变形镁合金激光填丝与激光-电弧复合焊接工艺.研究

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1、1绪论1.1引言镁合金以其低密度、高比刚度、高比强度、高抗震性及可回收再利用[1]等优点，在3C产品制造、航空航天[2]、汽车制造业[3]等领域的应用日益广泛。当前镁合金加工成形工艺在冲压、铸造和压铸方面较为成熟，而要生产空间体积较大、形状复杂的零件或工业成品，如车架、车身等，必须使用焊接工艺。但是，镁合金在焊接过程中存在气孔、热裂纹及多种表面缺陷，限制了其应用范围。激光填丝焊及激光-MIG复合焊能够通过加入填充材料，改善焊缝表面缺陷和冶金状况，非常适合镁合金焊接，具有重要的研究意义。本章对镁合金焊接的基本原理、特点、研究与应用现状进行了概括，并对本文的

2、研究目的和研究内容进行了阐述。1.2镁合金焊接特性及发展现状1.2.1镁合金焊接特性镁合金由于密度小、熔点低、热导率和电导率高、热膨胀系数大、化学性质活泼等原因，焊接性相对较差，具体表现在以下方面：（1）气孔。一方面原材料中溶解有大量的氢，其溶解度随温度的降低而急剧减小，由于镁的密度小，氢不易逸出，从而残留在焊缝中形成气孔。另一方面焊接过程的不稳定导致外界气体卷入熔池形成气孔。（2）晶粒粗化。镁的热导率高，焊接时常采用大功率焊接热源。因而焊缝及热影响区金属易产生过热、晶粒长大现象，尤其是热影响区更为严重。热影响区的晶粒粗大，已成为导致镁合金TIG焊接头力

3、学性能下降的主要原因[4]。（3）裂纹。在焊接过程中镁极易与一些金属元素（如Cu、Al、Ni等）形成低熔点共晶体，并在脆性温度区间内形成热裂纹。镁的熔点低、热导率高，线膨胀系数1较大，焊接时粗晶的产生及较大的变形也会加剧接头热裂纹的产生。（4）镁易与空气中的氧、氮结合，在熔池中形成夹渣，严重阻碍焊缝成形，降低接头塑性。为了克服上述困难，加快镁合金焊接的发展脚步，国内外的科技工作者在这一领域做了大量的研究和实验。目前镁合金焊接技术的研究主要集中在电弧焊、搅拌摩擦焊、高能束焊等焊接方法上。1.2.2镁合金传统电弧焊（1）钨极惰性气体保护焊钨极惰性气体保护焊（

4、TungstenInertGas，TIG）是目前镁合金最常用的焊接方法。它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充金属从而形成结合的一种方法。TIG电弧焊接镁合金，采用交流电源可去除氧化膜，获得的接头变形小、热影响区较窄、力学性能和耐腐蚀性能都较高。接头抗拉强度为母材的80%左右，少数接近母材[5-10]。焊缝中主要缺陷为气孔、夹杂、疏松和热裂纹。通过在焊接区涂覆活性剂，即采用活性剂焊接（A-TIG），改善电弧和熔池流动状态，能在一定程度上提高熔深[11-14]。国内的徐利和刘黎明对其进行了研究，发现氯化物和氧化物作为活性剂效果

5、最好，熔深可提高一倍左右。在活性剂中加入SiC，可提高焊缝硬度与抗拉强度，达到母材的89%，与普通TIG焊相当。目前镁合金TIG焊大都采用人工操作，熔透性差，生产效率低下，工艺不稳定，在大规模工业生产领域难以应用。尽管A-TIG焊在实验室研究中取得一定的进展，但其接头质量和实用性仍需进一步考证。（2）熔化极惰性气体保护焊熔化极惰性气体保护焊（MetalInertGas，MIG）指在惰性气体的保护下，以连续送进的可熔化焊丝与工件之间的电弧作为热源熔化母材而形成接头的一种方法。焊丝熔滴的过渡状态是保证焊接质量的关键。在用于镁合金焊接时，由于镁合金沸点低、蒸汽

6、压力大，熔滴稍有过热就会爆炸，因此焊接过程中往往伴随强烈的飞溅，无法形成连续的焊缝。德国的Wohlfahrt等人通过调节电流波形，使熔滴在形成时以2短路方式过渡，此熔滴过渡后，继续产生一个小的脉冲电流，使下一熔滴柔和地进入熔池，如此反复可获得平稳过渡的熔滴，极大抑制了飞溅的产生[15]。然而这种方法并没有在商用焊机中得到应用。当前，镁合金MIG焊的研究还相对缺乏。1.2.3镁合金搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding:FSW)是由英国焊接研究所(TWI)于1991年开发的新型固相连接技术。目前已在铝合金焊接领域得到广泛应用。它是利用

7、不同形状的搅拌头伸入到工件中的待焊区域，通过搅拌头在高速旋转时与工件之间产生的摩擦热使这一部分的金属处于塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从前端向后端塑性流动，从而使两个工件压焊形成一个接头，如图1-1所示。在搅拌过程中，金属不发生熔化，焊接区域温度较低，因此不存在熔焊时产生的缺陷。目前已实现AM60、AZ31、AZ61、AZ91等镁合金的搅拌摩擦焊接[16-19]。EsparzaJA等人对AM60镁合金的搅拌摩擦焊接头进行了微观组织与力学性能的分析，YamamotoM等人系统研究了各类镁合金搅拌摩擦焊接头的裂纹形成机理，国内的白钢、杨舜等对AZ31B镁合

8、金的搅拌摩擦焊基础工艺进行了综合研究。实验显示[20-22]镁合金采用搅拌摩擦焊