徐安莲
摘 要：镁合金作為(wèi)目前世界上最轻质商(shāng)用(yòng)金属结构材料，在轨道交通、航空航天、國(guó)防军工、汽車(chē)轮船等领域具有(yǒu)广阔的应用(yòng)前景。镁合金生产制造常常涉及到焊接技术。但是采用(yòng)传统熔化焊（如气體(tǐ)钨极氩弧焊、等离子弧焊接和激光焊等），极易出现孔洞、热裂纹、氧化物(wù)和高残余应力等，难以获得高质量的镁合金焊接接头，不利于镁合金的大规模商(shāng)业化应用(yòng)。搅拌摩擦焊是一种绿色的固相连接技术，对消除传统熔焊技术存在的焊接缺陷有(yǒu)独特优势，被誉為(wèi)镁合金的首选焊接方法。為(wèi)了促进镁合金的商(shāng)业化应用(yòng)，获得表面质量好、接头系数（即焊接接头抗拉强度与母材抗拉强度的百分(fēn)比）不低于85 %的镁合金焊缝，本文(wén)对4~16 mm厚AZ31镁合金板材以及3 mm厚Mg-Al-Sn新(xīn)型镁合金板材进行了搅拌摩擦焊系统研究。确定了合适的焊接工艺参数，获得了表面质量好、接头系数高的镁合金焊缝，研究了焊接速度、旋转速度、板材厚度和焊后热处理(lǐ)对镁合金搅拌摩擦焊接头组织及性能(néng)产生的影响，分(fēn)析了镁合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力學(xué)性能(néng)之间的关系，并对镁合金搅拌摩擦焊温度场和焊后残余应力进行了数值模拟分(fēn)析，主要结果如下：
（1）当旋转速度1000~1600 r/min、焊接速度120~360 mm/min时，4~10 mm厚AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头表面质量好，接头系数高达94 %。
（2）热处理(lǐ)有(yǒu)助于提高16 mm厚AZ31镁合金厚板搅拌摩擦焊接头的力學(xué)性能(néng)。热处理(lǐ)前，16 mm厚AZ31镁合金厚板搅拌摩擦焊接头的接头系数仅為(wèi)77 %。经过250 ℃×1 h热处理(lǐ)后，焊接接头的抗拉强度、屈服强度和伸長(cháng)率分(fēn)别提高12 %、14 %、34 %。热处理(lǐ)后16mm厚AZ31镁合金焊接接头的接头系数达到86%。
（3）Mg-5Al-xSn（x=1,3）镁合金搅拌摩擦焊后，接头系数高达91%；焊接接头弹性性能(néng)高于母材；热稳定较差和熔点较低的β-Mg17Al12相溶入到α-Mg基體(tǐ)中，而热稳定较好和熔点较高的Mg2Sn相则保留在了焊核區(qū)。
（4）镁合金搅拌摩擦焊接温度场模拟计算结果与试验数据相吻合，焊接温度模拟误差低于6 %。计算表明随旋转速度从800 r/min增至1600 r/min，10 mm厚AZ31镁合金搅拌摩擦焊过程中最高温度从471 ℃升至578 ℃；随焊接速度从120 mm/min增至360 mm/min，10 mm厚AZ31搅拌摩擦焊过程中最高温度从578 ℃降至454 ℃；随板材厚度从4 mm增至16 mm，AZ31镁合金搅拌摩擦焊过程中最高温度从442 ℃升至570 ℃。
（5）镁合金搅拌摩擦焊的焊后残余应力模拟计算结果与试验数据相吻合，残余应力模拟误差小(xiǎo)于8 %。计算表明当旋转速度600 r/min、焊接速度72 mm/min、搅拌头倾角2.5 °、下压量0.5 mm时，16 mm厚AZ31搅拌摩擦焊接头纵向和横向残余应力分(fēn)别為(wèi)122 MPa、115MPa。
关键词：搅拌摩擦焊，AZ31镁合金，Mg-Al-Sn镁合金，板材厚度
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