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1、 镁合金搅拌摩擦焊缝组织与性能研究摘要：通过对镁合金以及其焊接方法的研究，综述了镁合金的性能、成分、运用和特点，以及镁合金的焊接性能。介绍了搅拌摩擦焊，对比了镁合金的搅拌摩擦焊和镁合金的其他焊接方法，说明搅拌摩擦焊的优缺点。分析了镁合金焊接特点、影响焊接性能的主要因素、优缺点，通过金相观察、电镜扫描和一些硬度试验等分析了这几组试样的组成成分，以及对比各组式样焊缝的好坏，总结出焊缝成型好坏的原因，并分析影响镁合金搅拌摩擦焊焊接性能的参数，总结了镁合金搅拌摩擦焊的质量、技术特点和研究方法以及展望未来的发展情况。关键词：镁合金；搅拌摩擦焊；微观组织毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Frict
2、ion Stir Welding Seam Magnesium Microstructure And Properties Research Abstract:Through its welding method of magnesium alloy and the research , For magnesium alloys are reviewed in this performance, composition, use and characteristics, and magnesium alloy welding performance . Friction stir weldin
3、g is introduced , Contrast the friction stir welding of magnesium alloys and other welding methods of magnesium alloys , Explain the advantages and disadvantages of the friction stir welding . Analysis the magnesium alloy welding characteristics, the main factors affect welding performance, advantag
4、es and disadvantages . Through the metallographic observation, observed by scanning electron microscope (SEM) and some hardness testing analyzes the sets of sample components . And contrast the stand or fall of each style weld . Summarizes the weld moulding stand or fall reasons . And analysis the I
5、nfluence of friction stir welding properties magnesium alloy of parameters . Summarizes the quality of friction stir welding of magnesium alloy , technical characteristics , research methods and looking to the future development situation .Keywords: Magnesium alloys ; Friction stir welding; Microstr
6、ucture 目 录前 言1第一章 绪论21.1 镁及其合金21.1.1镁21.1.2镁合金21.1.3 镁合金的应用31.2 镁合金焊接的现状61.2.1钨极氩弧焊焊接镁合金61.2.2熔化极气体保护焊焊接镁合金71.2.3搅拌摩擦焊焊接镁合金81.3本课题的意义与主要内容141.3.1本课题的意义141.3.2本课题的主要内容及技术路线15第二章 试验材料及试验方法162.1试验所用设备162.2试验所用材料以及规格172.3焊前准备及焊接参数182.4试验方法182.4.1金相试验182.4.2电镜扫描试验202.4.3显微硬度实验20第三章 搅拌摩擦焊焊接镁合金接头的微观组织分析223
7、.1金相试验分析223.1.1搅拌摩擦焊焊缝表面形态223.1.2搅拌摩擦焊接头金相组织233.2电镜扫描实验分析283.2.1 对实验参数为400r/min 100mm/min 的试样进行扫描电镜实验283.2.2 对实验参数为 400r/min 120mm/min 的试样进行扫描电镜实验303.2.3 对实验参数为400r/min 80mm/min 的试样进行扫描电镜实验313.3显微硬度实验32第四章搅拌摩擦焊接头缺陷分析34第五章 结论35参考文献36致 谢38前 言镁是所有结构用金属及合金材料中密度最低的, 与其他金属结构材料相比, 镁及镁合金具有比强度、比刚度高, 阻尼减震性能优良
8、, 抗电磁干扰能力强, 易于切削加工和铸造, 价格低廉, 可以回收再利用等一系列优点, 在汽车、电子、电器、交通、航空和国防军事工业领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景, 是继钢铁和铝合金之后的第三类结构金属材料, 被称之为“21世纪的绿色工程材料”1。我国镁资源约占全球总量的70%，原镁产量居世界首位2。镁合金应用与开发，被列为国家计委和科技部联合下发的“十五”国家科技发展规划中材料领域的重点任务，焊接是形成结构件的重要连接方法之一，镁合金作为一种新型高性能结构材料，实际应用中必然会采用焊接结构。然而，镁合金的焊接生产还不成熟, 这是因为镁合金熔点低, 热导率和线膨系数大,焊接过程中会出现
9、裂纹、气孔、塌陷、烧穿以及焊后变形大等缺陷, 使得采用传统的熔焊方法难以获得理想的焊缝, 这在一定程度上限制了镁合金的应用。熔焊温度高，容易导致大的焊接变形和残余应力。抑制镁合金焊接过程中热影响区晶粒长大、降低镁合金焊接时接头中的热应力及热裂纹倾向、减少镁合金焊接时的氧化与蒸发是当前的重要问题。搅拌摩擦焊接具有诸如焊接温度低，焊后应力和变形小，无裂纹、气孔、夹渣等熔焊常见焊接缺陷，使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊接技术得以实现连接，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”，而受到广泛的重视3。搅拌摩擦焊接过程不需要填充材料和保护气体，能耗低，无污染，是一种理想的绿色连
10、接技术。搅拌摩擦焊接技术一出现，就受到航空界的青睐，瑞典ESAB公司按许可证制造了专用搅拌摩擦焊接设备。波音公司己将搅拌摩擦焊接技术应用于Delta运载火箭推进剂贮箱的制造4-6。国内由于搅拌摩擦焊接的研究尚处于起始探索阶段，因而尽快摸清搅拌摩擦焊接机理，对新工业的推广应用具有重要的理论意义。采用搅拌摩擦焊接镁合金，不但能解决镁合金的焊接性问题，扩充搅拌摩擦焊接工艺对被焊材料的适应性，而且通过镁合金的搅拌摩擦焊接，加快对过程机理的认识，促进镁合金和搅拌摩擦焊接的工业应用，使镁合金的连接符合绿色制造的概念。第一章 绪论1.1 镁及其合金进人21世纪，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题。随着
11、金属材料消耗量的急剧上升和科学技术的飞速发展、大规模生产工艺的出现和广泛使用，使地球表壳的资源日趋贫化。新型轻型合金材料的研发日益受到各国的高度重视，镁及其合金凭借其优良的性能受到了国内外专家的关注7。 1.1.1镁 镁是常用金属中最轻的一种，是地壳中最丰富的元素之一。（见图1-1、图1-2）约占地壳组成的2.5%，主要以白云石(碳酸钙镁)和菱镁矿存在;另外，在盐湖及海水中的含量更是取之不尽。镁的熔点为650 ，与铝相近;镁的化学性能活泼，在空气中易自燃;镁为密排六方结构，滑移系少，有脆化倾向，用作结构材料必须合金化。 图1-1 镁粒 图1-2 镁锭1.1.2镁合金镁合金比强度、比刚度高，消振
12、性好，具有优良的切削加工性能和抛光性能（见图1-3、1-4），由于镁合金的特殊性质及其应用优势，越来越多国家的政府、企业和研究机构对镁合金及其成形技术高度重视，并且投人了大量人力、财力进行开发研究，取得了显著的效果。与其它合金相比，镁及其合金有很多突出的工艺及性能特点，使其可广泛应用于汽车、通信、电子、电器、航空、航天、国防及军事装备、交通、冶金、化学、化工等行业。图1-3镁合金挤压的型材与管材 图1- 4镁合金轧制的AZ31薄片1、镁合金的特点及其焊接性:由于镁合金具有密度和熔点低, 热导率、电导率及热膨胀系数大, 化学活性强, 易氧化且氧化物的熔点高等特点, 使镁合金的焊接具有以下特点8：
13、(1) 镁合金的沸点低( 1100 ) , 在熔焊高温条件下, 容易产生蒸发, 产生爆炸形成飞溅；(2) 镁合金熔点低, 热导率高, 焊接时应采用大功率的焊接热源, 因而焊缝及近缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象, 影响接头性能；(3) 镁的化学性质活泼, 易与空气中的氧、氮反应生成MgO、Mg3N2 , 易在焊缝中形成细小片状固态夹渣, 不仅严重阻碍焊缝成形, 也使接头的力学性能显著下降, 因此焊接时需用惰性气体或焊剂保护；(4) 镁合金的线膨胀系数较大, 在焊接过程中易于变形, 产生较大的热应力, 易于产生热裂纹；(5) 在焊接加热条件下, 高温中能大量地溶解氢, 随温度下降, 其溶
14、解度急剧减少, 析出大量氢气容易形成气孔；(6) 在焊接薄件时, 由于镁合金熔点较低,而氧化镁的熔点很高, 两者不易熔合, 焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高, 熔池的颜色也没有显著变化, 极易产生烧穿和塌陷现象。1.1.3 镁合金的应用1、镁合金在车辆工业上的应用为减轻汽车重量以降低油耗，以及“环保型汽车”对材料可回收性的要求，镁合金在汽车工业中的应用日益广泛9。镁合金用作汽车零部件（见图1-5）与其它金属部件相比通常具有如下优点:(1)提高燃油经济性能综合标准，降低废气排放和燃油成本，据测算，汽车所用燃料的60%消耗于汽车自重，汽车每减重10%，消耗将减少8%到10%;(2)质量减
15、轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，同时还可改善刹车和加速性能;(3)可以极大改善车辆的噪声、振动现象。目前汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。在未来的7-8年中，欧洲汽车用镁将占镁总消耗量的14%，预计今后鼗以15%的速度递增，2005年将达到20万吨。我国汽车厂使用镁合金件还刚刚开始，目前一汽、东风和上海大众等厂家已在使用，上海桑塔纳轿车的变速箱壳体、壳盖和离合器外壳等使用镁合金量比较高。安装安全气囊的汽车都在开始改用镁合金的方向盘，这既可减速重，又可降低震动，在发生意外撞击时，镁合金能吸收更多的能量，有利保证驾驶员的安全。图1-5 镁合金用作汽车零部件2、镁
16、合金在自行车上的应用利用镁合金的重量轻、比强度高和耐冲击的优点。镁合金己经开始在电动车上得到应用（见图1-6）。使得电动车更轻便、更快速、更舒适，并具有优良的避震性能。用镁合金制造的电动车车架重量仅22kg。图1-6 镁合金电动车3、镁合金在航天航空上的应用（如图1-7）航空材料减重带来的经济效益和性能改善十分显著，商用飞机与汽车减重相同质量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍，更重要的是其机动性能改善可以极大提高战斗力和生存能力。正因如此，航空工业采用各种措施增加镁合金的用量，而且在相应的零部件开发上得以应用，如航空发动机零件、油箱隔板、飞
17、机长析、翼肋、飞机舱体隔框、战斗机座舱舱架、直升机发动机后减速机匣、涡轮喷气发动机的前支撑壳体等各类承力构件、各种附件。 图1-7 采用FSW制造的火箭燃料贮箱4、镁合金在武器上的应用镁合金最早应用于军事工业领域是在1916年，被用于制造7 mm炮弹引线。我军产的A导弹约在1980年开始研制，到二十世纪末装备部队，可谓二十年磨一剑，是我军研制的第一款攻击高空敌机/弹道导弹双重用途先进防空导弹系统。由于体型惊人，弹重约吨，使其战略战术机动性受到很大影响：最高速度仅4.2马赫，最大射程200公里，射高0.5至30公里。其最高速度远低于先进国家的第三代防空导弹；最大飞行时间超过两分钟，综合性能和系统
18、整合能力与欧美和俄式先进防空导弹系统相比差距明显。A经过一系列改进后定型为红旗9B，弹体采用了高强度的镁合金，由此把弹体总重降到了1200公斤，体积也大为缩小，最高速度提升到6马赫。因此飞行到200公里的最大射程也就100秒。可拦截飞行速度更快、距离更远的弹道导弹、巡航导弹和隐形飞机，一跃成为世界先进的双重用途先进防空导弹系统，成为独立于美、俄、欧系防空导弹家族的另一极。1.2 镁合金焊接的现状1.2.1钨极氩弧焊焊接镁合金钨极氩弧焊(TIG)是目前广泛采用的焊接方法10，钨极氩弧焊在惰性气体充分保护下施焊，能获得较高质量的焊接接头，焊缝表面美观。采用脉冲TIG焊接4mm厚AZ31镁合金，焊接
19、过程不添加焊丝。脉冲频率为20Hz时，焊缝中晶粒较细，显微硬度与母材相差不大，接头强度和延伸率较高，但仍低于母材，断裂位置在焊缝中心。疲劳极限为母材的92%。一般来说，焊接电流对接头的力学性能有很大影响。镁合金的焊接电流越大，所需的焊接速度也越大，焊后接头的力学性能越好。但是如果电流过大，接头的力学性能反而降低。焊接时应将电流控制在合适的范围内。所得接头热影响区晶粒粗大，硬度有所下降，而焊缝硬度与母材相当，接头强度和延伸率都低于母材。断裂主要发生在热影响区，表明热影响区的粗大晶粒导致了镁合金焊接接头的断裂11。采用交流TIG 方法焊接AZ31镁合金薄板后, 主要存在波浪变形、焊后错边、焊瘤、表
20、面“麻点”现象和弧坑裂纹等缺陷。通过调整焊接顺序, 采用大电流、快速焊和刚性固定等措施, 可以获得较好的焊接接头, 接头强度可以达到母材的80% 以上8。AZ31镁合金材料在TIG焊情况下，具有较大的焊接热裂纹倾向。热裂纹均在焊缝金属中产生，主裂纹为沿晶扩展方式，分叉裂纹为沿晶与穿晶扩展方式共存。镁合金不存在延迟裂纹倾向12。当热输入较大时，熔池液态金属的高温停留时间过长，冷却速度慢，焊接接头的过热问题较为严重， 从而造成焊缝金属的组织晶粒长大，热影响区的宽度明显变大。焊缝区的细小晶粒，对接头质量的改善较为有利，而热影响区的粗大晶粒，必然对接头的性能产生不利的影响，是接头断裂的危险区。因此，采
21、用高速焊接，在保证焊透的情况下，尽量选择小的焊接热输入，是改善镁合金接头质量、抑制热影响区劣化作用的关键。镁合金焊接过程中， 焊缝区晶粒明显细小，由细小的等轴晶组成；热影响区的晶粒明显粗大, 是典型的过热组织，是接头断裂的危险区13。1.2.2熔化极气体保护焊焊接镁合金熔化极气体保护焊(MIG)焊接镁合金时,气孔是主要的焊接缺陷之一。焊接镁合金时焊缝中的气孔为氢气孔。焊接时氢的来源主要有两方面；一是电弧气氛中的氢,在焊接高温下,焊接材料或坡口表面吸附的水分,以及潮湿空气中的水分都会侵入电弧空间,并分解为原子氢而溶入液态铝中,成为焊缝中形成气孔的主要原因；二是焊丝表面氧化膜中的水分, 镁合金的氧
22、化膜中因含有致密性比较低的MgO ,吸水性较大,焊丝的氧化膜所吸附的水分全部进入熔池中,气孔对焊丝表面的氧化膜更敏感。Al-Mg合金MIG焊焊接时,由于焊丝氧化膜的影响更为主要,靠减少熔池存在时间来降低氢的溶入,难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向溶池侵入,因此一般希望增大溶池存在时间以利于气泡逸出,增大电流和降低焊接速度或增加线能量有利于减少气孔。另外,采用脉冲电源可以减少气孔的产生。在横焊或仰焊情况下,因不利气体排除,产生气孔的倾向要大于平焊和立向上焊。铝镁合金为典型的共晶型合金,合金成分变化会改变共晶的数量,合金热裂纹倾向也随之变化。Al-Mg合金裂纹倾向与含Mg 量的关系如图1-8所
23、示。由图1-8可以看出,当含Mg量较少时,易熔共晶不足以形成连续的液态空间,裂纹倾向较小;当含Mg 量较多时,大量共晶又能起到“愈合”作用,裂纹倾向也较小,只有在含Mg含量在2 %左右时,裂纹倾向最大。图1-8 Al-Mg合金裂纹倾向与含Mg量的关系从热裂纹的成因可以看出,增加焊丝中的含Mg 量对裂纹能起到“愈合”作用。MIG焊焊接Al-Mg 合金时选用的焊丝含Mg 量一般要超过3.5 %5 %。MIG焊时由于热量比较集中,加热、冷却速度快,裂纹敏感性大的成分将向更低的方向移动。同时还可以防止形成粗大的柱状晶,使晶粒细化,裂纹倾向随之减小。但是如果焊接电流与焊接速度太大,也会增加裂纹倾向。焊接
24、电流太大,不仅会使熔池过热,而且会增加熔合比,使母材成分过多的进入焊缝,增加裂纹倾向;焊接速度加快,会提高焊缝在脆性温度区间内的应变率,同样增加裂纹倾向。因此,焊接裂纹倾向较大的铝镁合金时,不宜采取过大的电流和焊接速度。铝镁合金进行MIG焊接时产生气孔的倾向大, 必需严格进行焊前清理,控制母材清洁度。处理好起弧、收弧, 避免焊接裂纹、气孔、未焊透等缺陷。保持焊接工艺参数的稳定性。最好采用自动焊的方式, 降低焊接质量对焊工技能的依赖14。1.2.3搅拌摩擦焊焊接镁合金搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是英国焊接研究所（The Welding Institute，TW
25、I）发明的一种新型固相连接技术15。如图1-9图1-9 搅拌摩擦焊的技术原理自1991 年问世以来，搅拌摩擦焊技术迅速在飞机、船舶、汽车等交通工具制造领域实现了工业化应用，主要用于变形铝合金材料的连接。镁合金是最轻的金属结构材料，具有比强度高、铸造和切削加工性能优良、易于回收再利用等优点，在交通工具制造领域有很大的应用潜力。随着世界各国对汽车排放的要求越来越高，实现汽车轻量化以提高燃油效率，降低污染水平是汽车制造业发展的必然趋势。因此，镁合金在汽车制造业尤其具有吸引力。一、搅拌摩擦焊的特点1、搅拌摩擦焊技术的优点16-17搅拌摩擦焊接时，高速旋转的摩擦头（由轴肩和搅拌针组成）在轴向压力的作用下
26、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。与传统的熔焊和钎焊相比，搅拌摩擦焊的加工温度低，不发生金属熔化，是一种固态连接技术。搅拌摩擦焊具有以下技术优点：1）、焊接接头质量高，不易产生缺陷。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相连接，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生裂纹、气孔等缺陷。2）、不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等。3）、便于机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。4）、焊接成本较低，不用填充材料
27、，也不用保护气体。厚焊接件边缘不用加工坡口。焊接铝材工件不用去除氧化膜，只需去除油污即可。对接时允许留一定间隙，不苛求装配精度。5）、焊件有刚性固定，且固相焊接时加热温度较低，故焊件不易变形。这点对较薄铝合金结构的焊接极为有利，这是熔焊方法难以做到的。6）、安全、无污染、无熔化、无飞溅、无烟尘、无辐射、无噪声、没有严重的电磁干扰及有害物质的产生，是一种环保型连接方法。2、搅拌摩擦焊接技术的缺点1）、不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。2）、如不采用专门的搅拌头，焊接结束后搅拌头退出时在焊缝末端会产生凹坑，需要用其他焊接方法补焊。3）、目前焊接速度不高。4）、焊缝背面需要有垫板，在封闭
28、结构中垫板的取出比较困难。二、搅拌摩擦焊的现状及发展从材料角度看，TWI最初研究了搅拌摩擦焊在铝合金中的应用18-19。搅拌摩擦焊已成功焊接T2000系列(Al-Cu),5000系列(AI-Mg), 6000系列(Al-Mg-Si), 7000系列(AI-Zn), 8000系列(Al-Li)等铝合金。TWI在1997年完成了使铝合金的搅拌摩擦焊进入工业应用阶段的初步研究工作。英国剑桥焊接研究所，还研究了搅拌摩擦焊在钛合金中的应用。TWI对Ti-6Al-4V等的研究结果表明，采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金可以得到高质量的钛合金焊缝，且焊接速度快、成本低、效益好、操作简单。TWI也对搅拌摩擦焊在锌材
29、料中的应用进行了研究。研究结果表明，搅拌摩擦焊能够用于焊接比较薄的锌板(一种被认为难以进行熔化焊的材料)，焊接0.8mm厚的锌板的速度超过1.8m/min。TWI还于1998年11月开始研究搅拌摩擦焊,在厚达lOmm以上的钢及不锈钢中的应用。低碳钢搅拌摩擦焊的研究结果表明，对于黑色金属也是能够采用搅拌摩擦焊的。TWI采用搅拌摩擦焊已经成功地焊接了25mm厚的碳钢板以及lm长、12mm厚的含铬12%的低碳钢的双边对接焊缝，获得了满意的综合力学性能。用搅拌摩擦焊焊接比较薄的钢板时不需要用焊接材料，不需要进行板材边缘预整加工，这对工业化生产时降低成本和提高生产效率具有重大意义。国内北京航空工艺研究所
30、于1998年开始进行搅拌摩擦焊的探索性研究。南昌航空工业学院己用现有设备焊接了铝合金对接接头、丁字接头，取得了较好效果。最近两年，六二五所也己从工艺及设备方面进行研究。此外，随着搅拌摩擦焊应用的日益广泛，曲面零件的搅拌摩擦焊也是重要的研究课题之一。搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。目前，用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果，现在英、美等国正进行锌、铜、钦、低碳钢、复合材料等的搅拌摩擦焊接。EWI(美国爱迪生焊接学会)甚至指出搅拌摩擦焊有希望焊接镍合金。为了充分发挥搅拌摩擦焊的优点，提高焊接速度，提高焊接质量，有必要
31、进行高速搅拌摩擦焊的研究三、搅拌摩擦焊焊接参数对接头成形的影响 搅拌摩擦焊参数主要包括：焊接速度、旋转速度、搅拌头倾角、轴肩压力20。（一） 焊接速度图1-10 焊接速度对搅拌摩擦焊镁合金接头强度的影响由图1-10可见，接头强度随着焊接速度的提高并非单调变化，而是存在峰值。当焊接速度小于160mm/min时,接头强度随着焊接速度的提高而增大，等于160mm/min时达到381MPa的最大值。从焊接热输入可知，当旋转速度为定值，焊接速度较底时，搅拌头与焊件界面的整体摩擦热输入较高。如果焊接速度过高，使塑性软化材料，填充搅拌针行走所形成的空腔的能力变弱，软化材料填充空腔的能力不足，焊缝内易形成一条
32、狭长且平行于焊接方向的疏松的缺陷，严重时焊缝表面形成一条狭长且平行于焊接方向的隧道沟，导致接头强度大幅度降低。焊接速度等于120mm/min时，焊核区与热机械影响区界面形成较大的空洞缺陷，接头强度仅为336MPa.(二)旋转头转速 图1-11 旋转速度对搅拌摩擦焊接镁合金接头强度的影响保持焊接速度一定，改变搅拌头旋转速度进行试验，结果表明旋转速度较底时，不能形成良好的焊缝，搅拌头的后边有一条焊沟槽。随着旋转速度的增加，沟槽的宽度减小，当旋转速度提高到一定数值时，焊缝外观良好，内部的孔洞也减小，旋转速度提高到一定数值时，焊缝外观良好，内部的孔洞逐渐消失。在合适的旋转速度下焊接接头才能获得最佳强度
33、。搅拌头旋转速度是通过改变焊接热输入和软化材料流动来影响接头微观结构，进而影响接头的强度。当焊接速度为定值、旋转速度较底，焊接热输入较底，搅拌头前方不能形成足够的软化材料填充搅拌头后方的空腔，焊缝内易形成孔洞缺陷，从而弱化接头的强度，转速提高，焊接峰值温度增加，因而在一定范围内提高旋转速度，热输入增加，有利于提高软化材料填充空腔的能力，避免接头内缺陷的形成，接头内无缺陷。（三）搅拌头倾角211.搅拌头及发展现状搅拌头是搅拌摩擦焊的核心，设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入，还影响焊接过程中搅拌
34、头附近塑性软化材料的流动形式。轴肩的作用一是：防止塑性软化材料溢出，二是：提供焊接热源。高速旋转的轴肩和工件表面之间的相互摩擦能够产生大量热，当焊接薄板时，这是主要的产热方式，对于厚板搅拌摩擦焊，轴肩与工件之间的摩擦不能提供足够的热量，此时更多的热量由高速旋转的搅拌针和工件之间相互摩擦产生。除了提供焊接热量外，搅拌针可以保证焊缝区的材料在焊接过程中得到充分搅拌，还可以控制搅拌针周围塑性材料的流动方向。人们已研制出各种形式的搅拌针，以适应各种状态，主要有以下几种：1）、柱形光头搅拌针 在搅拌摩擦焊工艺应用的初期，柱形光头搅拌针应用较为广泛，但在焊接过程中，搅拌针周围的软化材料受到指向焊缝根部的力
35、较弱，软化材料的流动性差，导致焊后接头性能较差，而且搅拌针容易断裂。2)、锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针在保证搅拌针的性能不受影响的前提下，应使搅拌针顶端直径尽量小，这样可以使平截头体形式的搅拌针比圆柱形搅拌针更容易穿越塑化的材料。因此锥形螺纹搅拌针(Whorl)（如图1-12）和三槽锥形螺纹搅拌针(Mx-Triflute)（如图1-13）都被设计成平。 图1-12 锥形螺纹搅拌针 图1-13 三槽锥形螺纹搅拌针其中Whorl形式的搅拌针可以减少60%的转移体积，Mx-Triflute形式的搅拌针可以减少70%的转移体积。减少搅拌针体积和改变其设计形式都可以显著改善焊缝的机械性能。Whor
36、l形式的搅拌针上面有螺脊，螺脊之间的间隔大于螺脊本身的宽度，可以保证塑化材料有较好的流动性。若在螺脊上加上凹槽，则可以进一步提高塑化材料的流动性。当焊接不同的材料时，螺脊的倾角是不同的，通过改变倾角可以控制材料向下运动的幅度。Mx-Triflute形式的搅拌针锥面上开有三个螺旋形的槽，也是为了减小搅拌针的体积，增加塑化材料的流动性，同时可以搅碎附着于焊件表面的氧化物22-23。 搅拌摩擦焊接时，一般都使搅拌头向后倾斜，以此对焊缝施加压力。所谓搅拌头倾角是指搅拌头与焊接工件法线的夹角，它表示向后倾斜的程度，对于镁合金在n=800r/min,v=160mm/min的条件下，搅拌头倾角对焊接力学性能
37、的影响如图1-14。仰角=1时。接头抗拉强度为293.3Mpa；当12时，接头强度随仰角增大而迅速上升；当25时，接头强度随着仰角增大而呈缓慢上升趋势，并于=5达到411Mpa最大值；当5时，接头强度随着仰角增大而降低。抗拉强度/MPa280300320340360380400420123455.5搅拌头倾角(度)图1-14 搅拌头倾角对搅拌摩擦焊接镁合金接头强度的影响 倾角主要是通过改变接头致密性、软化材料填充能力、热循环和残余应力来影响接头的性能。如果倾角较底，由于轴肩压力不够，轴肩下方软化材料填充空腔的能力较弱，焊核区/热机械影响区界面处易形成孔洞缺陷，导接头强度较底。若倾角增大，焊接热
38、作用程度增大。（四）轴肩压力 轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性金属施加压紧力。试验表明，轴肩压力主要影响焊缝成形。压紧程度偏小时，热塑性金属“上浮”溢出焊缝表面，焊缝内部则由于缺少金属填充而形成孔洞。如果压紧程度偏大，轴肩与焊件的摩擦力增大，摩擦热容易使轴肩平台发生粘附现象，焊件两侧出现飞边和毛刺，焊缝中心下凹量较大，不能形成良好的焊接接头。1.3 本课题的意义与主要内容1.3.1本课题的意义镁合金密度小，比强度、比刚度高，还具有散热性、屏蔽性好等特点，在航空、航天、汽车制造和交通运输等行业应用前景广阔，近年来对镁合金的研发、运用得到非常快速的发展。在镁合金的应用焊接的过程中
39、，由于镁合金熔点低、线膨胀系数和导热系数高，对氧亲合力高，导致镁合金的焊接性差，常规的焊接方法难以获得良好的焊接接头。搅拌摩擦焊作为一种新型的低熔点有色金属连接工艺，在镁合金的焊接方面具有得天独厚的优势。在对镁合金的搅拌摩擦焊方面，镁合金搅拌摩擦焊的最优工艺参数的选择范围较窄。因此，优化工艺参数，分析不同参数变化对组织和力学性能的影响，对于镁合金搅拌摩擦焊缝组织与性能的研究具有重要的意义和实用价值。通过课题的研究，可进一步掌握关于焊接方面的知识；其次是培养自己的初步科研能力。1.3.2本课题的主要内容及技术路线本课题主要进行的是镁合金搅拌摩擦焊缝组织与性能研究。课题中母材选择的是AZ31镁合金
40、，因此为了成功的将AZ31镁合金进行焊接，实验要求选择合适的焊接工艺参数进行焊接，进而对其焊缝进行金相分析、扫描电镜实验以及硬度测试。AZ31镁合金的搅拌摩擦焊接研究焊接工艺参数对焊缝组织和力学性能的影响试样制备扫描电镜实验显微硬度实验金相实验工艺参数对焊接缺陷的影响工艺参数对组织的影响工艺参数对性能的影响总结，分析第二章 试验材料及试验方法镁合金的成功连接是其在各种领域广泛使用的前提。本文主要研究AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头的组织形态。2.1试验所用设备试验设备采用北京赛福斯特公司研制的龙门式数控搅拌摩擦焊机，（如图2-1、图2-2）工作台规格1500mmX9200mm,是中国自行研制的第
41、一台搅拌摩擦焊接设备，可用于直焊缝和环焊缝，焊接最大厚度15mm.焊接过程中采用数字控制，具有控制精度高、焊接工艺重复性好等优点。焊接速度和旋转速度均可无级调节，调节范围分别为0到1330mm/min和100到3000r/min。焊接压力的调节根据搅拌头扎入深度进行调节。倾斜角度范围为0到5。图2-1 焊接设备全貌 图2-2 搅拌摩擦焊机控制面板2.2试验所用材料以及规格试验用板材100*100*10mm，材料AZ31轧制镁合金板材成分如（表2-1）表2-1 AZ31的化学成分（质量分数，%）AlZnMnSiFeCuNiMg3.201.110.300.0140.00150.00210.0009
42、余量AZ31镁合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀综合性能, 而且价格较低, 因此是最常用的合金之一 ,AZ31镁合金板材的典型室温力学性能如表2-2所示AZ31镁合金主要通过轧制、挤压和锻造等变形方式加工成形,制成各类棒、杆、型材和管材。AZ31变形镁合金同时具有良好的强度和延展性,这主要通过控制轧制、挤压或锻造以及向室温冷却时退火或伴生退火效应，保留了部分加工硬化在镁中添加铝和锌，可以产生固溶强化和晶粒细化的效果。表2-2 AZ31镁合金力学性能产品状态抗拉强度/MPa拉伸屈服强度/MPa压缩屈服强度/MPa伸长率/%板材F260195-20095-10514-17试验板材规格分别为：100*
43、100*10mm，两板对接，不用开坡口，试板尺寸如图2-3所示。试板在焊接前采用酸碱洗处理，并用丙酮擦拭待焊端面，然后将试板固定。图 2-3 搅拌摩擦焊试板尺寸2.3焊前准备及焊接参数在刚性工作台上。试板夹紧时要保证两板待连接处紧密结合，并且两块试板板面要保证在同一高度。焊接试验在龙门式数控搅拌摩擦焊机上进行。搅拌针旋转着慢慢插入待焊工件之中，直至搅拌头的轴肩与工件表面紧密接触，之后再以一定速度向前行走实现焊接。焊接工艺参数如表2-3表2-3 FSW焊接AZ31工艺参数旋转速度旋转方向焊接速度搅拌头倾角接头形式400 r/min 左旋100 mm/min2.5对接2.4试验方法2.4.1金相试
44、验1. 试验材料及设备金相砂纸（01、02、04号），抛光机，绒布（抛光布），金相显微镜，计算机，2%的硝酸和2%草酸混合溶液。金相试样在试板上以焊缝为中心截取尺寸为18 mm12mm10 mm的小块。将试样的横截面（垂直焊接方向）用XQ-2B镶嵌机镶嵌入胶木粉里面如图2-7，先在金相砂纸上磨平，并在抛光机上抛光，然后用2%的硝酸与2 %的草酸混合溶液腐蚀，用数码相机拍下接头宏观照片，在金相显微镜下进行显微组织观察，并拍摄显微组织。图2-4金相实验设备图2-5镶嵌后试样2. 试验步骤1. 磨制 将砂纸放在光滑平整物体如玻璃板上,手指拿住试样,并使磨面朝下,均匀用力由后向前推行磨削。2. 抛光
45、将试样用P-2型抛光机进行抛光。抛光过程中要不断向抛光布上倒入适量的含有氧化铝的抛光液。试样的磨面应平正地压在旋转的抛光盘上,压力不宜过大，并使试样从抛光盘边缘到中心不断地作径向往复移动。待试样表面磨痕全部被抛掉而呈现光亮镜面时,抛光即可停止,并将试样用水或酒精洗干净后转入浸蚀。3. 浸蚀 浸蚀方法是将待观察面浸入2%的硝酸和2%草酸混合溶液中,浸蚀时间为5s左右, 直到能够清晰显示出接头形貌，融合线位置等, 完毕后立即用清水冲洗，然后用酒精冲洗，最后用吹风机吹干。用吹风机吹干后,即可在显微镜下进行观察。2.4.2电镜扫描试验将进行过金相观察的试样交与由老师进行扫描电镜实验，所用设备为JSM-
46、6360LV扫描电镜及GENE SIS2000XMS60能谱仪。 图2-6扫描电镜实验设备2.4.3显微硬度实验 实验设备：砂纸若干 研磨抛光机 HVS-1000型维氏显微硬度计（见图2-7）图2-7 HVS-1000型维氏显微硬度计实验原理：硬度是指固体材料受到其它物体的力的作用，在其受侵入时所呈现的抵抗弹性变形、塑性变形及破裂的综合能力。将进行过扫描电镜实验所用试样进行显微硬度试验，压力0.49N，饱和时间20秒。显微硬度的测试原理是采用一定锥体形状的金刚石压头，施以几克到几百克质量所产生的重力（压力）压入试验材料表面，然后测量其压痕的两对角线长度。由于压痕尺度极小，必须在显微镜中测量。二相对棱面间的夹角为136金刚石正方四棱角锥体，即为维氏压头。图2-8 维氏显微硬度测量第三章 搅拌摩擦焊焊接镁合金接头的微观组织分析微观组织反映宏观力学性能，分析FSW的接头微观组织特点及形成机制，揭示接头薄弱区域产生机制。金属材料在
