镁合金钨极氩弧焊激光焊接头的微观组织.docx

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、间增加的能量不仅会导致增加的TIG焊接接头的AZ31镁合金热影响区，热影响区和熔合区的晶粒粗化，连续减少-相的热影响区和熔合区的颗粒或不连续相增加。然而，如果该行的能量太低，将导致在焊缝中的未焊透和孔隙度，从而降低了在焊接接头的拉伸强度。 2、较小功率的前提下，AZ31镁合金激光焊接熔深增加线能量增加。焊缝的表面上的等离子体有利于激光焊缝的深度增加。随着焊接线能量在AZ31镁合金激光焊接熔合区，呈现胞状晶胞状树枝晶树枝晶等轴晶的转变。此外，适度的提高线能量可以降低镁合金的激光焊接头的应变速率，降低焊接凝固裂纹的形成的概率。 关键词：镁合金;激光焊;钨极氩弧焊;微观组织;力学性能ABSTRACTMagnesium alloys have low density, high specific strength, good thermal conductivity, excellent seismic performance, and good electromagnetic shielding performance and other advantages, has broad application prospects in the automotive, aerospace and electronic information industry. However, magnesium has the close-packed six party crystal structure at room temperature, slip, plastic deformation capacity low. These properties result in the complex structure of magnesium alloy production and preparation of difficult and high cost. Therefore, the use of welding method for magnesium alloy is simple structure will be connected with a complicated structure becomes magnesium alloy structural parts manufacturing industry not only cost savings, but also one of effective measures to reduce the complexity of the technology. Based on the AZ31 and AZ61 magnesium alloy as the research object, through the welding parameters under different process adjustment, and combined with the microstructure analysis and mechanical properties testing, a systematic study of the different welding speed and the welding line energy effect of microstructure and mechanical properties of joint of magnesium alloy laser welding and TIG, clarification the relationship between the microstructure evolution and mechanical properties of the welded joint; and the strengthening mechanism model to forecast the yield strength enhancement mechanism of high power laser welding of magnesium alloy joints. Based on the experimental facts, combined with theoretical analysis, the main conclusions are the following:1, line energy not only leads to AZ61 magnesium alloy gas tungsten arc welding HAZ width increases, heat affected zone and Fusion Zone grain coarsening, and make continuous - heat affected zone and fusion zone of reduced and granular or discontinuous beta phase increased. Low line energy will lead to lack of penetration and porosity in weld appearance, and the ultimate tensile strength of the welded joint reduction2, in the condition of low power, AZ61 wrought magnesium alloy laser weld penetration increases with the increase of welding line energy. Plasma welding on the surface of thin and stable in favor of laser weld penetration increase. With the increase of welding line energy, influenced by constitutional undercooling degree of change,the fusion zoneof AZ61 magnesium alloy laser welding deformation, microstructure evolution of the critical region near the partially melted zone are presented in the cellular crystal and cellular dendrite, dendritic, equiaxed grains. In addition, appropriately increasing the line energy can reduce the magnesium alloy laser welding joint strain rate, thereby reducing the possibility of the formation of weld solidification cracks in the line, but the high energy will lead to weld HAZ liquation crack increase. Keywords : magnesium alloy; laser welding; TIG welding; microstructure; mechanical propertiesIII目 录中文摘要.I英文摘要.II第1章 绪论.1 1.1 镁合金得简介 .1 1.1.1 镁合金得发展.1 1.1.2 镁合金得分类.2 1.2 镁合金焊接得国内外研究现状 .2 1.3 本文得主要研究内容 .6第2章 研究内容与方法 .7 2.1 实验材料 .7 2.2 焊接设备 .7 2.2.1 交流钨极氩弧焊焊机.7 2.2.2 小功率激光脉冲焊接机 .8 2.2.3 大功率激光器.8 2.3 性能检测设备 .8 2.3.1 焊接接头试样得制备.8 2.3.2 扫描电子显微镜.8 2.3.3 万能材料试验机(SANS XYA105C) .9 2.3.4 显微硬度计.9第3章 镁合金钨极氩焊接接头微观组织和力学性能得关系 .11 3.1 线能量得变化对镁合金钨极氩弧焊接接头微观组织得影响 .11 3.1.1 镁合金钨极氩弧焊焊接接头得微观组织特征. 11 3.1.2 线能量得变化对焊接接头热影响区微观组织得影响 . 12 3.1.3 线能量得变化对焊缝熔合区微观组织得影响. 13 3.2 线能量得变化对焊接接头力学性能得影响 .15 3.2.1 拉伸强度.15 3.2.2 显微硬度. 17 3.3 本章小结. 19第4章 焊接线能量得变化对镁合金小功率激光焊接性能得影响.20 4.1 焊接线能量对焊缝熔深得影响. 20 4.2 焊接线能量变化对焊缝熔合区微观组织得影响. 22 4.3 线能量得变化对热裂纹形成得影响. 25 4.4 线能量得变化对微气孔形成得影响. 27 4.5 本章小结. 29第5章 结论.30致 谢.31参考文献.3233第1章 绪论1.1 镁合金得简介1.1.1 镁合金得发展 20世纪初期镁合金作为结构材料在是军事需求带动下，镁合金的需求生产开始快速增长。在21世纪，发展的行业，铝，铁及其他资源，慢慢干涸，有迫切需要寻找替代材料。因此，镁合金在汽车领域，计算机，通信和航空航天应用开始增加。今天，镁合金已成为世界上最好的绿色环保材料，其消费增长持续快速增长。从1997年到2007年，对镁的需求在图1.1显示了原镁的需求，十年增长近10倍。图 1.1 镁需求量镁合金在工业上得应用主要体现在以下几个方面：（1）汽车制造业：20世纪70年代以来，为了减轻汽车重量，镁合金在汽车行业的应用越来越多。镁合金通常用在车辆的组件，如各种车内部件，车身部件，发动机，传动部件和底盘。汽车行业需求的增加已成为镁合金生产增长的主要原因。 （2）随着镁合金生产技术的改进，采用镁合金成本开始下降，从而促进镁合金的应用在计算机，通信，仪器仪表，家电，医疗，轻工等行业。镁合金的应用增长最快的电子信息和仪器仪表行业。虽然重量和尺寸的镁合金产品这些大型汽车零部件产业，但它是一个大的基地，成为覆盖面广，在世界镁消费量增加，增加的另一个重要原因。镁合金3C产品外壳的应用随着消费者对产品的需求也越来越高，已逐渐取代的材料，如ABS和PC趋势。 （3）在航空航天应用领域：航空材料减重带来的经济效益和性能的改善是非常明显的。缓解同等质量的条件下，飞机节省燃油量是约100倍，汽车和电机性能的提高，更重要的是，可以大大提高战斗力和生存能力。随着镁合金生产技术的发展，材料的性能的变化，不断增加的应用范围。目前，其应用领域包括各种飞机发动机零部件，螺旋桨，齿轮箱，支架，武器和航空零部件。已经开始取代铝的镁合金。1.1.2 镁合金得分类 的镁合金的金属镁作为主要元素，通过加入一些其它合金元素形成的合金，镁合金附加的合金元素，如铝，锌，锰，硅，钙，锂。在一般的镁合金的分类的基础上有以下三种：合金的化学成分，成形工艺，以及是否含有锆。根据镁合金的合金元件的数目可分为二元，三元和多元合金系统。普通的镁合金系统通常含有一个以上的合金元素。然而，在实践中，为了方便，简化和突出合金的主要合金元素的作用，镁，锰，镁，铝，镁-RE，镁，钍，镁锂和Mg-Ag合金的镁合金分为系列。不论其是否含有锆合金，镁合金，含有锆和锆 - 自由两类。通常出现含锆镁合金系列锰 - 锌，锰 - 镉系列。不包括锆镁合金锰 - 锌，锰 - 镁及镁 - 铝系列。现在最广泛使用的锆镁合金镁 - 铝系。锆镁合金主要起到细化晶粒的作用。含锆镁合金具有良好的室温和高温性能。镁合金的形成过程可分为两大类：变形镁合金铸造镁合金。变形镁合金镁合金加工成形方法。铸造镁合金的加工，是指使用的铸造镁合金。比变形镁合金铸造镁合金更广泛的应用，但铸造工艺相比，可以得到该组织的细化镁合金热变形后，消除缺陷，改善综合性能高于铸态镁合金材料具有较高的强度，更良好的塑性和较好的力学性能。变形镁合金更广泛的应用前景。1.2 镁合金焊接得国内外研究现状与六方晶系密堆积结构的镁合金的关键问题，塑性变形性差，制造的镁合金，镁合金的应用程序的复杂组件的难度。然而，可以容易地获得具有良好的成型性，适应性和成本低的优点，大的镁合金构件的焊接，从而降低了成本，生产的镁合金。目前，已经有许多研究镁合金焊接。镁合金是容易产生化学反应，可与空气中的氧进行氧化反应，延展性差，非常难以处理的镁合金丝。因此，镁合金焊接工艺限制高能量敢服用。镁合金钨极氩弧焊TIG焊接成本低，适应性强，焊接性能优势，因此成为首选的镁合金焊接。镁是一种强氧化性的金属在焊接过程中，很容易与氧气反应，生成氧化镁影响焊缝的性能。所以，在大多数情况下，使用AC电源进行焊接，因此，以除去氧化膜。许多学者对镁合金钨极惰性气体焊接接头的力学性能和微观结构。典型的镁合金氩弧焊焊接接头的微观结构如图1.2所示。因为使用的TIG焊接热输入，将生成的特定焊接接头热影响区的熔合线附近的母材侧，部分熔化区和影响其他地区的加热循环。另外，由于热循环的影响，晶粒尺寸焊接热影响区的粗晶粒比基体材料。已经细化晶粒粗化的热影响区和熔合区（FZ）由于冷却焊接熔池的更快的晶粒相比，使熔合区具有良好的机械性能。图 1.2镁合金钨极氩弧焊接头的微观组织：(a)焊接接头，(b)熔合区，(c)热影响区和(d)母材。虽然气体钨极电弧焊的优点是成本低，操作简便，但线能量，焊接速度快，生产效率低，尤其是较大的热影响区，降低焊接接头的机械性能。所以，学者们开始把注意力转向到镁合金活性焊接。确保的活性钎料的前提下，在热影响区的宽度增加的深度穿透焊接过程简化，提高生产率，从而降低生产成本。今天，镁合金焊接的研究主要集中在活动的选择，以及如何增加活性剂的渗透。在使用中的主要活性剂。研究表明，这三种活性剂，可提高焊接接头的穿透深度，深度与宽度之比的镁合金，但它们得到的镁合金的不同类型的增加穿透深度的程度是不同的。目前的主要思路包括：电弧收缩和表面张力的理论。 A-TIG焊电弧收缩现象学者认为原子形成电弧周围的活性剂，在高温的电弧蒸发，由较低的温度下的电弧周边包围，活性剂蒸发的原子形成通过阴离子俘获的电子在该区域，因此，在电弧中的电子的数量减少，造成电弧的收缩，因此，为提高电弧的电流密度和电弧力，从而提高了的穿透深度焊缝，如图1.3所示。理论的表面张力，添加活性剂，可能会发生的形式变化，以进一步降低电流的液体金属熔池的表面张力中的电流分布的中心，从外围向。这种方法可以更好的热传递到熔池的底部，从而形成有比较深的窄焊道，如图1.4所示。图 1.3 活性焊接电弧收缩理论机理示意图。图 1.4 表面张力得改变对熔池流动得影响。虽然一种方法来增加焊缝的穿透深度，但是由于不同的物理性质不同的活性剂中的活性剂，他们改变了的穿透深度的原则，是不一样的，熔融的程度的变化和取胜。一氧化氯联合进行的研究发现，相互作用的穿透深度来改变电弧的熔点和沸点分布的改变，通过改变熔池的表面张力，易离子化的活性剂，改变镁合金的焊接深度的穿透深度（优于）。此外，不同的氧化物中的氧含量改变它赢得了熔融的程度不同。镁合金激光焊打孔钻石，红宝石激光，激光加工技术在汽车行业，金属材料和塑料加工行业在20世纪60年代已经有很大的发展。处理的方法中，激光加工的材料可分为切断，成型和激光焊接，热处理和表面处理，雕刻，钻孔，激光快速成型。对于汽车产业中，使用激光焊接。钨极氩弧焊相比，激光焊接具有以下优点：在焊件焊接热输入焊接热应力，收缩变形小，狭窄的缝和表面质量，焊缝强度高，刚度提高了焊接，焊缝尺寸减少，容易自动化激光是比较灵活的控制，弹性大，难以到达指定位置焊接等焊接方法，速度比其他焊接工艺。激光焊接应用到了大量的铝，钢和钛的合金焊接。的镁合金激光焊接也比较小。这是通过特殊的物理性能的镁合金。例如，镁合金的激光束的吸收率是低的，一种强烈的倾向氧化，高导热性和热膨胀系数，具有低沸点的熔融，固化温度，固化收缩率的范围广泛的，凝固组织容易产生低熔点的化合物，粘度和表面张力越低，以及发生颜色变化的熔化温度。因此，在激光焊接过程中的问题，并在焊接缺陷的镁合金。例如，不稳定的焊接池，修剪，气孔氧化，合金成分的蒸发和凝固裂纹。然而，通过调整焊接参数也可以得到良好的性能的激光连接器，其机械性能远高于TIG焊接接头。激光焊接头的焊接参数是好还是坏的激光功率和聚焦和焊接速度。镁合金在激光焊接时，激光电源，焊接接头的大小。不仅有利于良好的焊缝熔深较大的激光功率，并能获得良好的焊缝表面。激光功率过大会提高焊接接头的热影响区的宽度，导致焊接接头的力学性能下降。的激光功率是小的，可以减少飞溅和熔池表面的蒸气压降低，从而降低了焊接的沉降。该研究得出结论，厚度3mm和5mm铸造AZ91和AM50 YAG激光的功率从3.5kW的是最合适的。当电源为小于3kW的会导致焊接接头的拉伸强度的下降。焦点位置的另一个重要因素，应放置在最有效地熔化赢得了地位，有利于自动化加工位置。1.3 本文得主要研究内容研究现状分析认为，虽然镁合金的性能非常出色，并且具有广阔的应用前景，但由于其塑性变形能力差较大的热增益扩散系数较高的电阻率，高导热，导致镁合金的焊接是非常困难的，这是镁合金的工业应用和发展的瓶颈。因此，镁合金焊接的研究是必不可少的。在一般情况下，焊接接头的质量是由焊接过程和焊接参数。例如，焊接电流，电压，焊接速度，激光焊接的输出功率，焊接速度和焦点位置。这些参数是影响焊接接头的质量，提高焊接接头的显微组织的主要因素。因此，镁合金焊接接头的组织和力学性能的特点是值得进一步研究的问题。本文将着重于AZ61，AZ31镁合金焊接接头组织和力学性能不同的焊接工艺焊接参数，通过研究，研究显微组织和力学性能，结果发现镁合金焊接接头在不同的焊接工艺加强的原则缺陷之间的关系的原因。本文主要包括以下几个部分：1、通过改变焊接电流焊接热AZ61镁合金钨极氩弧焊焊接接头的显微组织和力学性能的影响分析焊接接头的热影响区和熔合区宽度，第二相的形状和分布，以及两个区域焊接线能量的变化，对AZ61镁合金TIG焊接接头断裂机理的微观组织和力学性能的影响。2、通过改变激光的输出功率的低功率的激光焊接接头的焊接分析典型的AZ61镁合金激光焊接接头的低功耗的特点和焊接接头熔合区的微观结构的变化与线能量焊接热影响，并通过研究气孔，裂纹，线能量的改变揭示了镁合金低功率激光焊接缺陷的形成机理。第2章 实验材料与设备为了对镁合金的焊接性能进行研究，本位使用了扫描电子显微镜，万能试验机和显微硬度的气体保护钨极电弧焊系统的研究，功率的大小，激光焊接和摩擦搅拌焊接接头，不同的焊接参数焊接接头组织和力学性能的影响。2.1 实验材料在本文中，尺寸为 50mm×25mm ×3mm 得 AZ31 和 50mm×25mm ×2.5mm AZ61两个不同的变形镁合金和直径 3mm 的 AZ91 焊丝用于镁合金焊接接头微观组织和机械性能得研究。它们的化学成分如表 2.1 所示。表 2.1 镁合金板材的化学成分。AlZnMnSiFeCuNiMgAZ313.270.920.250.040.0050.050.03其余AZ615.5-7.50.5-1.50.15-0.40.10.010.050.005其余AZ918.6-0.40.65-0.960.18-0.30.050.0040.0250.001其余2.2 焊接设备2.2.1 交流钨极氩弧焊焊机采用交流钨极氩弧焊焊机对 AZ61 镁合金板材进行填丝焊。焊接时，把焊枪放在匀速行进得小车上，并进行手工填丝。BX1-160 焊机主要参数如下所示：电流调节范围：25-180 (A)输入电压：380 (V)空载电压：75 (V)额定容量：8.7 (kVA)2.2.2 小功率激光脉冲焊接机实验所用得激光焊接机为 PT IV 型填丝 Nd:YAG 脉冲激光焊接机，能提供最大得激光输出功率为 120W，脉冲宽度和频率可连续调节。PTIV 型 Nd:YAG 脉冲激光焊接机得主要参数为：工作电压：单相 220VAC±10% 50HZ（三相电须订制）激光类型：YAG激光输出最大平均功率：120W激光焊接工作距离：100180mm光斑可调节范围：0.23.5mm激光波长：1.06m显微镜放大倍数：15X氩气保护：双头同步氩气保护辅助工作平台：步进马达控制得三维移动工作台2.2.3 大功率激光器本实验所采用德国 Rofin DC030 板条式连续激光器对 AZ61 镁合金进行堆焊，激光器得主要参数如下：最大输出功率：3000W功率范围：3003000W2.3 性能检测设备2.3.1 接头试样得制备 典型焊缝截面焊接镁合金板材，选择合适的尺寸和形状，用钢锯沿垂直方向的焊缝截取后抛光。用砂纸打磨样品，一直到没有明显的划痕，然后进行抛光，抛光质量检查用显微镜在100倍的倍率。抛光表面的样品，冲洗水，无水乙醇脱水干燥，2G苦味酸酸+50毫升乙醇5毫升乙酸腐蚀横截面腐蚀，直到出现的微观结构。然后，镁合金的焊接试样，用光学显微镜观察并拍照。主要集中在焊缝和周围组织的结构和形态的观察位置，而引起的焊接缺陷，如气孔和裂纹。2.3.2 扫描电子显微镜在进行扫描电子显微镜分析之前，把式洋房在无水乙醇的烧杯中，然后放入超声波环境中进行表面处理。在清洗完以后，采用扫描电子显微镜(TESCAN, Inc. Vega L MU SEM)对焊缝微观组织进行观察。能谱衍射仪（OXFORD, Inc. ISIS300）用于帮助确定微观组织中相得成分。本实验所使用得扫描电子显微镜主要参数如下所示：分辨率：高真空二次电子，20kv: 2.0nm，2kv: 7.0nm；背散射电子，20 kV: 2.5nm (LMH 型选配，LMU 型标配；低真空(低真空二次电子)，30 kV: 2.5 nm (LMU型选配)放大倍数：4 到 1000000 倍真空系统：高真空<9*10 -3Pa>，低真空 3500Pa，(LMU 型标配)超低真空可至 2000Pa(LMU 型选配)加速电压：0.2kV 到 30Kv电子束电流：1pA2uA样品室内部尺寸：230mm(宽度)×150mm(高度)2.3.3 万能材料试验机(SANS XYA105C)在进行拉伸试验之前，采用线切割把焊接试样切割成哑铃型拉伸试样，其尺寸如图 2.2 所示。点焊接头拉伸剪切测试试样长度为 42mm，宽度为 10mm。同一焊接参数下得拉伸测试数据取三个拉伸试样测试结果得算术平均值。SANS XYA105C 万能材料试验机主要参数如下：型号：CMT700最高试验力：10 吨误差极限：示值得 0.1以内实验速度调节范围：0.005-500mm/min图 2.2 焊接接头拉伸试样。2.3.4 显微硬度计在室温下采用 V-1000 型显微硬度计对焊接接头横截面进行维氏显微硬度测试，实验时采用得载荷为 500g，延迟时间为 15s，每两个硬度测试点得间距为10mm。熔合区和热影响区硬度值各取五个作为其平均硬度值。V-1000 型显微硬度计主要参数为：试验力： 10g、25g、 50g、100g、200g、300g、 500g、1000g最小测量单位： 0.5m总放大倍数；100X（观察） 400X（测量）加荷方式：自动（加荷、保荷、卸荷）仪器尺寸：405×290×480mm （长×宽×高）试件最大高度：65mm电源:AC220V±5%，50-60Hz第3章 镁合金钨极氩焊接接头微观组织和力学性能得关系3.1 线能量得变化对镁合金钨极氩弧焊接接头微观组织得影响3.1.1 镁合金钨极氩弧焊焊接接头得微观组织特征图3.1显示了一个典型的镁合金TIG焊接接头微观结构（90 J.mm1）。可以看到焊接接头熔合区广泛的热影响区和贱金属（图3.1（A）。基材是由不规则的小的等轴晶粒（晶粒尺寸约34m）（图3.1（b）条）。等轴晶粒出现引起热挤压工艺的结晶，太。熔合区由不规则的等轴晶粒的（40）和分布在晶界处是连续的-相（图3.1（三）。与熔合区和基体金属相比，热影响区的细等轴晶粒，晶粒粗化明显（72.9m）（图3.1（四）。在焊接过程中，在热循环影响的热影响区的温度可以达到超过413K-527K，AZ系列镁合金的超过478K的再结晶温度。因此，热影响区易发生再结晶和晶粒生长出现。图 3.1 典型镁合金钨极氩弧焊接接头微观组织(90 J.mm-1）：(a)焊接接头，(b)热挤压 AZ61 镁合金母材，(c)熔合区，d)热影响区。3.1.2 线能量得变化对焊接接头热影响区微观组织得影响 图3.2显示了线能量AZ61镁合金钨极氩弧焊焊接热影响区联合微观结构的变化的影响。与报道相同的纸张一致，衍射分析表明，热影响区的显微组织由两个阶段组成：白过饱和固溶体-Mg相（如图3.2所示（一）根据箭头Ä ）黑的-相（如图3.2所示，（a）在箭头B提到）。 3.2图像分析工具（工具3.0 UTHSCSAImage）图的（一） - 3.2（e）在热影响区的-Mg晶粒尺