磁场和活性剂联合作用下镁合金TIG焊接头组织性能研究

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镁合金由于具有密度小,比强度大,加工性能好及可回收等特点,满足了当前对节能、环保的要求,被誉为“二十一世纪绿色材料”,在航空航天、汽车及3C领域得到了广泛使用。但是由于镁合金独特的物理特性,使其焊接性相对较差,严重限制了其使用及推广。因此,开发一种高效高质的焊接方法对镁合金的应用具有积极的作用。A-TIG焊接时,活性剂的引入使得焊接效率大幅提高。而磁控焊接技术由于可以实现焊接过程无接触式干预,能有效改善焊接接头性能。因此本文将纵向交流磁场和NiCl2/TiO2活性剂同时应用于AZ91镁合金的TIG焊过程中,改变磁场参数、焊接参数以及活性剂种类、涂敷方式和涂敷量等,对不同参数下焊接接头的成形、物相组成、显微组织以及力学性能进行测试分析,同时采用模拟计算和高速摄像等手段研究电弧及熔池的运动形态,探究磁场和活性剂联合作用下镁合金的结晶形核及晶体生长特点。通过相关的测试分析,得出如下结论:(1)无磁场时,焊接接头的性能均是双侧涂敷活性剂状态优于单侧涂敷活性剂状态。对于NiCl2活性剂而言,双侧涂敷时的最佳涂敷量为2mg/cm2,此时焊接接头的成形系数为2.32,焊缝区硬度为62.3HV,抗拉强度为312MPa,伸长率为12.3%;对于TiO2活性剂而言,双侧涂敷时的最佳涂敷量为3mg/cm2,此时焊接接头的成形系数3.29,焊缝区硬度78.9HV,抗拉强度265MPa,伸长率10.05%。(2)磁场与NiCl2活性剂联合作用下,双侧涂敷活性剂的接头性能整体优于单侧涂敷活性剂的接头性能,最佳活性剂涂敷量为3mg/cm2,此时,焊接接头的成形系数为2.38,焊缝区硬度为67HV,抗拉强度为338MPa,伸长率为13.3%。磁场的引入可以细化晶粒尺寸(双侧涂敷活性剂时晶粒尺寸比无磁场状态下细化了55.5%),增加显微组织中孪晶的数量,抑制裂纹扩展,提升接头性能,促进晶体沿(0001)晶面择优生长。(3)磁场与TiO2活性剂联合作用下,双侧涂敷活性剂时镁合金焊接接头性能略有提升,最佳性能在活性剂涂敷量为3mg/cm2处获得,此时的成形系数为2.79,焊缝区硬度为75.6HV,热影响区的硬度为77.8HV,抗拉强度为292MPa,伸长率为11.2%。磁场的引入对焊缝金属的择优生长现象未见影响,但是对晶粒的细化效果比较明显,在活性剂涂敷量为3mg/cm2时,施加磁场状态比未施加磁场状态下的晶粒尺寸细化了8.4%。(4)磁场和NiCl2活性剂联合作用将主要改变焊接电弧的运动形态进而影响焊接接头形貌及熔池的结晶形核特点,在合适的磁场和活性剂参数下会提高电弧挺度,缩小电弧旋转半径,但磁场参数过大则会出现“磁抽吸”现象,降低电弧稳定性和焊缝成形质量;(5)磁场和TiO2活性剂联合作用将主要改变焊接熔池的运动形态进而影响熔池的结晶形核特点,在合适的磁场和活性剂参数下会提高熔池的运动速度,增加搅拌效果,但是磁场参数过大则出现“拖尾”现象,影响焊缝成形和综合力学性能。
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