；（b）AZ31B/Q235激光焊接力学性能随偏移量的变化情况[16]Fig.1-3TheapplicationoflaserweldinginMg/steeljoining:(a)Schematicdrawingoflaserwelding;(b)TensilestrengthofAZ31B/Q235versuslaseroffset[16]此外，有不少文献中运用TIG辅助激光焊接也取得了不错的效果。Tan[18,19]课题组利用激光-TIG复合焊接技术对AZ31B镁合金与镀锌DP980钢在不同的条件下做了大量的焊接试验，示意图如图1-4（a）所示，焊接结果如图（c）所示，TIG辅助的激光焊接可以有效地减少焊缝表面的缺陷，得到比单独使用TIG或单
【参考文献】：
期刊论文
[1]AZ31B镁合金/镀锌钢无匙孔搅拌摩擦点焊结合方式[J]. 刘骁,王希靖,景文霞,柴廷玺. 焊接学报. 2016(08)
[2]镁-钢异种金属无匙孔搅拌摩擦点焊过程分析[J]. 王希靖,李卫红,赵钢. 焊接学报. 2014(12)
[3]镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊(英文)[J]. 张忠科,王希靖,王培中,赵刚. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(06)
[4]镁-钢异种金属无匙孔搅拌摩擦点焊工艺的研究[J]. 王希靖,赵钢,张忠科,王培中. 热加工工艺. 2012(17)
本文编号：2973441
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