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厚板镁合金搅拌摩擦焊性能与组织分析
Analysis of Property and Microstructure of Thick Magnezium Alloy
京晨光集团有限责任公司赵妍胡伟叶周海峰戴雏弟
中航工业北京航空制造工程研究所楽国红
摘要]实现了20mm厚AZ31B镁合金板材的搅
厚板镁合金由于其厚度大、线膨胀系数大熔点低
拌摩擦焊接,焊缝良好成形、未观察到气孔、夹杂以及导热率大等特点,在焊接过程中会出现氧化燃烧、气孔、
弱连接等缺陷,在焊后对焊接试样进行了不同温度下的製纹、热影响区宽和焊后变形大等问题,难以获得与母
热处理、力学性能测试、显微硬度测试和焊缝组织观察。材性能相匹配的焊接接头,因此优先选用FSW进行焊
研究表明,采用揽拌摩檫焊方法可以实现厚板镁合金焊接。
接,且接头性能随退火温度的影响变化很小,焊鏠截面
中国航天科工集团南京晨光集团公司已就20mm
上的硬度分布也比较均匀
厚度的厚板AZ31及AZ41镁合金成功利用FSW获得
关键词:镁合金焊后热处理力学性能
优质接头,本文以AZ31B镁合金试板为例进行工艺技
ARST RACTT20 mm thick magnesium alloys,术及接头组织性能分析。
AZ31B is friction stir welded with good forming and with-
out any defects, such as porosity, slag and kissing bond
1试验方法
After welded, the joints are heat treated under different
试验采用规格为300mmx150mmx20mm的H112
temperatures. Macrostructure, microstructure,miro-hard-态AZ31镁合金厚板,其化学成分组成见表1。搅拌
nes, mechanical properties before and after heat treated头材料为H13钢,其使度在45HRC以上。其搅拌头
of thick magnesium friction stir welded joints are analysed的轴肩直径为30m,搅拌针直径为10mm,针长度为
thoroughly
19.8mm。搅拌头的旋转速度为600r/min,焊接速度为
Keywords: Magnesium Heat treatment Me-60 mm/min。焊后对焊接接头试样进行去应力退火处理,
chanical property
热处理制度为:分别在150℃、200℃、260℃、360℃的温
度下,保温h后,空冷。
搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding,FSW)作为新兴
将上述试样取样腐蚀后,采用QMW550型图像分
的固态连接技术,在有色金属等材料的连接方面的优势析仪对组织进行分析,并使用FM-7000型显微硬度计
也愈加突显。镁合金具有比强度、比刚度高,阻尼减振对常温接头组织各区域进行硬度测试。对常温和不同
性能优良,抗电磁干扰能力强,易于切削加工和铸造,价热处理后的焊接试板分别取样进行机械性能测试。
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、航空航天和国防军事工业领域具有重要的2试验结果与讨论
应用价值和广阔的应用前景?。与传统的熔化焊相比,2.1焊后宏观形貌分析
FSW属于固相焊接,其接头不会产生与熔化有关的焊
如?1所示,焊缝表面成形良好。送检镁合金焊接
接缺陷,如裂纹、气孔及合金元素的烧损等。焊接过程试样未观察到气孔、夹杂等低倍缺陷,焊缝根部未出现
中无需填充材料、保护气体,焊接前无需进行复杂的处弱连接。焊鏠晶粒度级別7级,热机影响区(后退侧)晶
理工作,焊接所需能量仅为传统焊接方法的1/5~1/15,粒度级别为7.5级,母材晶粒度级判为8级
焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅,噪声低。可见,2.2焊后试样组织形貌
SW是一种高质量、低成本的“绿色焊接方法”?。
如图2、图3所示,搅拌焊接头组织一般分为4个
表1镁合金板材的化学成分质量分数
类别
Al
Si
AZ31B(H11)2.5-3,510.6-1.402-10「≤081≤0.00≤0.041≤0011≤0.001余量
78航空制造技术?2013年第21期
万方数据
eEea_学术论文
AEB(2).S20
区域:I区或一一焊核区(SZ)、Ⅱ区域一一热机影响区
(TMAZ)、Ⅱ区域一一热影响区(HAZ)和Ⅳ区域
母材区(BZ)。在FSW焊接过程中,母材不但受到轴肩
的下压力和移动摩擦力,而且还受到搅拌针的高速旋转
摩擦力和剪切力,使母材组织原始粗大的吸热过程和散
(a)焊表面形貌
(b)焊篷侧而形貌
热过程都很快,晶粒来不及长大,于是在受力最为复杂、
图1焊缝宏观形貌图
剧烈的SZ形成细小均匀的等轴晶。TMAZ是在搅拌针
Lcromorphology of welding joint
和轴肩的同时作用下使母材不同程度的塑性变形,品粒
沿着搅拌针的旋转方向被拉长,TMAZ虽然也受到了机
械和热的相互作用产生塑性变形,但没有SZ剧烈,动态
再结晶不够充分,晶粒相对较粗大、不均匀,应力集中严
重,从而导致该区为焊接接头最薄弱的部分。HAZ未受
图2焊接接头宏观组织示意图
到搅拌针的机搅拌作用和热塑性变形,只受到了焊接
Fig 2 Macrostructure of welding joint
过程中的热循环作用晶粒大小不
2.3硬度检测
送检试样显微硬度从前进侧母材开始,贯穿整个焊
缝,到后退侧母材为止,每隔1mm测一点,共测20点,
左侧端部和右侧端部母材各打1个点。硬度结果图4
所
100pm
100um
(a)母材组织
(h)焊核区组织
100 um
500 um
10)1
(e)(后退側)热影响区
(d)(前进侧)热机影响区
距焊鏠中心距离mm
图4AZ31B搅拌摩擦焊接头截面显微硬度(常温
Fig 4 Microhardness of AZ31B FSW joint(room temperature)
2.4焊后热处理对接头组织性能的影响
在对焊后接头试样进行不同温度热处理后,对其在
500pm
100pm
不同退火温度下焊接接头的微观组织进行分析。热处
(e)(后进側)热机景影响区
(「)焊缝根部
埋后SZ和TMAZ的晶粒尺寸相差较大,TMAZ的晶粒
明显要大于SZ。随着退火温度的升高,SZ区域晶粒开
始逐渐增大,并且在局部出现了很多细小的晶粒,这说
明该区域已经开始发生再结晶的。但是由于温度较低,
(d)(b)(e
再结晶进行得比较缓慢。当退火温度为260℃时,SZ的
晶粒迅速长大,整体基本趋于一致、均匀化,局部细小的
品粒已经长大,基本连成一片,这说明再结晶已基本完
(g)焊逢宏观形貌
成。对于TMAZ区域组织晶粒増加相对焊核区较少,分
图3AZ31B搅拌摩擦焊接头组织
析认为: