镁合金搅拌摩擦焊接工艺与接头的组织性能研究

发布时间：2017-09-01 01:18

  本文关键词：镁合金搅拌摩擦焊接工艺与接头的组织性能研究

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【摘要】：目前镁合金的连接主要通过传统的熔化焊和铆接完成，因而容易出现热裂纹、气孔、焊接变形大和接头力学性能差等问题。而作为一种新型的固相连接方法，搅拌摩擦焊具有一系列不可比拟的优点，从而为镁合金的焊接提供了一种新的解决方法。本文选取10mm厚Mg-Gd-Y镁合金板材，进行搅拌摩擦单面和双面焊接，对接头的微观组织和静动态力学行为进行分析研究；同时选取AZ31镁合金进行搅拌摩擦T型焊，研究接头的微观组织，探讨了焊接工艺参数对力学性能的影响。 对于10mm厚的Mg-Gd-Y镁合金，当旋转速度为400r/min，焊接速度为120mm/min时，成功实现了搅拌摩擦单面焊对接。焊缝焊核区根据Z因子可以判断发生动态再结晶，生成细小均匀的晶粒，且晶粒尺寸从焊核区上部到底部依次降低；热力影响区发生部分动态再结晶；热影响区只受到热循环的作用，晶粒发生长大；母材区没有发生变化。母材晶粒TEM中观察到平直的三分叉晶界，没有发现高密度位错的晶粒。由于存在纳米级沉淀相β'，存在明显的沉淀强化。焊核区存在高密度位错的晶粒和亚晶，也有已完成动态再结晶的晶粒，不同的晶粒处于再结晶的不同阶段。热力影响区存在低密度位错的小区和多边化后的大角度晶界；由于β相的大量存在，且与基体不共格，该区的强度和硬度均下降。 单面焊焊缝的显微硬度在水平方向呈W形分布，母材最高，焊核区其次，前进侧热力影响区最低；在厚度方向上，显微硬度从焊缝上表面到下表面逐渐增大。接头的抗拉强度最大值为264.0MPa，达到母材的88%，拉伸断裂在前进侧热力影响区。冲击韧性在焊核区最高，热影响区其次，母材最低。 当应变率在103s-1以上，热影响区和母材区应变率效应不明显，而焊核区呈现一定的正应变率效应。在相近应变率下，母材的抗压强度最高，热影响区最低；焊核区和热影响区的断裂应变要比母材高；焊核区吸收能量最高，热影响区最低。焊核区晶粒在高速冲击下被拉长。热影响区和母材区仍存在明显的条带状组织，晶粒内有很多的孪晶，且数量随应变率的增大先增多后减少。焊核区的塑性变形机制以滑移为主，而热影响区和母材的塑性变形机制为滑移和孪生共存。 对于10mm厚的Mg-Gd-Y镁合金，当旋转速度为600r/min，焊接速度为80mm/min时，成功实现了Mg-Gd-Y镁合金搅拌摩擦双面焊对接，同向焊接和异向焊接焊缝中均发现“S”线。焊缝焊核区发生动态再结晶，生成细小均匀的晶粒；热力影响区发生晶粒塑性变形和部分动态再结晶；热影响区只受到热循环的作用，晶粒发生长大。 双面焊焊缝的显微硬度水平方向上呈W形特征，焊核区硬度与母材相当，前进侧热力影响区最低；同向焊接两次焊缝的前进侧位于焊缝中心两侧，硬度的最低值分在两侧；而异向焊接位于同侧。厚度方向上，从焊缝上表面到下表面显微硬度呈V形分布，，上下表面最高，中间重合区最低。同向焊接接头的抗拉强度要高于异向焊接和单面焊，达到母材的95.2%。同向焊接拉伸断裂在焊核区，异向焊接断裂在前进侧热力影响区。冲击吸收功、冲击韧性在焊核区最高，热影响区其次，母材最低。而且双面焊的冲击性能要高于单面焊和母材。 对于12mm厚AZ31镁合金，当旋转速度为400r/min、焊接速度为100mm/min时，成功实现了搅拌摩擦T型焊。焊核区发生动态再结晶，生成细小均匀的晶粒；热力影响区发生部分动态再结晶；热影响区只受到热循环的作用，晶粒发生长大；母材区没有发生变化。 接头的抗拉强度最大值为196.7MPa，达到母材的73.4%；弯曲强度最大值为310.3MPa，达到母材的72.7%。抗拉强度和弯曲强度均是随搅拌头的旋转速度、焊接速度和P值（旋转速度/焊接速度）的增加先变大后变小，且当P=4时达到最大。接头显微硬度分布图呈“VW”形，焊核区最高，壁板中心最低，底部硬度要高于顶部。
【关键词】：搅拌摩擦焊 镁合金 微观组织 力学性能 对接 T型焊
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 镁合金及其焊接简介12-13
• 1.2 搅拌摩擦焊简介13-16
• 1.2.1 搅拌摩擦焊的特点14-15
• 1.2.2 影响焊缝质量的主要因素15-16
• 1.3 搅拌摩擦焊接头的研究现状16-23
• 1.3.1 接头的微观组织研究16-20
• 1.3.2 接头的力学性能研究20-22
• 1.3.3 接头不同连接方式的研究22-23
• 1.4 本文主要研究内容23-25
• 第二章 实验方案25-33
• 2.1 实验材料25
• 2.2 焊接设备25-28
• 2.2.1 搅拌摩擦焊机25-26
• 2.2.2 搅拌头设计26-27
• 2.2.3 焊接工艺参数27-28
• 2.3 接头性能测试方法28-33
• 2.3.1 微观组织观察28
• 2.3.2 焊接接头的物相分析28-29
• 2.3.3 接头拉伸性能测试29
• 2.3.4 焊接接头动态性能测试29-30
• 2.3.5 硬度测试30
• 2.3.6 冲击韧性试验30-31
• 2.3.7 断口形貌分析31
• 2.3.8 弯曲实验31-33
• 第三章 Mg-Gd-Y 镁合金搅拌摩擦单面焊对接接头组织和性能研究33-49
• 3.1 焊接工艺与焊缝成形33-34
• 3.2 Mg-Gd-Y 合金搅拌摩擦单面焊接头的金相分析34-39
• 3.3 Mg-Gd-Y 合金搅拌摩擦单面焊接头的 TEM 分析39-42
• 3.4 Mg-Gd-Y 合金搅拌摩擦单面焊接头的物相分析42-43
• 3.5 Mg-Gd-Y 合金搅拌摩擦单面焊接头的力学性能43-47
• 3.5.1 单面焊接接头的准静态拉伸力学性能43-44
• 3.5.2 单面焊接接头的显微硬度44-45
• 3.5.3 单面焊接接头的冲击韧性研究45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第四章 Mg-Gd-Y 镁合金搅拌摩擦双面焊对接接头组织和性能研究49-62
• 4.1 焊接工艺与焊缝成形49-50
• 4.2 Mg-Gd-Y 合金搅拌摩擦双面焊接头的微观组织50-53
• 4.2.1 双面焊接头横截面的低倍显微组织50-52
• 4.2.2 双面焊接头横截面不同区域的显微组织52-53
• 4.3 Mg-Gd-Y 合金搅拌摩擦双面焊接头的力学性能53-60
• 4.3.1 双面焊接接头的准静态拉伸力学性能53-55
• 4.3.2 双面焊接接头的显微硬度55-57
• 4.3.3 双面焊接接头的冲击韧性研究57-59
• 4.3.4 双面焊接接头的准静态压缩研究59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 Mg-Gd-Y 镁合金搅拌摩擦焊接头的动态力学行为研究62-69
• 5.1 焊接接头的动态压缩力学性能62-64
• 5.2 微观组织分析64-66
• 5.3 焊接接头压缩断口形貌66-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第六章 AZ31 镁合金搅拌摩擦 T 型焊研究69-80
• 6.1 T 型接头的结构设计69-70
• 6.2 焊接工艺与焊缝成形70-71
• 6.3 AZ31 镁合金搅拌摩擦 T 型焊接头的微观组织71-72
• 6.4 AZ31 镁合金搅拌摩擦 T 型焊接头的拉伸性能72-76
• 6.4.1 焊接接头的抗拉强度72-73
• 6.4.2 工艺参数对接头抗拉强度的影响73-74
• 6.4.3 焊接接头的拉伸断口74-76
• 6.5 AZ31 镁合金搅拌摩擦 T 焊接头的弯曲性能76-77
• 6.5.1 焊接接头的弯曲强度76
• 6.5.2 工艺参数对弯曲强度的影响76-77
• 6.6 AZ31 镁合金搅拌摩擦 T 焊接头的硬度77-78
• 6.7 本章小结78-80
• 结论80-82
• 参考文献82-88
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单88-90
• 致谢90

【参考文献】

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本文编号：769066