活性剂对AZ31镁合金钨极氩弧焊和激光焊接接头微观组织和力学性能的影响

摘要

本文以AZ31变形镁合金为研究对象，通过调整不同焊接工艺下的焊接参数和活性剂的涂覆量，并采用宏观形貌观察、显微组织分析、拉伸实验和硬度测试等方法，系统地研究了TiO2和CaF2活性剂的涂覆量对AZ31镁合金钨极氩弧焊接（TIG）接头宏观形貌、微观组织和机械性能的影响，揭示了微观组织演变规律及其与焊接接头力学性能之间的关系，并澄清了活性剂的涂覆量与焊接缺陷的内在关系。最后，针对镁合金激光焊接能量利用率低的特点，开发了一种新型的活性剂激光焊接技术，分析了三种不同类型活性剂对AZ31镁合金低功率激光焊接的影响规律，并讨论了活性剂增加焊缝熔深和提高焊接接头力学性能的机理。在实验事实的基础上，结合理论分析，得到以下主要结论：
　　通过研究TiO2活性剂涂覆量的变化对AZ31镁合金TIG焊接接头宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。结果表明：TiO2活性剂涂覆量的增加不仅改善了焊缝的表面成形，而且增加了AZ31镁合金TIG焊接接头的熔深和深宽比。但是，涂覆过量的TiO2活性剂却导致焊缝表面成形质量和深宽比降低。随着TiO2活性剂涂覆量的增加，熔合区中α-Mg晶粒和β-Mg17Al12金属间化合物粗化，而β-Mg17Al12相的体积分数减少。当TiO2活性剂涂覆量较低时，由于β-Mg17Al12相的弥散强化作用占主导，焊缝熔合区的显微硬度值缓慢降低；然而，当TiO2活性剂的涂覆量较高时，α-Mg晶粒严重粗化，从而使焊缝熔合区的显微硬度值急剧降低；焊接接头的极限抗拉强度先缓慢增加后急剧减小。
　　通过改变CaF2活性剂的涂覆量，探讨了AZ31镁合金TIG焊接接头的宏观形貌、微观组织、焊接缺陷及其力学性能的特点。结果表明：CaF2活性剂涂覆量的增加虽然恶化了焊缝表面成形，却使得焊缝熔深和深宽比增加。随着CaF2活性剂涂覆量的增加，熔合区中α-Mg晶粒和β-Mg17(Al,Zn)12金属间化合物粗化，而β-Mg17(Al,Zn)12相的体积分数减少。由于CaF2涂层减缓了熔池的凝固速度以及氟离子和氢离子发生反应，焊接接头的气孔率和平均气孔直径减小。随着CaF2活性剂涂覆量的增加，焊缝熔合区中凝固裂纹总长度先逐渐减小后略微增加。焊接接头的极限拉伸强度和延伸率随着CaF2活性剂涂覆量的增加而增大，然而，涂覆过量的CaF2活性剂导致晶粒的严重粗化以及氧化物夹杂和裂纹的形成，从而使焊接接头的极限拉伸强度和延伸率急剧减小。
　　针对镁合金激光焊接能量利用率较低的特点，开发了一种新型的活性激光焊接技术用来改善其焊接性。在本研究中，通过微观组织观察、硬度测试和拉伸测试研究了三种不同类型活性剂（SiO2、TiO2、ZnCl2、CaCl2和CaF2）对AZ31镁合金激光焊接接头微观组织和力学性能的影响。结果表明：三种类型活性剂都能明显改善焊缝表面成形并且提高焊缝的熔深和深宽比，其中氧化物的作用最明显，实验中SiO2活性剂能够增加焊缝熔深200％。此外，涂覆活性剂后，焊缝晶粒未发生明显的粗化现象，靠近熔合线附近带状区域的微观组织从等轴晶逐步转变为柱状晶。涂覆活性剂后，焊接接头的力学性能（包括极限抗拉强度和硬度）降低。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 镁合金的焊接现状及发展趋势

1.3 镁合金的活性剂焊接（A-TIG）

1.4 本文的主要研究内容

2 研究内容与方法

2.1 实验材料

2.2 焊接设备

2.3 焊接参数

2.4 实验方法

3 TiO2涂覆量的变化对AZ31镁合金钨极氩弧焊接接头的微观

3.1 引言

3.2 TiO2涂覆量的变化对AZ31镁合金钨极氩弧焊接接头宏观形貌的影响

3.3 TiO2涂覆量的变化对镁合金钨极氩弧焊焊接接头微观组织的影响

3.4 TiO2涂覆量的变化对镁合金钨极氩弧焊焊接接头力学性能的影响

3.5 本章小结

4 CaF2涂覆量的变化对AZ31镁合金钨极氩弧焊接接头的微观

4.1 引言

4.2 CaF2涂覆量的变化对AZ31镁合金TIG焊接接头宏观形貌的影响

4.3 CaF2涂覆量的变化对 AZ31 镁合金 TIG 焊接接头熔合区微观组织的影响

4.4 CaF2涂覆量的变化对AZ31镁合金TIG焊接接头缺陷的影响

4.5 CaF2涂覆量的变化对AZ31镁合金TIG焊接接头力学性能的影响

4.6 本章小结

5活性剂对镁合金低功率激光焊接接头微观组织和力学性能

5.1 引言

5.2 镁合金活性激光焊接参数的优化

5.3 活性剂对镁合金激光焊接接头宏观形貌的影响

5.4 活性剂对镁合金低功率激光活性焊接接头微观组织的影响

5.5 镁合金低功率激光活性焊接接头力学性能分析

5.6 本章小结

6 全文结论

致谢

参考文献