AZ31B镁合金焊接接头疲劳性能改善方法研究

摘要

镁合金具有轻质高强，资源丰富，易于回收等一系列优点，被誉为“21世纪绿色金属结构材料”。发展复杂的大型镁合金结构，焊接技术是最为重要、快捷的加工方法之一，也是突破镁合金广泛应用瓶颈的重要手段。然而，统计资料表明，70[％]～90[％]的焊接结构失效是由于焊接接头的疲劳断裂造成。因此，研究镁合金焊接接头的疲劳性能及改善方法具有重要的理论意义和实际价值。
　　 本文对AZ31B镁合金对接和十字两种接头型式的焊接试件的疲劳性能进行了研究。AZ31B镁合金对接接头的试验中值S-N曲线为lgN=13.78-4.70lg△σ，试验特征S-N曲线为lgN=13.50-4.70lg△σ；用国际焊接学会(IIW)推荐m=3处理得到的中值S-N曲线为lgN=10.97-3.00lg△σ，特征S-N曲线为lgN=10.48-3.00lg△σ。AZ31B镁合金十字接头的试验中值S-N曲线为lgN=11.27-3.58lg△σ，试验特征S-N曲线为lgN=10.74-3.58lg△σ；用国际焊接学会(IIW)推荐m=3处理得到的中值S-N曲线为lgN=10.39-3.00lg△σ，特征S-N曲线为lgN=9.91-3.00lg△σ。在N=2×106循环次数下，镁合金对接接头的疲劳强度为39.00 Mpa，十字接头的疲劳强度为24.38 Mpa。
　　 用扫描电镜观察疲劳断口，发现AZ31B镁合金焊接接头断口中没有连续、清晰的疲劳辉纹，大部分区域都是由细小密集的解理台阶、扇形花样或者断续的河流状花样组成，在断口的很多地方都可以看到大小不一的二次裂纹，说明AZ31B镁合金焊接接头的疲劳断裂是一种以解理为主的脆性断裂。
　　 研究了超声冲击处理改善AZ31B镁合金焊接接头疲劳性能的机理。AZ31B镁合金十字接头经超声冲击处理后，其疲劳强度为24.7Mpa，比焊态试样的疲劳强度17.2 Mpa提高了43.6[％]。超声冲击作用在受冲击部位形成了较大数值的有利于疲劳强度提高的表面压应力，超声冲击处理使焊趾过渡区曲率半径增加，应力集中降低，有利于焊接接头疲劳强度的提高。同时，超声冲击细化了焊趾部位金属的晶粒，消除了焊趾部位的微观夹渣和微小咬边等缺陷，消除了表面微观裂纹源，延缓了疲劳裂纹开裂，这些都对疲劳性能的改善起到了良好作用。
　　 研究了TIG熔修处理对AZ31B镁合金对接和十字接头疲劳性能的改善机理。TIG熔修处理可以使焊缝金属晶粒得到高度细化，同时可消除焊趾部位的微观夹渣和微小咬边等缺陷，大大提高焊趾部位的表面质量，消除了表面微观裂纹源，延缓了疲劳裂纹的开裂。经TIG熔修处理后，AZ31B镁合金对接接头和十字接头的疲劳强度分别为41.68 Mpa和34.13 Mpa，与处理前的39.00 Mpa和24.38 Mpa相比较，分别提高了6.9[％]和39.9[％]。十字接头疲劳性能的改善程度远远大于对接接头，是因为十字接头的应力集中程度要高于对接接头，所以改善幅度相应较大。
　　 利用激光热源对AZ31B镁合金母材表面进行熔凝处理后，熔凝层晶粒得到高度细化，熔凝层显微硬度由基体的40～45HV提高到50～80HV；激光熔凝处理AZ31B镁合金对接接头和十字接头焊趾部位，可使熔凝区金属晶粒得到高度细化。但是，由于激光热源与镁合金的作用机理较复杂，焊接接头熔凝层表面成型质量较差，呈现为凹凸不平的小坑，产生了较大的应力集中，加速了焊接接头的疲劳破坏。激光熔凝处理后，两种试件的疲劳强度分别为25.03 Mpa和21.74 Mpa，与处理前相比，有所下降，说明激光熔凝处理对工艺要求更严格，需进一步改善工艺参数。
　　 比较超声冲击、TIG熔修和激光熔凝三种疲劳性能的改善方法，TIG熔修与超声冲击均在一定程度上改善了焊接接头的疲劳性能。TIG熔修虽具有操作简单，成本低等优点，却受操作人员人为因素的影响较大。而超声冲击方法执行机构轻巧，可控性好，成本低而且节能，适用于各种接头，是一种较为理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。