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Mg/Al填丝GTAW焊接接头区组织性能研究

作　者: 许有肖
导　师: 李亚江
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Mg/Al异种金属 GTAW焊接接头组织析出相
分类号: TG457.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

镁合金储量巨大,具有密度低,比强度高和环保等优点,当前广泛应用于汽车、国防军工、电子产品等领域,具有极佳的发展潜力。镁合金和其他材料的连接限制了镁合金的发展应用,如果能够实现镁与铝的焊接,就能充分发挥这两种轻金属各自的性能优势,降低结构件重量,推动两者的进一步开发应用。本课题采用填丝钨极氩弧焊(GTAW)焊接AZ31镁合金和7005铝合金管件,研究得到满意接头的焊接工艺参数。对采用不同合金焊丝得到的接头进行分析,研究焊接接头显微组织以及不同焊丝合金成分对于接头组织性能的影响,分析析出相的产生原因及对焊接接头的影响、焊接裂纹产生原因及预防措施。采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察接头的显微组织,并采用能谱分析仪进行点成分分析。采用纯铝焊丝ERl100和Al-Mg合金焊丝(ER5183、ER5356),镁侧焊缝区组织为呈枝晶网格状分布的α-Al、Mg2Al3和Mg17Al12的混合组织,显微硬度值在200HV50g以上；采用Al-Si合金焊丝(ER4043和ER4047),镁侧焊缝区为柱状晶、初晶Si以及Mg2Si的共晶组织,硬度值40-80HV50g。焊缝中心区为等轴枝晶,推测为α-Al和Mg3Zn3Al2、CuMgAl2的共晶组织,晶间析出相可能是AlMnFeSi和FeMnAl6,显微硬度100～200HV50g。铝侧焊缝区以柱状晶为主,主要是铝的固溶体组织,显微硬度60～100HV5og。采用Al-Si合金焊丝,焊缝区组织分布均匀,力学性能优良。Mg/Al焊接接头两侧热影响区均出现组织晶粒增大、析出相增多现象。镁侧热影响区析出相为β(Mg17Al12)和Mg2Si,铝侧热影响区析出相为AlZnMgCu和CuMgAl2。析出相组织在合金塑性变形中对位错起到很强的阻碍作用,能够提高合金的强度,对Mg、Al合金以及焊缝组织起到强化的作用。采用显微硬度计对Mg/Al焊接接头进行显微硬度测定,5种焊丝镁侧熔合区显微硬度均明显增加,脆硬倾向明显,并且该区域容易产生裂纹和气孔,是接头区薄弱部位；铝侧熔合区组织过渡均匀,熔合状况良好。镁侧熔合区硬度随Mg、Si含量的增大而提高,焊丝选择时应注意Mg、Si含量控制。采用ER5183焊丝,镁侧熔合区硬度值最低,宽度适中,应该优先考虑。采用电子探针(EPMA)对不同合金焊丝接头镁侧熔合区进行线扫描表明,该区域的元素分布规律基本相似。镁侧热影响区以Mg为主,Al元素向镁母材扩散很少。在界面处Mg元素急剧降低,Al元素明显增加,并在熔合区内保持稳定,表明熔合区生成了稳定的Mg-Al金属间化合物。经过熔合区,元素含量逐渐过渡到焊缝区水平。焊丝选用时应该考虑与镁母材的配合：为保证焊缝区能够形成Mg2Si强化相但不出现Mg过量而选用Si含量高的焊丝,为减少熔合区的脆硬倾向选用Mg含量低的焊丝。为优化Mg/Al接头性能,考虑在二者之间增加Zn等元素的过渡层,采用磁脉冲电流、激光-GTAW复合电源等工艺手段。采用纯铝焊丝和Al-Mg合金焊丝,在镁侧焊缝近熔合区处产生了热裂纹,该区组织脆硬的Mg-Al金属间化合物。裂纹起裂点为金属间化合物和共晶组织交界处,硬度较低,沿硬度增大方向扩展,且近熔合区侧硬度低于近焊缝区侧,这限制了裂纹的扩展方式。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第1章绪论  10-24
  1.1 引言  10-11
  1.2 镁合金的发展和应用现状  11-15
  1.3 镁合金的焊接研究现状  15-19
  1.4 Mg/Al异种金属焊接现状  19-23
  1.5 本课题研究内容  23-24
第2章试验材料及研究方法  24-30
  2.1 试验材料及焊接工艺  24-28
    2.1.1 试验母材  24-25
    2.1.2 焊接材料  25-27
    2.1.3 焊接方法、工艺  27-28
  2.2 试样制备和腐蚀  28-29
  2.3 试验及研究方法  29
    2.3.1 焊接接头各区显微组织、裂纹观察  29
    2.3.2 焊接接头区显微硬度分析  29
    2.3.3 焊接接头各区域成分分析  29
  2.4 本章小结  29-30
第3章 Mg/Al填丝GTAW焊缝区组织特征  30-46
  3.1 焊接接头区划分  30-31
  3.2 焊缝区组织形貌  31-33
    3.2.1 焊缝区典型显微组织  31-33
    3.2.2 焊缝组织结晶过程分析  33
  3.3 不同焊丝焊缝区组织性能对比分析  33-42
    3.3.1 纯铝焊丝焊缝区的组织性能  34-36
    3.3.2 Al-Si合金焊丝焊缝区的组织性能  36-39
    3.3.3 Al-Mg合金焊丝焊缝区的组织性能  39-42
  3.4 不同合金成分对焊缝区组织性能的影响  42-44
  3.5 本章小结  44-46
第4章 Mg/Al填丝GTAW熔合区和热影响区显微组织分析  46-64
  4.1 Mg/Al填丝GTAW熔合区组织特征  46-53
    4.1.1 镁侧熔合区显微组织特点  46-51
    4.1.2 铝侧熔合区显微组织  51-53
  4.2 Mg/Al填丝GTAW热影响区组织特征  53-56
    4.2.1 镁侧热影响区  53-55
    4.2.2 铝侧热影响区  55-56
  4.3 Mg/Al填丝GTAW接头显微硬度分布  56-62
    4.3.1 镁侧熔合区显微硬度分布  56-59
    4.3.2 铝侧熔合区显微硬度分布  59-62
  4.4 本章小结  62-64
第5章 Mg/Al填丝GTAW析出相及焊接裂纹  64-74
  5.1 析出相特征及形成原因  64-68
    5.1.1 焊缝区析出相  64-66
    5.1.2 热影响区析出相  66-67
    5.1.3 析出相强化机理  67-68
  5.2 焊接裂纹  68-72
    5.2.1 裂纹区组织形貌  68-69
    5.2.2 裂纹区显微硬度分析  69-71
    5.2.3 裂纹产生原因分析及控制措施  71-72
  5.3 本章小结  72-74
第6章结论  74-75
参考文献  75-82
致谢  82-83
攻读硕士学位期间发表的论文  83-84
学位论文评阅及答辩情况表  84

Mg/Al填丝GTAW焊接接头区组织性能研究

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