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1、沈阳理工大学毕业设计(论文)摘 要镁合金具有密度低,强度高,导热性能好,抗震性能好,电磁屏蔽性能优势以及应用在汽车,航空航天,电子信息产业,有广阔的发展前景。然而,在室温下,用紧密堆积的六方晶系结构的镁,滑系统,塑性变形。这些属性导致生产困难和昂贵的方法制备的镁合金部件的结构复杂。因此,使用镁合金结构简单焊接方法连接成一个复杂的结构,在镁合金结构件制造,不仅节省成本,而且还减少过程的复杂性的有效措施之一。在本文中,AZ31和AZ61变形镁合金的研究,通过调整不同的焊接工艺,金相组织分析和力学性能测试,系统的研究,不同的镁合金激光焊接和TIG焊接热输入量和焊接速度焊接参数接头的组织和力学性能的影
2、响,阐明组织演变,并获得焊接接头的力学性能之间的关系;强化机理模型预测了镁合金的高功率激光焊接接头的屈服强度增强机制。的实验事实的基础上的理论分析,得出以下结论: 1、间增加加的能量量不仅会会导致增增加的TTIG焊焊接接头头的AZZ31镁镁合金热热影响区区,热影影响区和和熔合区区的晶粒粒粗化,连连续减少少-相的的热影响响区和熔熔合区的的颗粒或或不连续续相增加加。然而而,如果果该行的的能量太太低,将将导致在在焊缝中中的未焊焊透和孔孔隙度,从从而降低低了在焊焊接接头头的拉伸伸强度。 2、较小功功率的前前提下,AAZ311镁合金金激光焊焊接熔深深增加线线能量增增加。焊焊缝的表表面上的的等离子子体有利
3、利于激光光焊缝的的深度增增加。随随着焊接接线能量量在AZZ31镁镁合金激激光焊接接熔合区区,呈现现胞状晶晶胞状树树枝晶树枝晶晶等轴晶晶的转变变。此外外,适度度的提高高线能量量可以降降低镁合合金的激激光焊接接头的应应变速率率,降低低焊接凝凝固裂纹纹的形成成的概率率。关键词:镁镁合金;激光焊焊;钨极极氩弧焊焊;微观观组织;力学性性能ABSTRRACTTMagneesiuum aallooys havve llow dennsitty, higgh sspeccifiic sstreengtth, goood ttherrmall coonduuctiivitty, exccelllentt see
4、ismmic perrforrmannce, annd ggoodd ellecttrommagnnetiic sshieeldiing perrforrmannce andd ottherr addvanntagges, haas bbroaad aappllicaatioon pprosspeccts in thee auutommotiive, aeerosspacce aand eleectrroniic iinfoormaatioon iinduustrry. Howweveer, maggnessiumm haas tthe cloose-pacckedd siix ppartty
5、 ccrysstall sttruccturre aat rroomm teempeeratturee, sslipp, pplassticc deeforrmattionn caapaccityy loow. Theese prooperrtiees rresuult in thee coompllex strructturee off maagneesiuum aallooy pprodducttionn annd pprepparaatioon oof ddiffficuult andd hiigh cosst. Theerefforee, tthe usee off weeldiing
6、 metthodd foor mmagnnesiium allloy is simmplee sttruccturre wwilll bee coonneecteed wwithh a commpliicatted strructturee beecommes maggnessiumm allloyy sttruccturral parrts mannufaactuurinng iinduustrry nnot onlly ccostt saavinngs, buut aalsoo onne oof eeffeectiive meaasurres to redducee thhe ccompp
7、lexxityy off thhe ttechhnollogyy. BBaseed oon tthe AZ331 aand AZ661 mmagnnesiium allloy as thee reeseaarchh obbjecct, thrrouggh tthe welldinng pparaametterss unnderr diiffeerennt pproccesss addjusstmeent, annd ccombbineed wwithh thhe mmicrrosttruccturre aanallysiis aand mecchannicaal ppropperttiess
8、teestiing, a sysstemmatiic sstuddy oof tthe diffferrentt weeldiing speeed andd thhe wwelddingg liine eneergyy efffecct oof mmicrrosttruccturre aand mecchannicaal ppropperttiess off joointt off maagneesiuum aallooy llaseer wwelddingg annd TTIG, cllariificcatiion thee reelattionnshiip bbetwweenn thhe
9、mmicrrosttruccturre eevollutiion andd meechaaniccal prooperrtiees oof tthe welldedd joointt; aand thee sttrenngthheniing mecchannismm moodell too fooreccastt thhe yyielld sstreengtth eenhaanceemennt mmechhaniism of higgh ppoweer llaseer wwelddingg off maagneesiuum aallooy jjoinnts. Baasedd onn thhe
10、eexpeerimmenttal faccts, coombiinedd wiith theeoreeticcal anaalyssis, thhe mmainn cooncllusiionss arre tthe folllowwingg:1, liine eneergyy noot oonlyy leeadss too AZZ61 maggnessiumm allloyy gaas ttunggsteen aarc welldinng HHAZ widdth inccreaasess, hheatt afffecctedd zoone andd Fuusioon ZZonee grrain
11、n cooarsseniing, annd mmakee coontiinuoous - heeat afffectted zonne aand fussionn zoone of redduceed aand graanullar or dissconntinnuouus bbetaa phhasee inncreeaseed. Loww liine eneergyy wiill leaad tto llackk off peenettrattionn annd pporoositty iin wweldd apppeaarannce, annd tthe ulttimaate tennsi
12、lle sstreengtth oof tthe welldedd joointt reeducctioon2, inn thhe ccondditiion of loww poowerr, AAZ611 wrrougght maggnessiumm allloyy laaserr weeld pennetrratiion inccreaasess wiith thee inncreeasee off weeldiing linne eenerrgy. Pllasmma wwelddingg onn thhe ssurffacee off thhin andd sttablle iin ffa
13、voor oof llaseer wweldd peenettrattionn inncreeasee. WWithh thhe iincrreasse oof wwelddingg liine eneergyy, iinflluenncedd byy coonsttituutioonall unnderrcooolinng ddegrree of chaangee,thhe ffusiion zonneoff AZZ61 maggnessiumm allloyy laaserr weeldiing defformmatiion, miicroostrructturee evvoluutioo
14、n oof tthe criiticcal reggionn neear thee paartiiallly mmeltted zonne aare preesenntedd inn thhe ccelllulaar ccrysstall annd ccelllulaar ddenddritte, denndriiticc, eequiiaxeed ggraiins. Inn adddittionn, aapprroprriattelyy inncreeasiing thee liine eneergyy caan rreduuce thee maagneesiuum aallooy llas
15、eer wwelddingg joointt sttraiin rratee, ttherrebyy reeduccingg thhe pposssibiilitty oof tthe forrmattionn off weeld sollidiificcatiion craackss inn thhe llinee, bbut thee hiigh eneergyy wiill leaad tto wweldd HAAZ lliquuatiion craack inccreaase.Keywoordss: mmagnnesiium allloy; laaserr weeldiing; TII
16、G wwelddingg; mmicrrosttruccturre; mecchannicaal ppropperttiessV目 录中文摘要.I英文摘要.II第1章 绪绪论.1 1.11 镁合合金得简介 .1 11.1.1 镁镁合金得得发展.1 11.1.2 镁镁合金得得分类.22 1.22 镁合合金焊接接得国内外外研究现现状 .22 1.33 本文文得主要研研究内容容 .66第2章研究究内容与与方法 .77 2.11 实验验材料 .77 2.22 焊接接设备 .7 22.2.1 交交流钨极极氩弧焊焊焊机.7 22.2.2 小小功率激激光脉冲冲焊接机机 .8 22.2.3 大大功率激激光器.
17、8 2.33 性能能检测设设备 .8 22.3.1 焊焊接接头头试样得得制备.8 22.3.2 扫扫描电子子显微镜镜.82.3.33 万能能材料试试验机(SANNS XXYA1105CC) .9 22.3.4 显显微硬度度计.9第3章镁合合金钨极极氩焊接接接头微微观组织织和力学学性能得得关系 .111 3.11 线能能量得变化对对镁合金金钨极氩氩弧焊接接接头微微观组织织得影响 .111 33.1.1 镁镁合金钨钨极氩弧弧焊焊接接接头得得微观组组织特征征. 11 33.1.2 线线能量得得变化对对焊接接接头热影影响区微微观组织织得影响 . 112 33.1.3 线线能量得得变化对对焊缝熔熔合区微
18、微观组织织得影响. 133 3.22 线能能量得变化对对焊接接接头力学学性能得得影响 .15 33.2.1 拉拉伸强度度.155 33.2.2 显显微硬度度. 17 3.33 本章章小结. 19第4章焊接接线能量量得变化对对镁合金金小功率率激光焊焊接性能能得影响.2004.1 焊焊接线能能量对焊焊缝熔深深得影响. 220 4.22 焊接接线能量量变化对对焊缝熔熔合区微微观组织织得影响. 222 4.33 线能能量得变化对对热裂纹纹形成得得影响. 25 4.44 线能能量得变化对对微气孔孔形成得得影响. 27 4.55 本章章小结. 229第5章结论论.300致谢.331参考文献.32245第1
19、章 绪绪论1.1 镁镁合金得得简介1.1.11 镁合合金得发展20世纪初初期镁合合金作为为结构材材料在是军事事需求带带动下,镁镁合金的的需求生生产开始始快速增增长。在在21世世纪,发发展的行行业,铝铝,铁及及其他资资源,慢慢慢干涸涸,有迫迫切需要要寻找替替代材料料。因此此,镁合合金在汽汽车领域域,计算算机,通通信和航航空航天天应用开开始增加加。今天天,镁合合金已成成为世界界上最好好的绿色色环保材材料,其其消费增增长持续续快速增增长。从从19997年到到20007年,对对镁的需需求在图图1.11显示了了原镁的的需求,十十年增长长近100倍。图 1.11 镁需需求量镁合金在工工业上得得应用主主要体
20、现现在以下下几个方方面:(1)汽车车制造业业:200世纪770年代代以来,为为了减轻轻汽车重重量,镁镁合金在在汽车行行业的应应用越来来越多。镁镁合金通通常用在在车辆的的组件,如如各种车车内部件件,车身身部件,发发动机,传传动部件件和底盘盘。汽车车行业需需求的增增加已成成为镁合合金生产产增长的的主要原原因。 (2)随着着镁合金金生产技技术的改改进,采采用镁合合金成本本开始下下降,从从而促进进镁合金金的应用用在计算算机,通通信,仪仪器仪表表,家电电,医疗疗,轻工工等行业业。镁合合金的应应用增长长最快的的电子信信息和仪仪器仪表表行业。虽虽然重量量和尺寸寸的镁合合金产品品这些大大型汽车车零部件件产业,
21、但但它是一一个大的的基地,成成为覆盖盖面广,在在世界镁镁消费量量增加,增增加的另另一个重重要原因因。镁合合金3CC产品外外壳的应应用随着着消费者者对产品品的需求求也越来来越高,已已逐渐取取代的材材料,如如ABSS和PCC趋势。 (3)在航航空航天天应用领领域:航航空材料料减重带带来的经经济效益益和性能能的改善善是非常常明显的的。缓解解同等质质量的条条件下,飞飞机节省省燃油量量是约1100倍倍,汽车车和电机机性能的的提高,更更重要的的是,可可以大大大提高战战斗力和和生存能能力。随随着镁合合金生产产技术的的发展,材材料的性性能的变变化,不不断增加加的应用用范围。目目前,其其应用领领域包括括各种飞飞
22、机发动动机零部部件,螺螺旋桨,齿齿轮箱,支支架,武武器和航航空零部部件。已已经开始始取代铝铝的镁合合金。1.1.22 镁合合金得分类的镁合金的的金属镁镁作为主主要元素素,通过过加入一一些其它它合金元元素形成成的合金金,镁合合金附加加的合金金元素,如如铝,锌锌,锰,硅硅,钙,锂锂。在一一般的镁镁合金的的分类的的基础上上有以下下三种:合金的的化学成成分,成成形工艺艺,以及及是否含含有锆。根根据镁合合金的合合金元件件的数目目可分为为二元,三三元和多多元合金金系统。普普通的镁镁合金系系统通常常含有一一个以上上的合金金元素。然然而,在在实践中中,为了了方便,简简化和突突出合金金的主要要合金元元素的作作用
23、,镁镁,锰,镁镁,铝,镁镁-REE,镁,钍钍,镁锂锂和Mgg-Agg合金的的镁合金金分为系系列。不不论其是是否含有有锆合金金,镁合合金,含含有锆和和锆 - 自由由两类。通通常出现现含锆镁镁合金系系列锰 - 锌锌,锰 - 镉镉系列。不不包括锆锆镁合金金锰 - 锌,锰锰 - 镁及镁镁 - 铝系列列。现在在最广泛泛使用的的锆镁合合金镁 - 铝铝系。锆锆镁合金金主要起起到细化化晶粒的的作用。含含锆镁合合金具有有良好的的室温和和高温性性能。镁镁合金的的形成过过程可分分为两大大类:变变形镁合合金铸造造镁合金金。变形形镁合金金镁合金金加工成成形方法法。铸造造镁合金金的加工工,是指指使用的的铸造镁镁合金。比比
24、变形镁镁合金铸铸造镁合合金更广广泛的应应用,但但铸造工工艺相比比,可以以得到该该组织的的细化镁镁合金热热变形后后,消除除缺陷,改改善综合合性能高高于铸态态镁合金金材料具具有较高高的强度度,更良良好的塑塑性和较较好的力力学性能能。变形形镁合金金更广泛泛的应用用前景。1.2 镁镁合金焊焊接得国内外外研究现现状与六方晶系系密堆积积结构的的镁合金金的关键问问题,塑塑性变形形性差,制制造的镁镁合金,镁镁合金的的应用程程序的复复杂组件件的难度度。然而而,可以以容易地地获得具具有良好好的成型型性,适适应性和和成本低低的优点点,大的的镁合金金构件的的焊接,从从而降低低了成本本,生产产的镁合合金。目目前,已已经
25、有许许多研究究镁合金金焊接。镁镁合金是是容易产产生化学学反应,可可与空气气中的氧氧进行氧氧化反应应,延展展性差,非非常难以以处理的的镁合金金丝。因因此,镁镁合金焊焊接工艺艺限制高高能量敢敢服用。镁合金钨极极氩弧焊焊TIG焊接接成本低低,适应应性强,焊焊接性能能优势,因因此成为为首选的的镁合金金焊接。镁镁是一种种强氧化化性的金金属在焊焊接过程程中,很很容易与与氧气反反应,生生成氧化化镁影响响焊缝的的性能。所所以,在在大多数数情况下下,使用用AC电电源进行行焊接,因因此,以以除去氧氧化膜。许许多学者者对镁合合金钨极极惰性气气体焊接接接头的的力学性性能和微微观结构构。典型型的镁合合金氩弧弧焊焊接接接
26、头的的微观结结构如图图1.22所示。因因为使用用的TIIG焊接接热输入入,将生生成的特特定焊接接接头热热影响区区的熔合合线附近近的母材材侧,部部分熔化化区和影影响其他他地区的的加热循循环。另另外,由由于热循循环的影影响,晶晶粒尺寸寸焊接热热影响区区的粗晶晶粒比基基体材料料。已经经细化晶晶粒粗化化的热影影响区和和熔合区区(FZZ)由于于冷却焊焊接熔池池的更快快的晶粒粒相比,使使熔合区区具有良良好的机机械性能能。图 1.22镁合金金钨极氩氩弧焊接接头的微观组组织:(a)焊焊接接头头,(bb)熔合合区,(c)热热影响区区和(dd)母材材。虽然气体钨钨极电弧弧焊的优优点是成成本低,操操作简便便,但线线
27、能量,焊焊接速度度快,生生产效率率低,尤尤其是较较大的热热影响区区,降低低焊接接接头的机机械性能能。所以以,学者者们开始始把注意意力转向向到镁合合金活性性焊接。确确保的活活性钎料料的前提提下,在在热影响响区的宽宽度增加加的深度度穿透焊焊接过程程简化,提提高生产产率,从从而降低低生产成成本。今今天,镁镁合金焊焊接的研研究主要要集中在在活动的的选择,以以及如何何增加活活性剂的的渗透。在在使用中中的主要要活性剂剂。研究究表明,这这三种活活性剂,可可提高焊焊接接头头的穿透透深度,深深度与宽宽度之比比的镁合合金,但但它们得得到的镁镁合金的的不同类类型的增增加穿透透深度的的程度是是不同的的。目前前的主要要
28、思路包包括:电电弧收缩缩和表面面张力的的理论。 A-TTIG焊焊电弧收收缩现象象学者认认为原子子形成电电弧周围围的活性性剂,在在高温的的电弧蒸蒸发,由由较低的的温度下下的电弧弧周边包包围,活活性剂蒸蒸发的原原子形成成通过阴阴离子俘俘获的电电子在该该区域,因因此,在在电弧中中的电子子的数量量减少,造造成电弧弧的收缩缩,因此此,为提提高电弧弧的电流流密度和和电弧力力,从而而提高了了的穿透透深度焊焊缝,如如图1.3所示示。理论论的表面面张力,添添加活性性剂,可可能会发发生的形形式变化化,以进进一步降降低电流流的液体体金属熔熔池的表表面张力力中的电电流分布布的中心心,从外外围向。这这种方法法可以更更好
29、的热热传递到到熔池的的底部,从从而形成成有比较较深的窄窄焊道,如如图1.4所示示。图 1.33 活性性焊接电电弧收缩缩理论机机理示意意图。图 1.44 表面面张力得得改变对对熔池流流动得影响。虽然一种方方法来增增加焊缝缝的穿透透深度,但但是由于于不同的的物理性性质不同同的活性性剂中的的活性剂剂,他们们改变了了的穿透透深度的的原则,是是不一样样的,熔熔融的程程度的变变化和取取胜。一一氧化氯氯联合进进行的研研究发现现,相互互作用的的穿透深深度来改改变电弧弧的熔点点和沸点点分布的的改变,通通过改变变熔池的的表面张张力,易易离子化化的活性性剂,改改变镁合合金的焊接接深度的的穿透深深度(优优于)。此此外
30、,不不同的氧氧化物中中的氧含含量改变变它赢得得了熔融融的程度度不同。镁合金激激光焊打孔钻石,红红宝石激激光,激激光加工工技术在在汽车行行业,金金属材料料和塑料料加工行行业在220世纪纪60年年代已经经有很大大的发展展。处理理的方法法中,激激光加工工的材料料可分为为切断,成成型和激激光焊接接,热处处理和表表面处理理,雕刻刻,钻孔孔,激光光快速成成型。对对于汽车车产业中中,使用用激光焊焊接。钨钨极氩弧弧焊相比比,激光光焊接具具有以下下优点:在焊件件焊接热热输入焊焊接热应应力,收收缩变形形小,狭狭窄的缝缝和表面面质量,焊焊缝强度度高,刚刚度提高高了焊接接,焊缝缝尺寸减减少,容容易自动动化激光光是比较
31、较灵活的的控制,弹弹性大,难难以到达达指定位位置焊接接等焊接接方法,速速度比其其他焊接接工艺。激激光焊接接应用到到了大量量的铝,钢钢和钛的的合金焊焊接。的的镁合金金激光焊焊接也比比较小。这这是通过过特殊的的物理性性能的镁镁合金。例例如,镁镁合金的的激光束束的吸收收率是低低的,一一种强烈烈的倾向向氧化,高高导热性性和热膨膨胀系数数,具有有低沸点点的熔融融,固化化温度,固固化收缩缩率的范范围广泛泛的,凝凝固组织织容易产产生低熔熔点的化化合物,粘粘度和表表面张力力越低,以以及发生生颜色变变化的熔熔化温度度。因此此,在激激光焊接接过程中中的问题题,并在在焊接缺缺陷的镁镁合金。例例如,不不稳定的的焊接池
32、池,修剪剪,气孔孔氧化,合合金成分分的蒸发发和凝固固裂纹。然然而,通通过调整整焊接参参数也可可以得到到良好的的性能的的激光连连接器,其其机械性性能远高高于TIIG焊接接接头。激激光焊接接头的焊焊接参数数是好还还是坏的的激光功功率和聚聚焦和焊焊接速度度。镁合合金在激激光焊接接时,激激光电源源,焊接接接头的的大小。不不仅有利利于良好好的焊缝缝熔深较较大的激激光功率率,并能能获得良良好的焊焊缝表面面。激光光功率过过大会提提高焊接接接头的的热影响响区的宽宽度,导导致焊接接接头的的力学性性能下降降。的激激光功率率是小的的,可以以减少飞飞溅和熔熔池表面面的蒸气气压降低低,从而而降低了了焊接的的沉降。该该研
33、究得得出结论论,厚度度3mmm和5mmm铸造造AZ991和AAM500 YAAG激光光的功率率从3.5kWW的是最最合适的的。当电电源为小小于3kkW的会会导致焊焊接接头头的拉伸伸强度的的下降。焦焦点位置置的另一一个重要要因素,应应放置在在最有效效地熔化化赢得了了地位,有有利于自自动化加加工位置置。1.3 本本文得主要研研究内容容研究现状分分析认为为,虽然然镁合金金的性能能非常出出色,并并且具有有广阔的的应用前前景,但但由于其其塑性变变形能力力差较大大的热增增益扩散散系数较较高的电电阻率,高高导热,导导致镁合合金的焊焊接是非非常困难难的,这这是镁合合金的工工业应用用和发展展的瓶颈颈。因此此,镁合合金焊接接的研究究是必不不可少的的