AZ31镁合金、5083铝合金焊接工艺及接头力学性能研究—硕士论文.doc

分类号： 学校代号：10150UDC： 密级： 学 号：20102203硕士学位论文AZ31镁合金、5083铝合金焊接工艺及接头力学性能研究Study on welding technology and joint mechanical properties of AZ31 magnesium alloy and 5083 aluminium alloy学生姓名：吕建刚导师及职称：李瑞淳 教授级高工史春元 教授权高峰 教授学科门类：工学专业名称：材料加工工程研究方向：轨道交通运输装备轻量化申请学位级别：硕士论文答辩日期：2013年06月06日学位授予单位：大连交通大学摘要摘 要铝合金已经在轨道交通装备中得到了广泛的应用。随着轨道列车的不断提速，对现代轨道装备轻量化要求不断提高。熔焊技术目前还是中国国内近期轨道列车的主导连接工艺，但是铝合金车体的焊接工艺稳定性仍然存在问题，质量时有波动，严重影响合格率，对轻量化列车的发展造成了一定困难，寻找熔焊的替代技术成为新的探索目标，另外寻找比铝合金更轻的轻合金材料应用于轨道列车的制造中成为了新的探索方向。镁合金被称为21世纪的“绿色结构材料”，具有较高的比强度、比刚度、可再生循环等一系列优势，已经被广泛的应用于航空航天，汽车，3C等领域，但是在轨道交通运输装备上的应用却刚刚起步。因此，有必要采用新的焊接方法替代熔焊技术，对比研究镁合金与轨道交通车辆常用铝合金焊接接头的安全可靠性。本文研究了AZ31镁合金与轨道交通列车常用铝合金5083的FSW和MIG力学性能和FSW焊接接头疲劳行为，并对焊接周期成本进行了分析评价。得出了以下结论：力学性能试验结果表明，FSW焊接技术可以替代MIG焊接技术应用于AZ31镁合金和5083-H111铝合金的焊接过程，5083-H111焊接接头的安全可靠性优于AZ31镁合金。厚度为6mm的AZ31镁合金轧制板，采用FSW在焊接转速1200 r/min、焊速为100 mm/min时焊接接头力学性能较佳，其抗拉强度为240MPa，达到母材的92.3%。6mm厚5083-H111铝合金轧制板，采用FSW在焊接转速800 r/min、焊速为200 mm/min时焊接接头力学性能较佳，其抗拉强度为318MPa，达到母材的99.4%。疲劳试验结果表明，5083-H111铝合金与AZ31镁合金轧制板较佳FSW工艺条件下疲劳强度与其母材强度相当，分别约为135MPa和110MPa。镁合金对加载应力更敏感，随着应力水平的增加，疲劳寿命迅速降低。在断口中也发现镁合金疲劳裂纹扩展的条带较铝合金宽，并且镁合金为脆性疲劳条带。铝合金为韧性疲劳条带。对疲劳断口的分析发现近表面的第二相粒子容易成为疲劳源，高应力水平状态下会出现多个疲劳源。本文定义了焊接周期成本（WCC），建立了焊接周期成本评价（WCCA）模型，以AZ31镁合金与5083-H111铝合金焊接为例分别进行了成本和可靠性评价。结果表明，FSW可以替代MIG应用于轨道列车的焊接；5083-H111铝合金的焊接接头可靠性高于AZ31镁合金；在强度满足工程设计强度时，AZ31板材也可替代5083-H111板材应用于轨道列车上。关键词：镁合金；铝合金；焊接技术；疲劳行为；WCCA IAbstractAluminum alloy has been widely used in the rail transportation equipment. With the speeding-up of the train track, the demands of modern rail equipment lightweight are continually increasing. Recently, fusion welding technique is still the main dominant connection technology in rail trains at China, but the aluminum alloy bodywork welding process stability are still problems, when there are fluctuations in the quality, seriously affect the pass rate, caused some difficulties in the development of lightweight trains. Looking for a new alternative technologies and lighter materials become the new exploration target. However, magnesium alloy is known as the 21st century green structural materials with high specific strength, stiffness, renewable cycle and a series of advantages. Magnesium alloy has been widely used in the aerospace, automotive, 3C, and other fields. But the track transportation equipment has just started. Therefore, it is necessary to adopt a new welding method alternative to fusion welding technology; comparative study of the safety and reliability of magnesium alloy welded joints with rail transit vehicles commonly used aluminum alloy welded joint.In this paper, the AZ31 magnesium alloy and rail transit train commonly used aluminum alloy 5083 is the studying materials. Studying the FSW and MIG welded joints mechanical properties, FSW welded joints fatigue behavior, and Welding life cycle cost evaluation analysis. Reached the following conclusions:The test results show that the mechanical properties of the FSW welding technology can replace MIG welding technology for the safety of the welded joints of AZ31 magnesium alloy and aluminum alloy 5083-H111 welding process. 5083-H111 FSW welded joints reliability better than AZ31 magnesium alloy. The mechanical properties of 6mm rolled AZ31 magnesium alloy plate FSW welded joints at the rotation speed of 1200 r/min and the welding speed of 100 mm/min is better than other welding parameters. Its tensile strength is 240MPa and reached 92.3% to the base metal. The mechanical properties of 6mm rolled 5083-H111 aluminum alloy plate FSW welded joints at the rotation speed of 800 r/min and the welding speed of 200 mm/min is better than other welding parameters. Its tensile strength of 318MPa and reached the base metal of 99.4%.The fatigue test results of 5083-H111 aluminum alloy and AZ31 magnesium alloy plate FSW comparatively good welded joints show that the fatigue strength is better equivalent to the parent material approximately 135MPa and 110MPa. Magnesium alloy is more sensitive to loading stress. As the stress level increases, the fatigue life dropt rapidly. Its found that the fatigue strips of magnesium alloy are wider than aluminum alloy. The fatigue strips of magnesium alloy are brittle. The fatigue strips of aluminum alloy are toughness. Analysis of fatigue fracture found that the second-phase particles near or at the surface easy to become a fatigue source. State of high stress levels can find many fatigue sources.This paper defines the welding cycle cost (WCC), established the welding cycle cost evaluation model (WCCA). What an example to AZ31 magnesium alloy and 5083-H111 aluminum alloy welding for cost and reliability evaluation. The results show that: FSW can substitute MIG welding applied to track trains. 5083-H111 aluminum alloy welded joint is more secure than AZ31 magnesium alloy. AZ31 sheet can substitute 5083-H111sheet applicant on the track when its strength can satisfy the design request.Key Words：Mg alloy; Al alloy; Welding technology; Fatigue behavior; WCCA59目录目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章 绪 论11.1 研究背景及现状11.1.1 镁合金、铝合金与轨道交通装备轻量化11.1.2 轨道列车焊接技术的发展21.1.3 焊接接头的疲劳失效51.1.4 生命周期评价与环境及可持续发展61.2 研究意义及内容7第二章 试验材料、方法及设备92.1 试验材料92.2 试验方法及设备102.2.1 焊接工艺试验及设备102.2.2 X射线探伤112.2.3显微组织分析112.2.4 常规力学性能试验122.2.5残余应力测试142.2.6 微型剪切试验152.2.7 疲劳试验162.2.8 断口形貌观察16第三章 AZ31镁合金焊接工艺及力学性能173.1 AZ31镁合金FSW焊接工艺及力学性能173.1.1 焊接工艺参数选择173.1.2 X射线探伤结果与分析173.1.3 显微组织分析结果与分析183.1.4 常规力学性能试验结果与分析203.1.5 残余应力试验结果与分析263.1.6 微型剪切试验结果与分析273.2 AZ31镁合金MIG焊接工艺及力学性能283.2.1 焊接工艺参数选择283.2.2 X射线探伤结果与分析283.2.3 显微组织分析结果与分析293.2.4 常规力学性能试验结果与分析313.2.5 残余应力试验结果与分析353.2.6 微型剪切试验结果与分析363.3 AZ31薄壁空心型材焊接工艺及力学性能研究363.3.1 焊接工艺参数选择363.3.2 宏观形貌与X射线探伤结果与分析373.3.3 显微组织分析结果与分析393.3.4 拉伸试验结果与分析403.3.5 硬度测试结果与分析41本章小结42第四章 5083-H111铝合金焊接工艺及力学性能434.1 5083-H111铝合金FSW焊接工艺及力学性能434.1.1 焊接工艺参数选择434.1.2 X射线探伤结果与分析434.1.3 显微组织分析结果与分析444.1.4 常规力学性能试验结果与分析454.1.5 残余应力试验结果与分析504.1.6 微型剪切试验结果与分析514.2 5083-H111铝合金MIG焊接工艺及力学性能524.2.1 焊接工艺参数选择524.2.2 X射线探伤结果与分析524.2.3 显微组织分析结果与分析534.2.4 常规力学性能试验结果与分析544.2.5 残余应力试验结果与分析593.2.6 微型剪切试验结果与分析59本章小结60第五章 AZ31与5083-H111 FSW焊接接头疲劳行为研究615.1 AZ31镁合金FSW焊接接头疲劳行为研究615.1.1 疲劳实验数据与S-N曲线615.1.2 疲劳断口与断裂机制625.2 5083-H111铝合金FSW焊接接头疲劳行为研究645.2.1 疲劳实验数据与S-N曲线645.2.2 疲劳断口与断裂机制66本章小结68第六章 接头安全可靠性评价与焊接周期成本评价（WCCA）696.1引言696.2 焊接周期成本计量模型的建立696.3 焊接技术成本CW的计算716.3.1 氩弧焊工艺成本计算726.3.2 FSW工艺成本计算726.3.3 设备成本计算726.3.4 人工成本计算736.4 焊接技术环境成本CE的计算746.4.1 能耗746.4.2 粉尘746.4.3 保护气756.4.4 电焊弧光756.4.5 电磁766.5 以AZ31和5083-H111板材焊接为例的焊接技术WCCA分析766.5.1 接头可靠性评价766.5.2 焊接技术成本CW计算与分析776.5.3 工程性价比796.5.4 焊接技术环境成本计算与分析806.5.5 焊接技术WCCA评价系数对比81本章小结82结 论83参 考 文 献84攻读硕士学位期间发表的学术论文88致 谢89第一章 绪论第一章 绪 论1.1 研究背景及现状1.1.1 镁合金、铝合金与轨道交通装备轻量化进入21世纪，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题，在使用过程中能使设备减重、节能并符合环保要求的轻量化材料成为研究热点之一。由于镁合金与铝合金具有密度低、比刚度高、比强度高等优点，因此在轨道交通运输装备、汽车、3C产品、航空航天等工业中都有很大的应用前景1。轨道交通的最大特点是快捷、准时和低成本，经过50多年的发展，我国的轨道交通已经形成国家主干铁路网、城际铁路和城市地铁/城市快速轻轨并行发展的基本格局2。轨道交通装备轻量化是实现交通快速、安全、准点，便捷的重要保证。铝合金成功应用于高速列车制造是列车制造史上划时代的进步，然而据预测，铝合金资源在15-40年内将枯竭。镁合金由于其在性能和资源方面无可比拟的优势，即将走向代替钢铁和铝合金的中心舞台，使得镁合金轨道列车替代不锈钢、铝合金轨道列车呈现于世3。镁合金作为最轻的工程结构材料，除了无与伦比的资源-环境友好优势外，其自身优良的力学性能和加工工艺性能使其在电子、汽车、飞机等领域成功应用，大规模工业应用技术已经走向成熟，但在轨道交通行业上的应用却刚刚起步。在国内现行轨道列车上只有镁合金通风窗和座椅成功应用，然而镁合金大型、主承力结构件在轨道交通车辆上的应用很少。轨道车辆结构用铝合金挤压型材，适用于铁道、地铁及轻轨等轨道车辆的车体结构，随着轨道车辆的发展以及运行速度的提升，铝合金列车正在不断的替代不锈钢列车，5系、6系、7系的铝合金已经被广泛应用于轨道列车装备上。发达国家的建设经验已经证明，城市轨道交通是保证一个城市精确、准时运作的基本保障。与小轿车发展类似，轨道交通的高速化要求机车车辆和列车的轻量化4。轨道交通的跨越式发展对机车车辆的运行速度、安全性、舒适性和环境友好性提出了更高的要求。特别是高速列车不但轴重要求较常规列车严格，而且其本身还必须承担大功率、满足高要求，因此要加装常规列车所没有的设备(例如动车的流线型头锥、车辆的设备舱、门窗的气密装置、外风挡、电气自动控制系统等)，这样又会带来质量的增加。所以，轻量化是高速列车的关键3。车体轻量化对降低原材料消耗、降低车辆制造成本、节省牵引动力、降低列车运行费用、减轻车辆对线路的冲击、提高列车启动加速度及制动减速度、减少制动系统的负担具有重要意义。以当前金属材料工业发展的现状和水平来衡量，镁合金最有潜力成为继铝合金之后应用于现代铁道车辆的轻合金材料。法国TGV高速铁路和德国西门子公司的高速列车ICE已经开始在一些零部件上采用镁合金材料，如坐椅骨架、行李架、框架等5；在唐山机车车辆厂承担的“提速客车车体轻量化的研究”项目中，镁合金材料得到了具体的应用，全车用镁合金型材替代了约三分之一的木骨架，采用镁合金电线槽代替普通线槽，车内部分装饰件采用了镁合金材料，如窗框、门框、行李架、风口、饰带、压线等，减重效果明显。镁合金已经成功应用到轨道列车上，但都是不受力或受力较小的部件，而开展镁合金大型、主承力结构件在轨道交通车辆上的应用，是适合我国资源和技术现状、提升我国轨道交通运输装备技术水平、实现创新发展的绝佳机遇6。轨道交通装备的轻量化是现代轨道交通的必由之路，而轻量化制造技术和轻量化材料是实现交通装备轻量化的根本保证。1.1.2 轨道列车焊接技术的发展尽管现已成功开发了全铝合金车体和薄壁不锈钢车体等轻型列车7，但是下面这些问题的存在对这两类轻量化列车的发展造成了一定困难：铝合金车体的焊接工艺稳定性仍存在问题，质量时有波动，严重影响合格率；焊接车体的表面防护处理技术仍然无法满足大面积、带焊缝、曲面的光亮化处理要求，不得不采用常规涂装，每辆车净增重0.8-1.5吨8。镁合金焊接时出现的问题与铝合金相似，又由于铝合金在轨道列车上应用比镁合金的成熟，因此可借鉴铝合金的焊接技术与理论开展镁合金的焊接研究开发工作。熔焊技术还是国内近期轨道列车的主导连接工艺，这主要与我国引进国外高速列车的设计图纸和型号有关9。1999年英国Ladbroke Grove的撞车事故以及Eschede的撞车事故引起了人们对轨道列车制造技术的再思考。调查结果表明，铝合金挤压成型件沿着焊缝开裂。这是由于(熔焊)焊缝位置的冲击韧性比较差，缺乏塑性变形能力，结构沿着焊缝失效，而不是以一种可控制的方式发生变形。调查报告(HSCReport)建议采用熔焊的替代性方法焊接铝合金。FSW技术是铝合金列车制造中最受关注的替代焊接技术10。搅拌摩擦焊（Fricition Stir Welding）自发明以来在世界工业领域得到了快速的发展和大规模推广应用，其本质原因在于显著的技术优势和潜在的技术推动力，主要表现为如下几个方面：（1）FSW基本解决了镁合金、铝合金的焊接性问题：无论是传统的熔焊方法还是激光焊、电子束焊等特种焊接方法，都不能很好的解决镁合金、铝合金的焊接性问题。尤其对于ZK系高强镁合金，2XXX系、7XXX系等高强铝合金，任何熔焊方法都不能从根本上解决焊接气孔、热裂纹及焊后应力腐蚀裂纹等问题。采用FSW可以焊接所有系列的镁合金、铝合金，不存在常规熔焊缺陷，基本解决了镁合金、铝合金的焊接性问题。（2）FSW为工业产品的设计提供了新思路：由于FSW本质上是固相连接技术，不仅可以实现同种材料的连接，也可以实现异种材料的焊接，如镁-铝、铝-铜、镁-钛等异种材料。（3）合理的FSW焊接工艺可以提升产品质量和性能：FSW属于固相焊接，缺陷少，热影响区小，FSW接头性能普遍优于熔焊接头，而且焊接变形小，因而可以提高产品的质量和性能。（4）FSW可以降低产品成本、提高生产效率，不需要填丝和保护气，焊接过程无弧光辐射、无烟雾，是绿色制造技术，在批量化产品制造中可以节省焊接成本和费用；同时FSW是基于标准化机床设备的焊接技术，焊接过程能够实现机械自动化，生产效率高，焊接质量稳定性好。由以上优点，使FSW在轨道交通制造工业领域极具吸引力。在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高以及轻量化发展要求，对列车车体结构和焊接接头强度及其安全性的要求也越来越高11。尤其是高速和超高速列车，用中空铝合金挤压型材和FSW相结合的制造方式，增加了结构整体性和减轻了整车重量，并且变形小，不需要焊后矫形，生产效率高，节约成本，焊接过程不需要焊丝和保护气等优越性，所以目前在国外高速列车的制造领域，FSW已成为轨道车辆车体制造的主导焊接工艺技术。如日本已经用FSW技术焊接高速列车中的铝制件（地板、侧墙）；日本的日立公司已经用FSW实现了新干线高速列车、地铁列车以及通勤列车等车体框架及门皮的焊接；法国阿尔斯通公司用FSW技术焊接了地铁车辆中的铝制件11。2003年北京赛福斯特就和长春客车厂联合探讨FSW在列车车体结构上的应用。2004年，研制出轨道行业第一台型材FSW设备，应用于地铁车辆驱动箱零件的焊接制造。2008年，北京赛福斯特与南车集团株洲电力机车厂合作完成列车常用铝合金材料FSW焊接接头常规力学性能和疲劳性能的基础研究。2009年和南车青岛四方机车车辆厂合作开始高速列车铝合金枕梁的FSW。2010年FSW在列车制造领域应用取得突破性进展，北车集团长春客车厂实现了车钩座的批量化FSW焊接应用，并且开始了长25m的全FSW铝合金车体研制。同时，南车集团株洲电力机车厂研制的地铁车厢侧墙壁板通过了技术鉴定，首次在广州三号地铁车辆中投入了批量化制造。预计不远的将来，FSW在中国也将成为轨道列车产品的主导焊接技术。FSW接是一个复杂的过程，在搅拌针（尺寸、材料、性能）确定的前提下，其最重要的工艺参数是搅拌的旋转速度、焊接速度和轴肩的下压量。通过查阅文献12-25，FSW工艺参数及力学性能总结如表1.1所示。表1.1 FSW焊接工艺参数及力学性能Table 1.1 The process parameters and mechanical properties of FSW合金牌号及状态板厚(mm)焊速(r/min)回旋转速(mm/min)强度对比(b接头/母材)AZ31B6.56060075%AZ31920-200500-140082%AZ31-H24560-240500-100065%AZ31-H24487-5071250-250085%ZK60810080094%Mg-Zn-Y-Zr610080093%AZ313150118090%AZ3155080092.4%AZ316150100092.7%锻ZK60436117085%挤ZK60610080090%以上AZ31547.5150083%AZ6154080086%6061T66400140084%（30天时效）7N01-T51520050082%7N01-T41520050092%柯黎明，徐卫平等对MB8镁合金进行了FSW研究26，主要研究了镁合金薄板的FSW工艺对焊缝的成型特点、接头组织特征及力学性能的影响。实验结果表明：MB8镁合金焊缝外观成型良好，内部无气孔和裂纹，焊后焊件几乎无变形。焊接接头由焊核区、热机影响区和热影响区组成，焊核区晶粒细小，热影响区晶粒较粗大。较低焊接热输入时，接头性能可以达到母材抗拉强度的76%，断口为剪切型韧性断裂，当焊接热输入高时，拉伸强度仅为母材强度的64%，断口形貌为脆性正断。由镁合金晶粒在加热时极易长大，降低焊接接头的力学性能。因此，对镁合金进行FSW时应尽量降低焊缝的热输入。于思荣27等采用FSW对AZ31镁合金板材进行了焊接试验，研究了搅拌针旋转速度、焊接速度和搅拌针轴肩下压量对焊接接头成形质量的影响。结果表明，搅拌针转速过快或焊接速度过慢时，焊缝会出现局部过热甚至熔化现象；反之，当搅拌针转速不够或焊接速度过快时，材料不能充分流动，会形成隧道型缺陷或表面沟槽。当搅拌针轴肩下压量过小时，焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷，焊缝表面出现沟槽，甚至使焊缝金属液外溢；搅拌针轴肩下压量过大，会造成摩擦力及搅拌针前移阻力增大、焊缝凹陷及出现飞边。1.1.3 焊接接头的疲劳失效随着镁合金的广泛利用，尤其作为大型结构件的应用越来越广泛，其焊接工艺和焊接接头性能的研究也越显重要。而对于焊接结构而言，疲劳断裂是其失效的一种主要形式，由疲劳裂纹引起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的70-90%以上。焊接结构疲劳失效的主要原因有以下两方面28-31：（1）焊接接头的静载承受能力一般不低于母材，但在承受交变载荷时，其承受能力却远远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构型式有密切关系，这是引起一些焊接结构过早疲劳失效的一个主要因素。（2）焊接结构有往高速重载方向发展趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。由此看来，焊接结构的安全设计与结构的疲劳性能研究是紧密相关的。杨新岐等32对LY12CZ(2A12-T4)、LD10CS(2A14-T6)、5A06-H112、7075-T6 和LC4CSFSW接头的疲劳性能进行了研究，结果表明：5A06-H112 FSW接头疲劳强度(50%存活率)是MIG焊接接头的1.64 倍、LY12-T4、7075-T6 及LC4CSFSW接头疲劳强度(50%存活率)与母材比较分别为 75%、89.5%和 95%。当焊缝根部存在“弱连接”缺陷时，FSW接头疲劳性能产生下降。FSW接过程中搅拌工具的搅拌针顶端与支撑底板间隙小于0.3mm时不会参数“弱连接”缺陷。金属Mg属于密排六方结构，孪晶与疲劳变形、孪晶与孪晶的结合是疲劳变形的主要形式，滑移带沿着孪晶带堆积的区域是常见的裂纹源，许多微裂纹是由一些微空洞造成，位错环集团是金属Mg典型的疲劳位错结构。镁合金的疲劳断裂由最大剪应力控制，并且沿最大剪应力的方向扩展，它的解理断裂往往发生在高指数面上，并且裂纹的形态因孪晶和滑移而发生强烈变化。镁合金疲劳断裂结构中也会有一些韧窝特征，它们来源于在加载过程中出现并且长大，并在塑性应变和塑性断裂条件下联合起来的微空洞，在沉淀相-基体界面处的结合力较小，沉淀相或夹杂物的破碎、局部应力集中都有可能形成微空洞。南安普敦大学的Booth和Sinclair对2024-T351铝合金飞机机架FSW焊接构件的疲劳性能进行了试验研究33。结果表明：3个在焊核区以外断裂试样的疲劳性能与Busu和Irving发现的薄板性能差不多；2个在焊核区之上断裂的试样寿命有所降低。吉党生34等为了比较镁合金和铝合金的疲劳性能，在相同试验条件下比较了同种接头形式的AZ31镁合金和3A21铝合金的疲劳行为，AZ31镁合金焊件的疲劳强度为46.21MPa，同种接头形式的3A21铝合金焊件为27.07MPa，后者比前者低仅为其疲劳强度的58.58%。1.1.4 生命周期评价与环境及可持续发展生命周期评价又称为环境协调性评价、生命周期评估、寿命周期评价等，已经成为对材料和产品进行环境表现分析的一种重要方法35。1993年，SETAC对LCA定义为能源、原材料消耗及废物排放的鉴定及量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来的负担的客观方法。具体来说是通过确定和量化与评估对象相关的能源消耗、物质消耗和废弃物排放，来评估某一产品、过程或事件的环境负荷；定量评价由于这些能源、物质消耗和废弃物排放所造成的环境影响；辨别和评估改善环境的机会。评价过程应包括该产品、过程或事件的生命全过程，包括原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收，直到最终的废弃。该方法通过识别和量化所用的能量、原材料以及废弃物排放来评价与产品及其行动有关的环境责任，从而得到这些能量和材料应用以及排放物对环境的影响大小，并对改善环境的各种方案做出评估。生命周期是指产品从“摇篮到坟墓”各阶段的总和，包括产品从自然界中获得的最初资源能源，经过开采，冶炼，加工，再加工等形成最终产品，又经过产品储存，批发，使用等过程，直至产品报废或处置所构成的一个物质转化过程。目前，LCA理论在确定边界条件、环境指标归一化、建立通用模型等方面还存在许多问题，而镁合金的生产规模与钢铁、铝合金以及塑料等材料相比还很小，建立镁合金生命周期数据库是一项十分艰巨的任务。根据LCA的基本思想，将镁合金产品生命周期分为镁合金生产、产品使用以及再生的生命周期三个阶段进行考察36。根据“有色金属工业节能减排十二规划”37：到2015年，平均每吨铝综合交流电耗13670千瓦时，即5522千克标准煤/吨，而吨镁综合能耗下降到4000千克标准煤/吨。中国是铝、镁金属生产和使用大国，由于企业数量多、规模差异较大、生产工艺和技术水平参差不齐，加之我国在相当一段时期内仍将以煤为主的能源消费结构，随着生产规模的扩大，产量和需求量的快速增长导致的资源、能源的大量消耗和污染物排放总量的上升仍然是轻金属工业面临的突出问题。目前，可持续发展的能力已经成为提升所有工业部门竞争力的重要指标。以CO2排放及其所产生的全球温室效应潜力为代表的环境效益衡量指标，已成为国际上材料可持续发展中至关重要的问题之一。这些环境数据和指标需要通过全面的生命周期分析方可获得，而相关的研究工作在我国轻金属工业的科技发展中仍比较滞后。从世界范围内的产业链来看，只要目标应用行业缺乏这些可靠和全面的环境以及可持续性数据，铝、镁等轻金属就不可能在与其他材料和工艺方法的竞争对比中处于优势地位。因此，在生命周期评价方法的指导下，建立完整、通用的铝、镁等轻金属材料环境和技术数据库，不仅对铝、镁等轻金属材料参与国际分工与合作、直面与其他材料的竞争至关重要，而且也是行业实施节能减排、应对全球气候变化等可持续发展战略的必要措施。用于生命周期清单分析或评价环境影响的模型实际上存在很大局限性。因为它们的假定条件可能对某些潜在影响或运用是不可行的。由于目前尚不存在一种在科学上可接受的、对各种不同的污染物作权重的方法，因此，对不同类型的污染进行比较还存在着困难，甚至在同一单元中的污染影响也没有测定过。所以，将清单数据转换为环境损害的计算方法通常非常复杂和不确定，精确度受影响较大。因此，建立正确边界条件和定义评价模型是研究的重点也是难点。汪大成等38提出一种有色金属材料LCA定量评价方法综合比例系数法，根据金属元素的环境特征、实际提取冶金过程和生物效应等要素，确立了纯金属的环境负荷定量计算原则并求出其相对环境负荷，然后由此计算金属材料的环境负荷比例系数；再根据推导出的模型计算出金属材料的环境负荷定量值。根据金属元素的实际提取冶金过程和生物效应，计算出纯金属的相对环境负荷。几种常用有色金属的相对环境负荷排列为：Pb>Cu>Sn>Mn>Al>Zn>Si>Mg>Ca。国际上对镁产品生命周期的环境影响还不十分清楚，这也成为了制约镁及其产品大量使用的重要因素之一。目前，中国和澳大利亚等国的研究者们正致力于对原镁生产工艺过程及镁产品的LCA研究39-42。2005年，国内的研究者基于中国资源、能源消费特征，结合近年来中国原镁工业的发展状况，对皮江法炼镁的温室气体排放强度进行了计算。根据最新的研究结果，中国皮江法炼镁的温室效应环境影响最低值已经十分接近电解法的平均水平43,44。1.2 研究意义及内容高速列车的发展会对FSW技术在中国轨道车辆行业起到需求牵引和推动作用，同时，FSW技术的应用也会提升中国高速列车的性能和质量。由于焊接结构的应力集中体现在焊接接头部位，故而可以认为焊接结构的疲劳实际上就是焊接接头的疲劳。目前，对于钢铁和铝合金材料的焊接接头疲劳性能，得到了丰富而系统的数据。相对而言，关于镁合金焊接接头的疲劳性能研究较少，这与镁合金焊接结构应用于工程实际所需要的研究准备还有一定的差距。因此，研究镁合金焊接结构疲劳性能的特点，对于保证镁合金焊接结构的安全可靠性，对于镁合金在轨道列车上的发展和应用都是极其重要的。目前，LCA理论在确定边界条件、环境指标归一化、建立通用模型等方面还存在许多问题，而镁合金的生产规模与钢铁、铝合金以及塑料等材料相比还很小，建立镁合金生命周期数据库是一项十分艰巨的任务。本文以AZ31镁合金和5083-H111铝合金为研究对象，分别采用FSW和MIG焊接方法，对比分析AZ31镁合金和5083-H111铝合金焊接接头力学性能和FSW接头疲劳行为，阐明FSW疲劳断裂机制；明确FSW作为熔化焊替代技术的可行性；定义焊接周期成本，建立评价模型，并以AZ31和5083-H111的焊接实例验证模型的准确性和可靠性。