徐安莲
摘 要：镁合金作为目前世界上最轻质商用金属结构材料，在轨道交通、航空航天、国防军工、汽车轮船等领域具有广阔的应用前景。镁合金生产制造常常涉及到焊接技术。但是采用传统熔化焊（如气体钨极氩弧焊、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业化应用。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独特优势，被誉为镁合金的首选焊接方法。为了促进镁合金的商业化应用，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比）不低于85 %的镁合金焊缝，本文对4~16 mm厚AZ31镁合金板材以及3 mm厚Mg-Al-Sn新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对镁合金搅拌摩擦焊接头组织及性能产生的影响，分析了镁合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能之间的关系，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）热处理有助于提高16 mm厚AZ31镁合金厚板搅拌摩擦焊接头的力学性能。热处理前，16 mm厚AZ31镁合金厚板搅拌摩擦焊接头的接头系数仅为77 %。经过250 ℃×1 h热处理后，焊接接头的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高12 %、14 %、34 %。热处理后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%；焊接接头弹性性能高于母材；热稳定较差和熔点较低的β-Mg17Al12相溶入到α-Mg基体中，而热稳定较好和熔点较高的Mg2Sn相则保留在了焊核区。
（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别为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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