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镁合金作为最轻的商用金属结构材料,以其优异的物理性能及成型性能,迅速成为现代工业的重要战略物资。扩展镁合金的应用领域,也成为可持续发展的重要举措之一。本文以ME20M镁合金作为研究材料,开展预热搅拌摩擦焊、水下搅拌摩擦焊、低温介质条件下搅拌摩擦焊的研究,结合实验结果提出用于ME20M镁合金搅拌摩擦焊的基本理论,丰富ME20M镁合金搅拌摩擦焊技术的内涵。研究了不同预热温度对ME20M镁合金搅拌摩擦焊接热循环过程、接头宏观形貌、微观组织特征以及力学性能的影响。焊接热循环曲线表明,随着预热温度的升高,焊接峰值温度增加,接头前进侧的温度明显高于后退侧温度。预热温度达到200℃时,焊接接头会出现起皮、毛刺等缺陷,且飞边缺陷严重。TEM结果显示,焊核区没有孪晶出现,焊接热影响区有明显孪晶现象,并对焊接接头的织构强度造成一定影响。搅拌摩擦焊接接头各区域织构强度明显增强,焊核区最高可到46.36,为母材的5.3倍,热机械影响区最高可达57.30,为母材的6.5倍。部分区域出现各向异性特征,小角度晶界比例由4.33%提升至21.64%和24.77%。焊接接头显微硬度沿厚度中心线呈“W”型变化,最高硬度及最低硬度分别为56.3HV0.1和36.7HV0.1。由于预热搅拌摩擦焊接热影响区的温度越高,越接近于时效强化的温度。因此,随着预热温度的升高,抗拉强度升高,最高达169.6MPa,约为母材的70.67%。接头拉伸断裂出现层状撕裂现象,随着预热温度的升高,接头韧性断裂和解理断裂的混合断裂比例升高。通过水下搅拌摩擦焊接方法对ME20M镁合金进行焊接,研究了不同工艺参数对搅拌摩擦焊接接头宏观形貌、微观组织特征以及力学性能。研究结果表明,而热输入较低时,焊接接头会出现隧道缺陷,当热输入较高时,焊接接头会出现飞边缺陷,且随着热输入ω/v值的升高,飞边缺陷会逐渐增多。由于冷却水作用的影响,接头热机械影响区出现较预热条件下更多的孪晶。水下搅拌摩擦焊接接头的织构强度加强,焊核区最高达34.15,约为母材的3.9倍,热机械影响区最高达37.63,约为母材的4.3倍。部分区域出现了各向异性特征,且小角度晶界比例明显提升,分别提升至42.26%和43.70%。织构强度及小角晶界比例高于预热搅拌摩擦焊接。焊接接头最高及最低显微硬度均较预热搅拌摩擦焊接接头有所提高,分别为57.9HV0.1和39.4HV0.1,二者最优化工艺参数下抗拉强度相当,强度可达167.8Mpa,约为母材的69.90%。接头断裂面呈现韧性断裂和解理断裂的混合模式。随着旋转速度的加快或行进速度的减慢,接头抗拉强度逐渐降低,韧窝数量减少,解理面增多。确定水下搅拌摩擦焊接最佳工艺参数为旋转速度1300rpm,行进速度40mm/min,下压量0.2mm。基于水下搅拌摩擦焊接最佳工艺参数结果,研究了不同冷却水温度对于ME20M镁合金的水下搅拌摩擦焊接接头的热循环曲线,并采用数值模拟的方法进行焊接温度场研究,结合实际测量热循环曲线进行焊接热循环过程分析,基于焊接热循环结果进行焊接接头宏观形貌、微观组织以及力学性能的研究。由结果可知,焊核区的峰值温度从368.6℃增加到405.2℃,数值模拟结果与实际测量热循环过程结果相差不大,此方法可用于预测水下搅拌摩擦焊接接头温度场。随着冷却水温度的升高,焊接接头飞边缺陷增加,接头各区域晶粒尺寸和沉淀相尺寸增大,接头最高硬度与预热搅拌摩擦焊接接头相当,为56.2HV0.1,前者最低硬度略高于后者,为44.4HV0.1。抗拉强度随着冷却水温度的升高而逐渐降低,最高值为170.5MPa,约为母材的71.04%。接头断裂呈现韧性断裂和解理断裂的混合模式。采用干冰酒精溶液作为冷却液体,研究不同工艺参数及冷却温度对ME20M低温搅拌摩擦焊接接头的影响。采用数值模拟及实验记录的方法进行焊接温度场及热循环过程的分析,进而进一步分析焊接接头的宏观形貌、微观组织以及力学性能的研究。研究结果显示,低温介质冷却对搅拌摩擦焊接接头各区域的影响较大,热机械影响区及焊核区的孪晶数量明显增多,且织构强度增强,小角度晶界比例也有所提高。然而由于低温冷却作用,热机械影响区受冷变形影响明显,导致其织构强度与焊核区相比相差较大,分别为焊核区17.31,约为母材的1.97倍,热机械影响区84.33,约为母材的9.6倍。小角度晶界比例也相差较大,分别为焊核区29.60%和热机械影响区39.79%。接头最高硬度较预热搅拌摩擦焊接有所提升,为57.1HV0.1,略低于水下搅拌摩擦焊接接头最高硬度,最低硬度值44.1HV0.1则高于预热搅拌摩擦焊接最低硬度值,与水下搅拌摩擦焊接接头最低硬度值持平。通过对焊接接头抗拉强度的分析,可以看出由于低温介质的冷却作用,焊接工艺窗口变窄。焊接接头断裂以韧性断裂和解理断裂的混合断裂为主,与水下搅拌摩擦焊接接头断裂模式相似。在较高热输入条件下,接头出现与预热搅拌摩擦焊接接头断裂类似的层状撕裂现象。