镁和镁合金的焊接工艺的修整

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1、佳木斯职业技术学院 毕业论文（设计）专用纸芃薀螂膆莅螅膁膅薇薈肇膄蚀袄羃膄荿蚇衿膃蒂袂螅膂薄蚅肄芁芄袀罿芀莆蚃袅艿蒈衿袁芈蚁蚁膀芈莀薄肆芇蒂螀羂芆薅薃袈芅芄螈螄莄莇薁肃莃葿螆罿莂薁蕿羅莂莁袅袁莁蒃蚇腿莀薆袃肅荿蚈蚆羁莈莈袁袇肅蒀蚄螃肄薂衿肂肃节蚂肈肂蒄羈羄肁薆螁袀肀虿薃膈肀莈蝿肄聿蒁薂羀膈薃螇袆膇芃薀螂膆莅螅膁膅薇薈肇膄蚀袄羃膄荿蚇衿膃蒂袂螅膂薄蚅肄芁芄袀罿芀莆蚃袅艿蒈衿袁芈蚁蚁膀芈莀薄肆芇蒂螀羂芆薅薃袈芅芄螈螄莄莇薁肃莃葿螆罿莂薁蕿羅莂莁袅袁莁蒃蚇腿莀薆袃肅荿蚈蚆羁莈莈袁袇肅蒀蚄螃肄薂衿肂肃节蚂肈肂蒄羈羄肁薆螁袀肀虿薃膈肀莈蝿肄聿蒁薂羀膈薃螇袆膇芃薀螂膆莅螅膁膅薇薈肇膄蚀袄羃膄荿蚇衿膃蒂袂螅

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6、铝合金的扩散焊接技术 136 镁合金焊接接头电弧喷涂防护技术 13 7 镁合金焊接技术的应用及展望158 参考文献 159 致谢 16 材料介绍众所周知，由于镁和镁合金的焊接性能不好，所以，近年来，分别采用钨极氩弧焊、激光焊、激光一氩弧复合热源焊接，使其变形成镁合金AZ 31B，系统分析焊接接头的组织及性能。结果发现，氩弧焊的焊缝表面成型较好，但接头深宽比小、热影响区宽且组织晶粒粗大，试样的抗拉强度较低；激光焊接头深宽比大、几乎不存在热影区、组织晶粒细小、基本无焊接变形，试样的抗拉强度较高；激光一氩弧复合热源焊接技术焊缝的表面成型接近氩弧焊，其深宽比及组织晶粒度接近于激光焊，且焊接变形小，接头

7、强度抗拉强度接近母材。激光一氩弧复合热源焊接技术充分利用了激光和电弧相互作用的优势，克服了二者的不足，无论是在接头质量，还是在生产效率上都具有明显的优势，是一种高质高效的镁合金焊接工艺。2 激光焊接技术2.1 同种镁合金的激光焊接激光焊接作为一种先进的连接技术，具有速度快、线能量低、焊后变形小、接头强度高等优点，得到了人们极大的关注。采用脉冲YAG激光对AZ31B变形镁合金进行对接焊，结果表明，镁合金激光焊焊缝变形小，成型美观，无裂纹等表面缺陷、背面熔透均匀，如图1所示。焊接接头热影响区不明显，无晶粒长大现象；焊缝区由细小的等轴晶组成，如图2所示。在本试验条件下，接头的抗拉强度可达母材的95%

8、以上，实现了镁合金的良好连接。研究表明，激光焊接对焊接工艺参数要求严格，同时镁合金激光焊接过程中易出现裂纹、气孔、热影响区脆化和激光能量吸收率低等系列问题。 图1 激光焊焊缝表面形貌 图2 镁合金激光焊接接头组织 2.2 镁合金与铝合金的激光焊接镁铝异种金属可以通过真空扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊等方法实现一定程度的连接，但其结合强度并不理想。造成这种结果的主要原因是两种材料焊接时在熔池内部形成了高硬度高脆性的金属间化合物。SiC颗粒在铸造领域常常与镁、铝合金结合形成复合材料，可以细化材料的微观组织并且全面地提高机械性能；其在表面熔覆的工艺中也经常得到应用。针对SiC的性质及其在镁、铝复合材料中

9、应用研究的基础上，提出SiC作为中间层进行激光镁铝搭接焊工艺，将SiC颗粒作为中间层进行镁铝激光搭接焊，来达到提高镁铝焊接接头性能的目的。对比镁合金与铝合金的直接激光焊接与加入SiC颗粒的激光焊接，其宏观焊缝横截面如图3所示。在相同激光功率条件下，焊接熔池横截面宏观形貌发生了改变。与激光直接焊接相比，加入SiC夹层后熔池内部搅拌能力降低并且镁铝板材界面处熔宽增加。对焊接试件进行剪切试验，结果表明SiC的加入改变了熔池的微观组织，使金属间化合物反应层厚度降低，焊缝的抗剪切拉伸性可达激光直接焊接的三倍以上。图3 焊缝宏观横截面A 直接激光焊接 B. 加入SiC夹层的激光焊接3 等离子弧焊技术3.1

10、 同种镁合金的变极性等离子弧焊等离子弧（Plasma Arc）是一种受到约束的非自由电弧，温度和能量密度都显著高于普通电弧，是一种高效的焊接方法。采用变极性等离子弧焊接镁合金时，可以在背面无垫板的情况下实现对接接头的连接，具有熔深大、焊前准备少、焊接质量高、工件变形小及焊道数目少等优点。图4为变极性等离子弧焊接镁合金AZ31B的接头宏观形貌，接头成形美观，背面熔透均匀。焊接接头没有明显的热影响区，焊缝组织均匀，晶粒细小，如图5所示；经测试焊接接头拉伸强度达到母材的95%以上。图4 镁合金变极性等离子弧焊宏观接头形貌 图5 变极性等离子弧焊缝接头微观组织 3.2 镁合金的变极性等离子弧缝焊采用变

11、极性等离子弧焊对5mm厚的镁合金板材进行了缝焊，工艺原理图如图6所示，焊缝的宏观照片如图7所示，从焊缝的宏观组织图看，上面镁板具有变极性等离子弧小孔焊的工艺特征背面熔透均匀，接头的上下表面熔宽尺寸变化小，这将有利于减小应力集中，改善接头的性能。这种方法不仅提高了中厚度镁合金板材的焊接质量，还简化了生产流程、提高生产了效率，适用于大批量生产。 图6 变极性等离子缝焊工艺原理图 图7 变极性等离子缝焊焊缝宏观组织4 熔化胶接焊焊接技术 针对目前对异种金属材料连接技术的迫切需求，提出一种“熔焊-胶接”（即胶焊）连接新技术。将激光、等离子弧等高能束连续熔化焊接技术与胶接技术有机复合，实现机械结合、冶金

12、结合和化学结合的有效统一，不但具有传统胶接点焊的优点，同时实现了连续熔焊的“线结合”与胶接的“面结合”的相互促进，接头综合性能显著提高，为今后异种材料的连接提供新的方向。 4.1 镁合金等离子弧胶接焊采用等离子弧胶焊技术对同种镁合金板材进行焊接性试验，探索了等离子弧胶焊技术的工艺特点，分析了焊缝的组织和性能，对进一步研究等离子弧胶焊技术的工艺特点有着重要的指导意义。等离子弧胶焊技术是一种新型的焊接方法，它采用了将等离子弧焊接工艺与粘接工艺相复合的方法对工件进行连接。等离子弧能量密度大，弧柱温度高，对焊件加热集中，熔透能力强，对中厚板材可一次焊透，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，可提高焊接生

13、产率。此外，等离子弧对焊件的热输人较小，焊缝截面形状较窄，深宽比大，呈“酒杯”状。热影响区窄，其焊接变形也小。胶接接头应力分布均匀，无应力集中，密封性好。胶接可取消机械紧固件(如螺钉、螺母等)，不需要联接孔，不会减少材料的有效横截面积，可充分利用材料的全部强度，因此采用胶接可大大减轻整体结构重量。此外接头还有绝缘、耐腐蚀等特点。图18为等离子弧胶焊工艺示意图。焊接接头采用搭接接头形式。胶粘剂厚度为0.1mm。在不开坡口、无背面强制成形保护条件下，进行镁合金等离子弧胶焊试验，焊缝横截面见图19所示，可以看出，熔池形状上宽下窄，也呈“丁”字形，表面凹陷较小，焊缝内部无气孔和裂纹等明显缺陷。力学性能

14、分析显示，等离子弧胶焊接头的失效载荷较等离子弧焊和胶接接头有明显提高。在加载相同载荷的情况下，等离子弧胶焊接头的热裂倾向小。 图18 等离子胶焊工艺示意图 图19 焊接接头宏观形貌 4.2 镁合金与铝合金的激光胶接焊采用激光胶接焊新型焊接工艺对镁铝异种金属进行了连接，实现了镁铝异种金属薄板间的有效连接。该方法有效的改变了镁铝间金属间化合物的分布和特点，进而增加了熔深，提高焊接接头的强度。在激光胶接焊过程中，胶层对整个焊接熔池产生了很大的影响。它不仅改变了整个熔池的流动形式，还直接影响了焊接过程中的热量传递，进而改变了传统意义上的激光焊接过程。焊接结构示意图如图20所示，在搭接区域涂刷一层厚度为

15、0.1mm的胶层。焊接接头的宏观形貌如图21所示。测量镁铝异种金属激光胶接焊接接头力学性能，其综合力学性能达到镁合金母材的90%以上，能够基本满足目前针对镁铝连接强度的需求。在激光胶接焊过程中由于胶层的加入加速了镁合金和铝合金之间的热传递作用，使镁合金的冷却速度有所增加，同时对铝合金间接起到了预热的作用。这种预热的作用在一定程度上增加了铝合金对于激光的吸收率。 图20 镁铝异种金属激光胶接焊结构示意图 图21 焊接接头宏观形貌 5 镁合金与铝合金的扩散焊接技术目前Mg/Al异种金属的连接，采用的焊接方法主要是熔焊和固相焊，而添加中间过渡金属的扩散焊连接是异质金属连接的有效办法。可以通过调整中间

16、层的成分来实现对接头组织的控制，从而提高接头性能。目前，对于添加中间过渡金属的Mg/Al扩散焊连接的文献报道还很少。对Mg/Al接头在有无过渡金属的条件下进行惰性气体保护扩散焊，对比分析了中间过渡金属的添加提高Mg/Al扩散焊接头剪切强度的原因。试验采用的母材为6061铝合金和AZ31B镁合金。力学性能分析表明Mg/Al直接扩散焊接头剪切强度最大可达40MPa左右，而添加合适的合金中间过渡金属的Mg/Al扩散焊接头剪切强度可达到100MPa。究其原因是由于镁铝的直接扩散焊不可避免地会在接头区产生大量的金属间化合物；而添加合金中间过渡金属的Mg/Al扩散焊接头组织由网状的共晶形貌变成由过饱和镁基

17、固溶体和具有弥散第二相富Al颗粒分布的中间相组成。中间过渡金属的添加有效地避免了镁铝基体的直接接触，同时产生的颗粒在中的弥散分布大大地提高了接头强度。6 镁合金焊接接头电弧喷涂防护技术电弧喷涂技术以其涂层质量好、生产效率高、操作简单、经济节能等优点，自热喷涂技术发明以来一直是人们研究的热点之一。所谓电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作为热源熔化金属丝材，压缩空气穿过电弧和熔化的液滴使之雾化，以一定的速度撞击基体形成涂层的过程。采用电弧喷涂方法可以对焊接接头进行整体防护，适用于同种及异种金属焊接接头的防护。分析了镁合金电弧喷涂的工艺特性及其喷涂后处理工艺，并开发了

18、一种镁铝伪合金涂层。在镁合金基体表面喷涂纯铝涂层，以提高其耐蚀性。 涂层的形成过程决定了涂层表面及内部存在一定数量的孔隙，无法避免的孔隙成为点蚀的发源地。为进一步提高涂层的耐蚀性，涂层的封孔后处理成为一道必不可少的工序。为了满足特殊行业的需求采用导电封孔处理。在有机封孔剂环氧树脂中掺入金属填料，构成掺合型导电涂料，完成纯铝涂层的导电封孔工艺，同时研究有机导电封孔的耐蚀性。导电封孔示意图如图22所示。图23为含铜粉孔涂层的微观形貌。涂层电阻测试表明，环氧树脂中加入一定含量的铜粉能够使封孔涂层实现导电，而且导电性良好。利用常温浸泡试验研究封孔涂层的耐腐蚀性能，导电封孔涂层与未封孔涂层相比，表现出良

19、好的耐蚀性。 图22导电封孔涂层示意图 图23含铜粉封孔涂层形貌探索了采用异质金属丝材进行电弧喷涂的可行性，采用镁丝和铝丝作为两根喷涂丝材，在镁合金表面制备金属间化合物涂层，以提高镁合金的耐蚀性、耐磨性、高温强度和抗氧化性，使之应用于更广泛的领域。采用含铝量在99.7以上的高纯铝丝和含镁量在99.7以上的高纯镁丝作为喷涂丝材的两极，电弧喷涂得到的涂层表面形貌如图24所示，得到的涂层平滑均匀，颗粒细小，没有未熔化充分的金属颗粒，表面孔隙也很小。对涂层进行显微硬度测量，平均显微硬度可达200HV，而电弧喷涂纯铝涂层的平均硬度仅为67 HV。镁铝反应生成的化合物的硬度比纯镁、铝的硬度高，大量金属间化

20、合物的生成导致涂层硬度提高。镁扩散与铝反应后，保留的氧化物和MgAl2O4相颗粒散布在基体中，也起到硬化作用。 图24涂层的表面形貌 7 镁合金焊接技术的应用及展望随着国内外对能源消耗、环境保护的要求的日益提高，镁合金作为一种新型的结构材料，在汽车等交通领域蕴藏着巨大的应用潜力。目前, 欧洲和美国汽车每辆汽车使用镁合金零件5.8-23.6kg，我国汽车单车用量不到10kg，其中镁合金焊接技术是实现镁合金汽车零部件大量应用的主要关键技术难题。通过“十五”和“十一五”的技术攻关，我国已经解决了镁合金与镁合金的连接问题，已经开发出了镁合金自行车焊接结构件、摩托车焊接结构件（如图25、26所示），并通

21、过了台架试验和道路试验，达到了出口标准要求，其中采用焊接技术生产的镁合金自行车已经出口到欧盟国家，取得了显著的经济和社会效益。中国汽车产量的结构调整的方向是轿车占汽车总量的比重增加，低排放、低污染、节能的绿色环保汽车替代非环保汽车，近几年政府加大了电动汽车的研发力度，镁合金座椅骨架，油门踏板等在国产汽车领域将得到广泛应用。随着复杂结构镁合金车辆结构件及相关镁合金产品的设计和开发，将对镁合金焊接技术提出日益广泛的需求。镁合金这种新型结构材料的发展和应用，对焊接技术提出了极大的挑战，同时也为焊接提供了更广阔的应用天地。镁合金的焊接尚有许多技术难题等待我们去研究解决，从而为镁合金的实际应用与镁合金结

22、构件的设计制造奠定坚实的技术基础。以上介绍的若干技术进展，必将大大推动镁合金产品的焊接技术水平，促进镁合金复杂结构件在工业生产中的应用。图25 镁合金焊接自行车产品图26 镁合金摩托车焊接结构件及其产品 参考文献1 电气焊工作手册.王艳霞著. 化学工业出版社.2008年05月.2 铸造铝·镁合金.化学工业出版社.2007年02月.3 实用电焊技术. 高忠民著.金盾出版社.2003年4 焊接结构生产与实例.赵岩著.化学工业出版社.2008年07月5 焊接结构生产.邢晓林.化学工业出版社.2009年02月6 焊接结构设计及应用.张彦华.化学工业出版社.2009年05月致谢 时光飞逝，转眼

23、间已经在佳木斯职业学院内学习了两个春秋，这两年是我人生中重要的两年，是难以忘却的两年，是影响我一身的两年，在毕业即将来临之际，心里的感激之情难以言表，我不舍得离开生活两年的校园，不舍得离开生活在一起的同学们，不过这一切结束是必然的，只能把这一切当作一个美好的回忆。经过三个月的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，没有工作中部门领导的帮助以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。所以在这里我要感谢老师，感谢我亲爱的同学们，感谢我的部门领导。在论文写作过程中，得到了李伟老师的亲切关

24、怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，李老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩李老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢我所在院校的领导，我在学习之余来做我的毕业设计感谢他们的谅解，感谢他们在老师不在身边时我论文无法继续时所给的帮助在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，

25、有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!最后我还要感谢我的母校佳木斯职业学院。 葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀蒂薃羂腿膂莆羈腿莄蚂袄膈蒇蒄螀膇膆蚀蚆膆艿蒃羅膅莁蚈袀芄蒃蒁螆芃膃蚆蚂芃芅葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀

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27、薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀蒂薃羂腿膂莆羈腿莄蚂袄膈蒇蒄螀膇膆蚀蚆膆艿蒃羅膅莁蚈袀芄蒃蒁螆芃膃蚆蚂芃芅葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀蒂薃羂腿膂莆羈腿莄蚂袄膈蒇蒄螀膇膆蚀蚆膆艿蒃羅膅莁蚈袀芄蒃蒁螆芃膃蚆蚂芃芅葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿

28、膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀蒂薃羂腿膂莆羈腿莄蚂袄膈蒇蒄螀膇膆蚀蚆膆艿蒃羅膅莁蚈袀芄蒃蒁螆芃膃蚆蚂芃芅葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀蒂薃羂腿膂莆羈腿莄蚂袄膈蒇蒄螀膇膆蚀蚆膆艿蒃羅膅莁蚈袀芄蒃蒁螆芃膃蚆蚂芃芅葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅袆蒄螁羄羅膄薄袀羄芆螀螆羃莈薂螂羂薁莅肀羁芀蚁羆羁莃蒄袂羀蒅虿螈罿膅蒂蚄肈芇蚇羃肇荿蒀衿肆薂蚆袅肅芁薈螁肅莃螄蚇肄蒆薇羅肃膅螂袁肂芈薅螇膁莀螀蚃膀蒂薃羂腿膂莆羈腿莄蚂袄膈蒇蒄螀膇膆蚀蚆膆艿蒃羅膅莁蚈袀芄蒃蒁螆芃膃蚆蚂芃芅葿肁节蒈螅羇芁薀薈袃芀艿螃蝿袇莂薆蚅肇蚆羃膅肆莅螆肁肅蒇羁羇肅薀螄袃肄蚂薇膂膃莂螂肈膂蒄薅羄膁蚆螀羀膀莆蚃袆腿蒈衿膄腿薁蚂肀膈蚃袇羆膇莃蚀袂芆蒅袅螈芅薇蚈9