AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能pdf

WeldingTechnologyVol．44No．2Feb.2015·焊接质量控制与管理·73文章编号：1002－025X(2015)02-0073-04AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能古海轮，赵衍华，郝云飞，孙世烜，马建波（首都航天机械公司，北京100076）摘要：对我国航天工业中常用的6．6mm厚的AZ31B镁合金进行了搅拌摩擦焊试验，获得了型面良好、表面质量光滑、检测无缺陷的焊接接头。对比分析了镁合金在不同工艺参数下的焊接接头拉伸、硬度以及断裂等力学性能；同时，研究了AZ31B镁合金搅拌摩擦焊在不同区域的显微组织结构。结果表明，焊接接头抗拉强度达到250MPa，为母材的89．3％，焊接接头硬度大于母材硬度，接头断裂位置位于前进边热力影响区附近；焊核区晶粒大小均匀，热力影响区晶粒大小不一，存在焊核区塑性流动和搅拌头的转动双重作用结构，从而论证了航天AZ31B镁合金搅拌摩擦焊的可行性。关键词：AZ31B；镁合金；搅拌摩擦焊；接头组织与性能中图分类号：TG453文献标志码：BDOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2015.02.023镁的密度只有1．78g/cm3，为铝的2/3，钢的1/4，该技术具有接头质量高、焊接变形小和焊接过程绿具有高的比强度、比刚度、减震性、导热性、可切色、无污染等优点，是铝、镁等合金优选的焊接方削加工性和回收性，因而被称为21世纪的“绿色”法，在船舶、机械车辆、航空和航天等制造领域具工程材料。长期以来，由于镁的价格偏高、镁合金有广阔的应用背景［3］。熔液易于氧化燃烧和镁合金材料的耐腐蚀差等限制6．6mm厚AZ31B镁合金板广泛应用于我国航天了其在工业的大规模应用。进入20世纪90年代之产品中，但国内航天工业中鲜有AZ31B镁合金搅拌后，随着镁冶炼技术的不断提高，镁及镁合金的价摩擦焊（FSW）的工艺方法研究。本文对6．6mm厚格迅速下降，镁合金熔液保护技术更加成熟，高纯的AZ31B镁合金板进行了搅拌摩擦焊试验，分析了镁合金材料耐腐蚀性的大幅度提高，以及人们对能不同工艺参数下焊接接头的力学性能与断口特征，源和环境保护的高度重视，镁合金成为迅速崛起的并研究了AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接头显微组织演一种工程材料［1－2］。变过程，为AZ31B镁合金搅拌摩擦焊在航天产品中英国焊接研究所（TWI）于1991年发明了一种应用提供理论和试验依据。新颖而有潜力的焊接方法—搅拌摩擦焊（FSW），1试验材料与方法试验采用的材料为6．6mm厚AZ31B镁合金。试收稿日期：2014-06-25···············································备这些条件，才能做好反应堆压力容器焊接监造工作。3结语核反应堆压力容器焊接监造是一项重要的工作，要参考文献：求监造人员具有广泛的知识面和比较丰富的设备制造经［1］朱成虎，张丽英，沈洪钧．高起点建立核电厂设备监造体系［J］．验，还需有较高的理论水平和专业技术水平，足够的工机电信息，2005（22）：66-69．［2］宋忠臣，刘振忠，孟北方，等．300MW核反应堆压力容器产品作责任心、协调能力和管理知识；同时，还需要熟悉标的焊接技术研究［J］．一重技术，1997（1）：76-86．准规程和技术规范、设备管理合同和监造工作管理程［3］郭德朋，王永姣．核电设备监造工作管理与执行的优化［J］．核动序，坚持科学、求实、高效、严谨的工作作风。只有具力工程，2009（S2）：77-80，89．74·焊接质量控制与管理·验材料的尺寸为150mm×100mm×6mm。AZ31B镁合金化学成分见表1。表1AZ31B镁合金主要化学成分（质量分数）（％）材料AlZnMnSiFeCuCaBeMgAZ31B3．190．810．3340．020．0050．0050．040．1余量试验采用本公司自制铣床改装成的搅拌摩擦焊设备，焊机的焊接速度v可在0～300mm/min范围内调节，搅拌头旋转速度n可在0～1200r/min范围内调节，搅拌头的倾斜角度可任意调节。焊接之前，对待焊接材料进行去毛刺、油污。试验过程中先用夹具将试板固定在焊机的工作台上，注意两板板面应保持在同一高度。调好搅拌头倾角为2°，设定试验焊接工艺参数，搅拌头旋入工件后稍作停顿，待搅拌头旋转稳定后即可依据设定的工艺参数进行焊接，直至焊接完毕。2试验结果及讨论2．1AZ31B镁合金FSW接头型面分析焊后表面质量良好，如图1所示。外表面型面光滑，接头成细小鱼鳞外观，无明显的缺陷。经过X光无损检测以及相控阵两种方式检测，焊接接头均未发现缺陷。焊后形成的焊接接头组织可划分为4种不同区域，A区为母材区，B区为热影响区（TMAZ），C区为热力影响区（HAZ），D区为焊核区。搅拌头的旋转方向与焊接方向相同的一边称为前进边（AdvancingSide，简称AS），搅拌头旋转方向与焊接方向相反的一边称为返回边（RetreatingSide，简称RS），如图2所示。图1AZ31B镁合金FSW焊缝形貌焊接技术第44卷第2期2015年2月2．2AZ31B镁合金FSW接头力学性能分析2．2．1拉伸和断裂分析图3为6．6mm厚的AZ31B镁合金FSW在不同焊接工艺参数下的抗拉强度和伸长率。从图3中可知，当v＝100mm/min，n＝1000r/min时，接头抗拉强度达到最大值250MPa，为母材抗拉强度的89．3％，其伸长率也达到了最大值，为8．3％。从图3中可知，搅拌针旋转速度为1000r/min的焊缝抗拉强度和伸长率要优于旋转速度为800r/min和400r/min，故针对镁合金AZ31B的搅拌摩擦焊，宜采用较大的旋转速度。250240度/MPa抗拉强230220210旋转速度400r/min旋转速度800r/min200旋转速度1000r/min406080100120140160焊接速度/（mm·min-1）8.58.07.5%（）7.06.5率伸长6.05.5旋转速度400r/min5.0旋转速度800r/min4.5旋转速度1000r/min4.03.5406080100120140160焊接速度/（mm·min-1）图3不同焊接参数下试样的抗拉强度及伸长率从图3中可以得出，搅拌针头在1000r/min旋转速度时，抗拉强度和伸长率随着焊接速度的增加而增加，当增加到一定程度后，随着焊接速度的继续增大接头抗拉强度和延时随之下降。在一定的焊接速度下，旋转速度的变化直接影响着热力影响区的组织形态和其中氧化物、夹杂物含量及分布，从RSAS而影响接头抗拉强度和断裂行为。D区C区B区A区对拉伸试验断裂位置分析发现，接头断裂位置位于前进边热力影响区附近。这是因为通常情况下，对于焊核区的组织来说，接头焊核区的晶粒比图2AZ31B镁合金FSW接头宏观组织WeldingTechnologyVol．44No．2Feb.2015·焊接质量控制与管理·75较细小，在焊接过程中受到搅拌针的强烈搅拌作用，焊接后形成了等轴细密的晶粒，焊接过程中析出的强化相等颗粒在搅拌针的作用下重新被打碎，焊接后均匀地分布在焊接区。大部分试验断裂位置如图4所示。采用旋转速度1000r/min，焊接速度100mm/min，断口呈与受力方向约45°断裂，断口近似脆性断裂，塑性变形很小。ASRSRSAS图4断裂位置在前进边2．2．2硬度分析通过对接头硬度测试分析得出，接头的硬度较母材强度有所降低，见表2。接头与母材相比强度下降是因为接头经历了热循环作用，接头抗拉强度很大程度上与接头微观硬度分布密切相关，而接头硬度又取决于接头焊接工艺参数的选取。因此，测量试样硬度，通过硬度分析得出相应焊接工艺参数的规律。本次试验分别取母材区A，热力影响区（B＋C），焊核区D的硬度测试从表2中可知，当旋转速度为800r/min，焊接速度为100mm/min时，焊核区硬度达到最大值HV81．67，高于母材硬度HV71，这是由于晶粒粗大的母材在搅拌针的搅拌作用下，焊核晶粒得到很大程度地细化和均匀化，显微硬度随晶粒的细化而增加。图5为当搅拌旋转速度为1000r/min时，不同焊接速度下各截面的显微硬度值，图中大致呈现焊核区（－1~1mm处）硬度高于热力影响区（2~4mm处）硬度，且随着焊接速度的增加显微硬度也不断增加，图中热力影响区均值（5mm处）最大的硬度为HV77，高于焊核区和母材，这可能与该区域出现的层状组织、氧化物和夹杂物富集以及搅拌针的搅拌加工硬化相关。表2不同n/v下各影响区显微硬度值显微硬度（HV0．1）试样序号母材/MPa右侧（RS）左侧（AS）n/（r·min-1）v/（mm·min-1）焊核区n/v热力影响区热力影响区（平均值）123平均值123平均值1400508737877767670677570．67240010047169707074．372677370．6734001502．678078797975．6771707371．34800501676777475．6774．6776787777580010087180807979．6781．677782818068001505．337472737370．6770748375．6771000502065686766．677467686867．6781000100107374757473．6772707070．67910001506．677678747677797779778078）76HV/MPa（7472焊接速度为50mm/min硬度焊接速度为100mm/min70焊接速度为150mm/min686664-6-4-20246距焊缝中心/mm图5不同焊接速度下截面显微硬度图6为不同n/v比值下截面显微硬度值比较，在旋转速度为800r/min下，焊接速度为100mm/min，即n/v＝10时焊接接头硬度最大。当n/v＝6．67~20之间时，AZ318B镁合金FSW接头焊核区和热力影响区强度均大于母材硬度；而当n/v＜6．67或者n/v＞20时，焊核区强度大于母材强度，但是热力影响区强度小于母材。76·焊接质量控制与管理·焊接技术第44卷第2期2015年2月8281807978）77HV/MPa73767574（硬度727071696867-6-4-2660246距焊缝中心/mm图6不同n/v比值下截面显微硬度n/v=400/50n/v=400/100n/v=400/150n/v=800/50n/v=800/100n/v=800/150n/v=1000/50n/v=1000/100n/v=1000/150的作用。图7c是热力影响区组织，紧邻焊核区，图中显示的晶粒部分被拉长，同时有部分晶粒较粗大，部分较细小。由于热力影响区的晶粒受焊核区塑性流动和搅拌头转动的双重作用，因此，部分组织发生了较大的变形。而图7d是热影响区组织，紧邻机械热影响区，离焊缝中心较远。可以看出在热影响区初始晶粒的部分晶界消失，晶粒平均尺寸较母材2．3AZ31B镁合金FSW接头微观组织分析图7为n＝1000r/min，v＝100mm/min时镁合金AZ31B搅拌摩擦焊接头分区微观组织示意图。100μm100μm（a）母材（b）焊核区200μm100μm（c）热力影响区（d）热影响区图7AZ31B镁合金FSW接头各区显微组织图7a是母材状态的组织，可以看出母材晶粒大小不均，个别晶粒较粗大，相互之间由较小晶粒填充。图7b是焊核区组织，可以看出焊核区晶粒尺寸远远小于母材，焊核区组织由微细的等轴晶粒组成。这主要因为在搅拌摩擦焊接过程中，焊核区金属不仅受到轴肩的压力和旋转移动摩擦力，还同时受搅拌头的旋转摩擦和剪切力，于是晶粒被拉长，同时在热机械搅拌作用下被打碎。此时材料处于超塑性状态，形成塑性软化层，处于前进边的金属挤入返回侧。随着变形量的增大，原始母材晶粒被拉长，在热和力的共同作用下，破碎的晶粒发生回复和动态再结晶，新的晶核在晶界处生成并逐渐长大。由于镁合金热导率比较大，散热快，晶粒来不急长大回复到原来的组织，最终焊缝形成细小等轴晶