基于外加能量場的鎂合金焊接冶金過程及微觀組織研究.pdf

1、鎂合金具有較高的比強度，是目前最輕的金屬結構材料，在汽車和航空航天領域的應用逐漸增加，因此鎂合金電弧焊研究也受到越來越多的關注。由于鎂合金部分獨特的物理化學性能，鎂合金電弧焊尚存在較多問題，焊接理論還不完善。因此，針對鎂合金焊接目前存在的一些具體問題，從微觀層面進行深入研究，完善鎂合金焊接理論，提出具體的解決方法對于鎂合金的發(fā)展具有重大意義。本文主要分為兩個部分，分別針對鎂合金焊縫熔合區(qū)液化裂紋和鎂合金焊縫晶粒粗大兩個主要焊接冶金問題涉

2、及的理論機制及解決方法展開研究。
　　第一部分針對鎂合金焊縫熔合區(qū)液化現象、液化裂紋等焊接冶金問題，利用橫向拘束環(huán)形焊縫裂紋試驗方法，借助熱力學計算軟件Pandat，展開一系列實驗探究和理論分析。
　　(1)本文首次提出鎂合金焊縫熔合區(qū)液化裂紋敏感性判據。即，當鎂合金焊接熔池糊狀區(qū)固相百分數fs(fraction solid)值大于焊縫熔合區(qū)區(qū)固相百分數fs值時，例如高出5％以上，焊縫熔合區(qū)液化裂紋的敏感性較高。該判據一般適

3、用于兩相區(qū)產生了一定強度以后，如固相百分數fs＞0.3以后。
　　(2)本文驗證了鎂合金熔合區(qū)成分液化現象的發(fā)生，并從微觀層面分析了鎂合金焊縫熔合區(qū)液化裂紋的產生機制。通過微觀組織觀察和EDS分析發(fā)現，AZ91鎂合金焊縫熔合區(qū)粗大的γ(Mg17Al12)相在焊后轉變?yōu)棣?γ(Mg17Al12)復合相，說明AZ91鎂合金熔合區(qū)焊接過程中發(fā)生了成分液化。由于AZ31鎂合金的γ(Mg17Al12)相顆粒在生產過程中通過熱處理固溶了，所以

4、其成分液化現象比AZ91鎂合金弱。
　　(3)本文利用多元相圖計算方法研究了鎂合金熔池非平衡凝固過程，基于scheil凝固模型定量分析了鎂合金焊縫及熔合區(qū)的凝固路徑，揭示鎂合金各相在凝固過程中的凝固溫度，指導鎂合金焊縫熔合區(qū)液化裂紋研究。
　　第二部分針對鎂合金焊縫晶粒粗大的問題，重點研究鎂合金焊縫晶粒生長理論及晶粒尺寸控制方法，包括電磁電弧擺動和熔池超聲攪拌兩種晶粒細化方法。
　　(1)本文首次研究了電磁電弧擺動對焊

5、接熔池凝固過程的影響機理。在電磁電弧擺動影響下，溫度梯度G減小，成分過冷度增大。同時，本文發(fā)現，溫度梯度G的下降主要是由于電弧擺動造成的預熱作用，而不是單單由于電磁電弧擺動加強了熔池流動。
　　(2)本文首次利用電磁電弧擺動晶粒細化方法在鎂合金焊縫中得到細小均勻的晶粒，并揭示其晶粒細化機制最有可能是枝晶尖端或者側臂由于重復受熱發(fā)生重熔脫落進入焊接熔池并作為新晶核長大為等軸晶，并不單純是一般認為的枝晶尖端在外力作用下發(fā)生機械性折斷。

6、同時，電磁電弧擺動增強了熔池凝固前沿的過冷度，使枝晶碎片更容易在熔池中保存下來并長大為等軸晶。另外，本文還探究了電弧擺動參數對晶粒細化效果的影響規(guī)律。
　　(3)本文首次提出了一個基于直接超聲攪拌的全新焊縫晶粒細化方法，即，將一根超聲探針直接插入焊接熔池并進行超聲攪拌，成功將超聲能量直接導入鎂合金焊接熔池并成功細化鎂合金焊縫晶粒，簡單高效。同時，實驗結果說明鎂合金超聲攪拌焊縫的晶粒細化機制最有可能是枝晶破碎機制，即超聲攪拌誘發(fā)聲空