《AZ31镁合金储能焊毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《AZ31镁合金储能焊毕业论文.doc（17页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、AZ31镁合金储能焊研究 翟 超（陕西理工材料科学与工程学院材控084班，陕西 汉中 723003）指导老师：徐 峰摘要: 应用微型储能焊机对AZ31镁合金薄板材进行了快速凝固焊接，观察了接头组织，测试了接头性能，分析了接头组织形成机理以及焊接工艺参数对焊接质量的影响。结果表明：应用储能电容瞬间放电所产生的高能量可以实现AZ31镁合金板材的焊接，获得了对接接头。接头由形状规则的扁球状熔核和熔核与母材接壤的熔合区组成。熔核和半熔化区均形成了均匀细小致密的快速凝固组织。由于在快速凝固焊接过程中熔融态金属发生了相应的液相流动，熔核组织呈现出蜗状流线形貌。熔合区宽度约35m，与熔合区毗邻的母材组织未出
2、现粗化迹象。在焊接能量及焊接时间一定的条件下，电极力和焊接电压对接头力学性能具有显著影响，其中焊接电压的影响要更显著一些。关键词：AZ31，快速凝固焊接，接头组织及性能，储能焊 Mg alloys discharge welding dissimilar alloysZhai Chao（Grade08,Class4,Major control materials，Material Institute，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor: Xu FengAbstract: The small palte o
3、f AZ31 were welded by using a micro CDW machine. The microstructure of welding joint was observed and the mechanical properties of the joint were tested. The microstructure formation mechanism of joint was analyzed, and the influence of welding parameters on join quality was researched. The results
4、indicate that the welding of AZ31 with small plate can be realized by capacitor discharge welding and butting joint was obtained,which compose the shape of the rules of joint melt nuclear and shallow spherical nuclear fusion with respect to the border area. Molten core and half were formed a uniform
5、 melt area with small compact rapid solidification microstructure. Under the electrode pressure and electromagnetic force in progress of rapid solidification welding，the liquid phase flow occurs in undercooled nugget，which is symmetrical about the electrode axis and connection interface and results
6、in the formation of curving streamline. The thickness of semi-meltzone was only 3-5m, and there was no obviouse hange of mierostrueture in heat-affected zone.In the certain welding energy and welding time conditions, welding voltage and electrode pressure have significant influence on joint mechanic
7、al property, which the electric voltage has more significant impact.Key words: AZ31 rapid solidification welding, microstructure and mechanical property of joint , discharge we1 前言11.1 研究背景11.1.1研究目的及意义11.2 研究现状及进展11.2.1 镁合金材料的研究现状11.3镁合金焊接性的分析22 镁合金材料的连接方法22.1 钨极惰性气体保护焊22.2 熔化极惰性气体保护焊22.3 搅拌摩擦焊32.4
8、 惯性摩擦焊32.5 激光焊32.6 电子束焊32.7 电阻点焊42.8储能焊43 实验方法53.1实验材料53.2试验装置53.3 焊接工艺参数的估算63.4实验内容及步骤64 结果及分析64.1 接头的形貌74.2 熔核与母材界面的组织特征84.3接头的剪切强度95 焊接质量的主要影响因素96 焊接过程中的缺陷96.1 焊缝中的气孔96.2 电极粘附106.3 喷溅107 结论11参考文献12致谢131 前言1.1 研究背景镁合金作为工程应用中密度最低的金属结构材料，具有高比强、高比模、电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点，在汽车、机械、电子、化工、交通、航空航天、石油设备、
9、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，满足航空航天、现代汽车工业对减重、节能和环保的要求1-2，被誉为“21世纪绿色工程材料”。目前，镁合金材料的研究已成为世界性热点。我国镁资源储量世界第一，镁资源储量占全球总储量的22.5，是世界上最大的镁生产国和出口国，我国目前共有镁生产企业100余家，其中年生产能力在10000以上的有3家（太原同翔、闻喜银光、稷山华宇），3000以上的有22家，1000-3000的有50余家。目前我国已占全球镁生产能力的3/4，产量的2/3。我国的菱镁矿资源总量31.45亿，符合炼镁要求的一、二级矿占78。同时，储量巨大的白云石矿和青海的盐湖，也含有十分丰富的镁
10、资源。白云石资源已探明储量在40亿，以上，青海盐湖蕴藏有氯化镁32亿、硫酸镁16亿。镁主要分布于白云石矿、盐湖、海水等资源中，在地壳表层储量居第8位，镁的资源十分丰富，由于价格昂贵和技术方面的限制，镁及镁合金只少量应用于航空、航天及军事工业，因而被称为“贵族金属”。2007年中国消费量预计超过25万吨以上，镁将成为铜铝铅锌之后的第五大金属，比2006年的17.5万吨增长42.88%但80%以上作为初级原料低价出口。为了能够使轻质高强镁合金材料更好地服务于社会，应在新形势下正确把握研究方向，提升整体研究水平，促进镁合金研究成果的产业化。1.1.1研究目的及意义镁是地球上储量最丰富的元素之一，据估
11、计全球镁资源可开采的年限可达千年，因此世界各国、尤其是西方发达国家对金属镁材料的开发非常重视，纷纷投入大量人力物力进行相关研究开发。我国镁资源丰富，镁储量占世界第一并且镁合金材料是目前最轻的金属结构材料，具有密度低（约为铝的2/3，钢的1/4）、比强度及比刚度高、阻尼减振性好、电磁屏蔽能力强、成型加工性好及无毒易回收等优点。因此，镁资源利用和镁材料的开发对于我国而言具有更为重要的意义。由于镁合金易氧化、导热快等特性使得其焊接工艺性差，焊接质量难以保证，从而阻碍了镁合金在生产生活中的广泛应用。目前国内外对镁合金焊接技术方面的研究也不多，本课题就是针对当前镁合金的焊接研究现状，提出了利用电容储能焊
12、技术进行AZ31镁合金储能焊研究实验，为镁合金的焊接提供一些技术参考1.2 研究现状及进展1.2.1 镁合金材料的研究现状近年来，随着镁合金在各行各业中应用的迅速增长，镁合金的连接问题引起了科技工作者的极大关注，镁合金及其焊接技术的发展比任何时期都快，从焊接方法、焊接材料到焊接设备等方面都不断有新的突破，为镁合金焊接生产向优质、高效、低成本的方向发展提供了前所未有的良好条件，并大大促进了镁合金的产业化进程。镁合金由于其自身的物理化学特点，导致其焊接有很大困难，满意的焊接质量不易获得。镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹；镁的沸点低，温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的铝合金要高4-5倍，
13、因而焊接时温度一旦过高，镁会气化，产生爆炸形成飞溅；镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，而容易形成夹杂；镁在接近熔化温度时，能与空气中的氮强烈化合生成脆性的镁的氮化物，显著降低接头力学性能；因此，实现镁合金优质焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅等缺陷。但是由于工业的迫切需要，许多科学工作者做出了很大的努力，已经通过多种焊接工艺对镁合金进行了焊接试验，使镁合金的连接经历了从熔焊到固相连接的发展历程，并且已经取得了一定进展，但还存在这一系列问题：钨极氩弧焊（TIG）或熔化极惰性气体保护焊（MIG）是镁合金焊接中常用的方法，但焊后残余应力较高，而且热影响区过宽，焊缝金属经熔化、凝固后
14、冶金组织变化较大，严重影响接头综合性能。电子束焊（EBW）和激光焊（LBW）具有较高的能束密度，焊接时不用开坡口，焊缝深宽比较大，接头质量较高，但也会出现类似于TIG焊或MIG焊的问题，而且LBW焊接头容易形成气孔，EBW焊必须在真空下进行，设备也较昂贵。搅拌摩擦焊的出现为镁合金的焊接提供了合理的解决方案，但搅拌摩擦焊焊接需要相对较大的顶锻压力和向前的驱动力，所以设备一般较复杂和笨重，导致设备成本较高，限制了其在镁合金焊接中的应用。1.3镁合金焊接性的分析近年来，工业发达国家镁合金焊接生产应用取得了明显的进展，在促进产品轻量化、简化产品设计、降低生产成本等方面发挥了重要的作用。由于镁合金密度低
15、，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性强，易氧化，且氧化物的熔点高，使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难。主要问题如下3-4：(1) 粗晶问题：由于热导率大，故焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接，易造成焊缝和近缝区金属过热和晶粒长大,这是焊接镁合金时的显著特点之一。(2) 氧化和蒸发：由于镁的氧化性极强，在焊接过程中易形成氧化膜(MgO)，MgO熔点高(2500)，密度大(3.2g/cm3)，易在焊缝中形成夹杂，降低了焊缝性能。在高温下，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物，使接头性能变坏。镁的沸点不高(1100)，在电弧高温下很容易蒸发。(3) 热应力：镁及镁合金热膨胀系
16、数较大，约为钢的2倍，铝的1.2倍，所以在焊接过程中易引起较大的焊接应力变形和焊接裂纹。(4) 薄件的烧穿与塌陷：因为镁的表面张力比铝小，焊接时很容易产生焊缝金属下塌。在焊接薄件时，由于镁合金的熔点较低，而氧化镁薄膜的熔点很高，两者不易熔合。焊接操作时以观察焊缝的熔化过程，温度升高，熔池的颜色没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。(5) 气孔：与焊接铝合金一样，镁合金焊接时易产生氢气孔。氢在镁中的溶解度随温度的降低而减小，而且镁的密度比铝更小，气体不易逸出，在焊缝凝固过程中会形成气孔。(6) 热裂纹：镁合金易与其它金属形成低熔共晶体，在焊接接头中易形成结晶裂纹。当接头处温度过高时，接头组织中的
17、低熔点化合物在晶界处会熔化出现空穴，或产生晶界氧化等，产生所谓的“过烧”现象。因此，镁合金焊接时不易获得与母材性能匹配的、满意的焊接接头。随着镁合金日益广泛地应用，解决镁合金应用中的焊接问题已非常迫切，为此国内外学者对其进行了大量的研究工作。2 镁合金材料的连接方法近年来，随着镁合金结构件的出现，对于镁合金焊接的研究也越来越多。目前大量的研究集中在怎样改善焊接接头组织结构和提高接头的性能方面。应用的焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、搅拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊 (LBW)、电子束焊(EBW)、电阻点焊(RSW)和储能焊等。2.1 钨极惰
18、性气体保护焊钨极惰性气体保护焊（TIG）是气体保护焊的一种。是目前镁合金最常用的焊接方法5。电极采用难熔金属钨或钨的合金制成的棒状金属体。电弧燃烧过程中，电极不熔化，故易维持恒定的电弧长度,使焊接过程稳定。TIG焊是在惰性气体（Ar、He）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，从而形成冶金结合的一种焊接方法。TIG焊是镁合金焊接最常用的方法，不仅用于镁合金产品的焊接成型，而且广泛应用于镁合金压铸件铸造缺陷的焊补修复。例如：德国大众汽车公司、福特汽车公司等采用TIG焊接方法修复有缺陷的镁合金汽车零部件，并取得了良好的效果。TIG焊镁合金，其接头变形较小且热影响区较窄；接头的
19、力学性能和耐腐蚀性能较高；若采用交流电源，利用其“阴极雾化效应”，有利于进一步改善接头性能。但是TIG焊熔深较浅，主要适用于镁合金薄板焊接。钨极氩弧焊焊接镁合金，接头的变形小且热影响区较窄，接头的力学性能和耐腐蚀性能都较高。由于镁合金的特点，焊接时要使用交流电源，以去除氧化膜，焊接过程中主要存在气孔、夹杂和热裂纹等缺陷，利用活性焊接可以改善钨极氩弧焊接镁合金时存在的熔深浅的缺点。2.2 熔化极惰性气体保护焊熔化极惰性气体保护焊（MIG）是采用连续给送焊丝(金属丝)作为电极，在惰性气体流的保护下，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧熔化母材金属及焊丝的一种焊接方法。MIG焊适用于镁合金中等厚度板材的焊接
20、，其关键技术在于控制熔滴过渡形态。一定直径的焊丝，在不同的焊接电流与送丝速度下存在三种不同的熔滴过渡形式，分别为短路过渡、脉冲过渡和喷射过渡。在短路过渡区与喷射过渡区的区域之间，焊接电流应加脉冲以防止产生不适于镁合金焊接的熔滴过渡。脉冲过渡的线能量要小于喷射过渡，适用于焊接中等厚度的板材；短路过渡适合于焊接薄板；喷射过渡可以用来焊接厚板。选取合适的焊接规范，可以得到表面成形好、力学性能高的接头。镁合金的MIG焊与TIG焊接方法相比，由于采用焊丝作为电极，可以大大提高电流密度，因此焊缝熔深大，填充金属的熔敷速度快，特别适应于中厚板的焊接。其突出优点是，焊接速度快，全自动焊接每分钟可高速焊接1m左
21、右。2.3 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（FSW）是1991年英国焊接研究所(TWI)首先提出的，是一种新型的固相塑性连接技术6。焊接时，高速旋转的搅拌头(由轴肩和搅拌针组成)在轴向压力的作用下与工件紧密接触，通过摩擦产生热量使焊接区的金属发生软化，在搅拌针机械搅拌的作用下金属发生流动，同时搅拌头沿着焊接方向移动，从而实现工件的连接。由于FSW是在固相线温度以下进行的,焊接过程中不发生液固相变，因此不会产生传统焊接技术常见的气孔、缩孔、疏松及成分偏析等凝固缺陷。相对较低的加工温度也使焊接部位的残留应力小，工件变形程度减轻。同时，FSW焊前不需要进行氧化膜处理，焊接过程无飞溅，无烟尘，不需要添加焊丝和保
22、护气，是一种清洁的加工技术。搅拌摩擦焊焊接镁合金时，由于搅拌头的搅拌作用，且焊接时温度较低，一般为0.8Tm(Tm为镁合金的熔点)，超过了镁合金的再结晶温度(一般为0.5Tm0.7Tm)，所以接头处的镁合金经历了动态再结晶，但由于搅拌温度不高，晶粒没有发生再长大，所以焊缝晶粒细小。而且焊接接头不产生与熔化焊和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现象，克服了熔化焊存在的不足，可明显提高镁合金的焊接质量，对镁合金的焊接具有独特的优势。FSW焊接镁合金存在的主要缺点是焊接速度低，工艺较复杂，对工件的形状有一定限制，主要应用于大型镁合金板材的焊接。2.4 惯性摩擦焊惯性摩擦焊(通常称摩擦焊)是利用两个
23、工件相互接触并高速旋转，在接触面上产生大量的摩擦热使其达到锻造温度，然后施加一个轴向顶锻力而完成两工件的固相连接。金属工件表面的氧化膜和油污会在初始的摩擦中得以去除，所以不会影响到接头的质量。摩擦焊接中的产热很少，接头的形成在金属的熔点以下，属于固相连接，因此气孔、裂纹等缺陷不易形成。摩擦焊操作简单，生产效率高，并且可以获得高质量的接头。2.5 激光焊激光焊接主要应用于航空航天等高技术领域镁合金产品的焊接成型。它是利用高能量密度激光束作为热源进行焊接的一种高效精密加工方法。在焊接过程中，激光束照射到金属表面时，材料将瞬时汽化并在束流压力和蒸汽压力的共同作用下形成一个细长的小孔，小孔中的汽化金属
24、被电离并将摄入的能量完全吸收，然后将热量传递给周围材料使之熔化，在小孔附近形成熔池。与其他焊接方法相比，激光焊接具有以下显著优点：功率密度可高达105109W/cm2，具有热输入量少、焊接速度快、焊缝组织细化、接头强度高、深宽比大和热影响区窄等优点，同时激光焊焊接变形小，在同等热输入量下可获得大熔深焊道，易于实现工业自动化。与电弧焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本。在镁合金的激光焊接过程中，母材中预先存在的微小气孔会在焊接过程中聚集和扩展，并最后形成一个大的气孔，特别是焊接压铸镁合金时气孔产生的现象更为严重7。熔合区的气孔随着焊接热输入的增大而增加，可以通过减小激光能量、增大焊接速度
25、或控制熔合区的重熔，以去除熔合区的气泡，减少气孔的产生。常用的激光器有CO2激光器和Nd:YAG激光器。CO2激光器功率较大，适用于厚板工件的焊接。但镁合金表面对CO2激光束的吸收率比较小，在焊接过程中能量损失严重。Nd:YAG激光器的功率比较小，镁合金表面对Nd:YAG激光束的吸收率相对CO2激光束的要高，而且可用光导纤维传导，适应性强，工艺简单。2.6 电子束焊电子束焊接是利用高压电场产生高速电子，经会聚后形成电子流，撞击被焊金属的接缝处，使其动能转化为热能，令金属产生熔化，形成连接接头的一种方法8。电子束流能量密度高，穿透能力强，焊缝熔合区深而窄。焊接过程在真空状态下不受氧气和其它气体的
26、影响。焊接速度可以很高，输入能量比常规焊接方法小，因此热影响区小，接头性能好。电子束精确可调，可以方便地进行扫描、偏转、跟踪等操作，易于实现焊接过程的自动化，并且通过电子束扫描熔池可以消除焊接缺陷，提高焊接接头质量。电子束能量很高，无论是对镁合金薄件还是厚件均可一次焊透。但与传统焊接方法相比，EBW生产成本较高，且存在一定的工艺局限性。电子束焊接镁合金时容易出现起弧、气孔及焊缝下榻等现象。一般来说，能用电弧焊接的镁合金也能用电子束焊接。两种方法都要采用相同的焊前和焊后处理工艺。电子束焊接通常为真空焊接，金属气体的挥发对真空室的污染很大。合金里镁和锌在真空里的蒸气压很高，促进了气孔的产生。此外，
27、镁合金的含锌量大于1%时，很难形成致密的焊缝。研究发现非真空电子束非常适用于镁合金的焊接。高速、高效、可以实现高自动化的非真空电子束焊接为镁合金的更广泛应用提供了新的途径。镁合金焊缝的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入量的减少而增加，所以镁合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比氩弧焊焊缝高出11.5倍。采用电子束焊接镁合金，焊后残余应力小，薄板镁合金焊后几乎没有变形。但电子束焊接镁合金存在一些典型的焊接缺陷，如焊缝成型不良、冷隔等。镁合金电子束焊接时，由于其蒸气压较低，容易产生起弧现象，焊接过程易中断9。另外，镁合金表面的氧化膜(主要成分是MgO)，容易
28、吸收水分，是镁合金焊缝中气孔的主要来源。MgO密度与镁合金基体接近，容易进入焊缝产生夹杂、气孔。镁合金采用TIG焊时，通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下焊接，熔池中的氢能够有一定时间逸出。而电子束焊接镁合金时速度快，热输入量小，氢来不及从熔池中逸出，在焊缝凝固过程中形成气孔。2.7 电阻点焊焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电流通过焊件时产生的电阻热熔化母材金属，冷却后形成焊点，这种电阻焊方法称为点焊10。由于镁合金电阻小、散热系数大，因此点焊镁合金板材或挤压材时需要大电流、短时间的强规范焊接。镁的热膨胀系数很大,在镁合金点焊过程中易出现大变形。镁合金的表面状态对点焊质量的影响
29、很大，因此在点焊前必须对焊件进行清理，去掉其表面的铬化物保护层和镁的氧化物。镁易与电极铜发生反应生成金属间化合物，使得电极与工件发生粘附现象，影响焊点的质量。因此在点焊镁合金的时候要加强电极的冷却，同时需要电极与工件接触面电阻均匀分布，不会因为电流的强烈集束作用而在接触面上产生大量的电阻热,进而有效地改善电极粘附现象。在选择点焊参数时，先大概选择电极压力值，然后再调节焊接电流及通电时间。焊接电流及电极压力过大，会导致焊件变形。焊点凝固后电极压力需保持一定时间，若压力维持时间太短，焊点内容易出现缩孔、热裂纹等缺陷。目前，对镁合金点焊产生的焊接问题（热裂纹、缩孔、喷溅和电极烧损等）的机理认识还不够
30、深入，没有行之有效的解决办法，不能有效控制点焊接头的质量，进而难以实现可靠的连接，因此对镁合金点焊的进一步研究具有重要的理论意义。2.8储能焊电容储能焊（CDW）是美国矿业局为焊接业非平衡态显微组织的焊接而开发的一种快速焊接工艺。硬规范电容储能焊具有瞬间放电和快速连接的特点，熔核冷却速率大，达106 K/s之多，减少了熔池在高温停留的时间，从而可大大降低SiC/Al复合材料之间界面反应的发生，易获得组织细小、致密的连接接头。储能焊熔核在电极压力下凝固，能够在破碎和挤出氧化膜的同时，有效地减小连接区内的孔洞缺陷具有较高的可靠性，焊缝质量好、强度高等特点10实验已经证明了储能焊连接镁合金材料是可行
31、的，镁合金基体材料与焊核金属过渡良好，大部分纤维仍保持原有的形貌特征，随机分布于焊接接头之中，焊接接头质量良好。综上所述，由于镁合金材料特殊的组织结构和性能特点，采用传统的焊接技术很难实现高强度连接，在一定程度上制约了其在工程领域的应用。因此，深入系统的研究镁合金材料储能焊连接特性具有一定的工程应用价值。因此本实验通过采用储能焊的方法来探讨镁合金材料的焊接性，研究内容为：（1）制定实验方案，优化微型储能焊机的焊接参数；（2）对镁合金材料实施储能焊连接，获得质量良好的焊接接头；（3）采用光学显微镜观察接头及基体各区域中的组织形态；（4）分析熔核的形成条件及对镁合金材料连接特性的影响；（5）分析工
32、艺因素如焊接电容、电极力等对接头组织的影响。3 实验方法3.1实验材料实验采用厚度为0.5mm的镁合金材料。 表3.1 AZ31 的主要成分（质量分数 ）7AL Zn Mn Mg 2.53.5 0.71.3 0.2 其余 3.2试验装置采用微型储能点焊实验装置进行连接。装置主要由电路部分和机械部分组成，其电路原理如图3.1(a)示。将城市照明用电通过电源转化成低电压，通过桥式整流电路将交流转化为直流，用直流给电容充电，然后切断充电回路，打开放电回路进行焊接。 图3.1(a)储能焊电路图机械装置如图3.1（b）示，机械装置所用材料硬塑料。将焊件夹持在电极上，通过测力计施加压力，压力的大小看测力计
33、的刻度。它的作用固定焊接材料和工艺参数，保证在稳定条件下焊接。电极材料选择高导电，中等硬度的紫铜。电极头部的形状选择广泛用于焊接铝及铝合金的圆弧面，并用细砂纸打磨光滑。图 3.1（b） 机械装置测力计3.3 焊接工艺参数的估算根据充电电压、总热量和电容三者之间的关系12 C=2W/U2 W=CU2/2取充电电压U为70105V，电容值C为6600F 总能量W为16.1736.38 w。3.4实验内容及步骤（1）根据实验条件研制微型储能点焊机。（2）将实验用镁合金材料线切割加工成厚度为0.5mm的薄片。焊接前用细砂纸去除表面氧化膜，用乙醇擦洗干净。（3）用厚度为0.5mm的试件为试验材料调节实验
34、设备。主要检验电路的连接状况和电极是否对正。根据预实验选择焊接试样的参数，见表3.2，其中横梁对电极的压力约为4.5N。表3.2数据记录试样编号电极压力N电压V电容F123456789101112131415455654456454554707580859095100707580859095100105660066006600660066006600660066006600660066006600660066006600（4）采用自行研制的微型储能点焊机对实验材料进行焊接。焊接时，将材料夹于电极之间，并使电极对正，在施加一定的压力后，充电后焊接，最后记录实验结果及影响因素。（5）制样。按比例将
35、A、B两种胶按1:1混合，并充分搅匀。选择试样侧立镶入磨好的PVC管中，待胶充分凝固后，按照由粗到细的原则在水砂纸上打磨，而后在抛光机上抛光至无痕，用清水冲去脏物，再用无水乙醇清洗杂质，然后烘干。（6）对试样进行腐蚀，腐蚀的目的是为了在光镜和扫描电镜下观察组织形貌。对于镁合金选择的腐蚀液为：1g草酸（化学纯）、1ml乙酸（99%）、1ml硝酸（化学纯）和水混合的溶液，浸蚀时间约为4s。（7）利用光学显微镜观察基体组织、熔核整体形貌。4 结果及分析 图4.1（a）镁合金母材在正确的焊接工艺下, 可以避免电极粘附现象的发生,得到合格焊点, 完整焊点。 图4.1 (a) 完整的焊点图4.1（b）为电
36、压过大时出现的焊穿试样的图片 图4.1（b）电压 105 焊穿4.1 接头的形貌图.4.2（a）、（b）为镁合金试样的显微照片，图4.2（c）、（d）为镁合金储能焊焊接接头的显微照片。由图可见，储能焊接头主要由熔核和热影响区所构成。熔核整体呈扁平的椭圆形。熔合线整体轮廓较为清楚的显现，熔核两边形状不对称，可以推断出电极的工作面不够圆整，或是不对称，也有可能是由于电极工作面的受力不均匀而引起的。 图4.2(a)镁合金母材100x 图4.2 (b) 镁合金母材400x母材熔核区热影响区 图4.2（c） 85V电压 4N电极力 50x 图4.2 (d) 85V电压 4N电极力100x 图4.2（e）
37、为熔核的显微照片，在图中可以清楚的看出熔核的形貌，两片母材已经完全焊合，镁合金经过顶压和电极的放电，其尺寸变得细小，镁合金储能焊熔核组织形态是不均匀的，焊接热输入对其有一定的影响，图4.2(e) 85V电压 4N电极力400x4.2 熔核与母材界面的组织特征如图4.3所示为腐蚀后焊点的显微组织，可以看到熔合区的组织过度良好。图（a）、（b）自左向右依次为熔核、热影响区和母材，。当焊接热输入较大（较大的焊接电流、较长的焊接时间或较低的电极压力）时，熔核边缘的晶体以胞状晶的形式联生生长，然后依次发展成胞状树枝晶、等轴树枝晶。可以发现母材、熔合区和焊缝的尺寸逐渐变小，主要是因为在焊接过程中由于电极力
38、和高温的作用，焊点中的晶粒熔化后固溶在基体中后晶界增多，由于冷却速度过快晶粒来不及长大，从而形成许多细小的晶粒，即形核率增大，致使熔合区的各种力学性能比热影响区的好。 图 4.3 (a) 90V电压 4N电极力400x 图 4.3(b) 100V电压 4N电极力400x4.3接头的剪切强度焊接电极力和焊接电压的工艺参数直接影响接头的剪切强度。焊接电压直接决定焊接能力的大小。焊接能量过小被焊材料不能被加热到热塑性状态; 而焊接能量过大很容易产生飞溅和击穿，都很难得到高力学性能的接头。图4.3为接头强度随电压变化图。从图中可看出，当焊接电极力不变时，接头强度随焊接电压的增大而增大，当焊接电压为85
39、V时，接头剪切强度达到最大值54.39MPa，随着电压进一步增大，熔核极易产生飞溅，导致剪切强度下降。 图 4.4 电极力F=4N 5 焊接质量的主要影响因素（1）电压 电压在焊接过程中的作用主要是为焊接提供能量，它的大小将直接决定接头的焊接质量。电压偏大将会导致母材熔化过度而穿透；电压偏小会使母材因能量太小而熔化不足，导致接头质量较差，甚至无法实现连接。（2）电极力 因为采用点焊，所以电极力的选择就显得尤为重要。电极力太大时因电极与母材无法产生电弧，从而导致焊接失败；当电极力较小时就会因为电极与母材接触不够紧密而产生较强的电弧，从而烧损母材，同时，由于电极力太小而无法将熔核区内的气孔、氧化物
40、杂质等挤出，使得焊接质量严重下降11。（3）电极的状态 电极的状态对熔核的影响很大。电极不平行时易引起熔核变形，熔化母材过多。电极表面不平时容易引起飞溅、烧穿电极和粘结电极。电极形状对电流密度分布有很大的影响，直接影响熔核的形成。（4）材料的形状位置 材料形状尺寸应大致一样，且将材料的四角微微向上弯曲，避免尖端放电现象。如果进行三层材料焊接时，最好将中间的材料与两边的材料方向垂直。6 焊接过程中的缺陷6.1 焊缝中的气孔图6.1所示黑色物，可能是形成的气孔。有研究表明：如果焊接材料在焊前没有进行表面处理，接头就会出现大量的气孔和杂质。主要原因有三个：一是因为在实验过程中处理材料时，有残留的水分
41、；二是母材中含有的气孔；三是缩孔和缩松。气孔图 6.1 90V电压 5N电极力100x在点焊镁合金过程中金属在熔化过程中体积膨胀很大，会对电极产生较大的作用力，在快速冷却过程中镁合金会形成较大的体积收缩，而且熔核始终在塑性环的保护下，在熔核凝固后期容易造成凝固区有效的锻压力不足，这样就在焊点熔核内部产生缩松、缩孔。缩孔则呈现为一较大的空洞。同时由于镁合金焊接中极易产生喷溅，熔核内部金属的流失也会导致缩孔、缩松的形成。缩孔虽然减少了点焊或缝焊中结合面上的承载面积，但是对接头的静载强度影响不大。但缩孔经常会成为裂纹源，导致裂纹的产生，会对接头的强度产生大的影响。在焊接前加强电极和工件的表面清理，避
42、免喷溅的产生，在焊接过程中加大电极力，会在一定程度上减小缩孔、缩松的产生。因此在本实验中出现的气孔就极有可能是氢气孔。可能是电极力不够，造成母材中间形成的塑性环强度不够致使不能挤出空隙中的空气所致。也可能是材料表面的氧化膜没有清除干净，带入了一定的水份。经过高温放电和快速冷却产生了氢气所致。所以在对镁合金材料进行焊接时应尽量除去表面的氧化膜和油污，防止气孔的产生。再一方面就是适当的增加电极力。 6.2 电极粘附M g的电阻率小, 热导率大, 点焊时要求采用大电流, 短时间的焊接工艺, 由于热导率大, 焊件与电极接触面温度升高很快, 电极表面极易过热, 电极在长期高温状态下工作容易发生变形, 同
43、时Cu与Mg之间存在着强烈的合金化倾向。所以在点焊镁合金的时候, 铜电极的烧损特别严重, 往往在焊第一个焊点时就会发生电极与工件的粘连。 6.3 喷溅由于镁合金的导热性和导电性极强, 在点焊镁合金时需要的电流强度大, 在通电时间内, 加热速度极快, 因而焊点温度上升过快。早期喷溅发生于熔化焊核出现之前, 而且往往由于试件与试件触点上金属的过热造成点焊接头的外部喷溅。图6.2 7 结论（1） 应用储能焊能够实现镁合金的焊接，形成良好的焊接接头。焊接接头由熔核、熔合区及焊接热影响区组成；（2） 在镁合金点焊过程中，由于镁合金物理和力学性能的特点，容易出现裂纹、气孔和缩孔等焊接问题；（3） 电极力、
44、电容和电压为影响焊接质量的主要因素。推荐工艺参数为：F=46N，C=6600F，U=70100V。 参考文献1中国机械工程学会焊接学会与电阻焊专业委员会编著. 电阻焊理论与实践M. 机械工业出版社, 1999:2-16.2 褚东宁.东风公司商用车轻量化材料的应用J.汽车工艺与材料, 2007, 7:1-3.3 冯吉才, 王亚荣, 张忠典. 镁合金焊接技术的研究现状及应用J. 中国有色金属学, 2005, 15 (2): 165-178.4 张津, 章宗和. 镁合金及应用M. 北京: 化学工业出版社, 2004.5王雅生,蔡洪能, 薛小怀等. 异种金属电容储能冲击焊接规范参数优化及接头连接机理分
45、析J.焊接, 2000,3吴云兴. 挖掘电容储能焊的潜力J. 铁道机车车辆工人, 1995, 3:25-277王亚荣.镁合金电阻点焊接头中的缺陷J.焊接学报.2006(7):9-12 8 周广德. 电子束焊接技术的特点与应用J. 电工电能新技术, 1994, 4:25-30.9 李志远, 钱乙余, 张九海. 先进连接方法M. 北京: 机械工业出版社,2000.10 朱正行, 严向明, 王敏. 电阻焊技术M. 北京: 机械工业出版社, 2000, 6.11 Huaping xiong,Chuangeng Wan,Zhenfeng Zhon.Joining of Si3N4 to Si3N4 using rapidly-solidified CuNiTiB brazing filler foilsM.Journal of Materials Processing Technology,1998.12刘明宇电容储能焊参数优化设计J. 重庆大学学报, 1997, 20 (3):26-31.致谢毕业论文代表着大学的终结，完成它既有一种收获感，又有一种失落感，可无论如何它代表着我四年的努力，
