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为了认识压铸镁合金熔化焊接和镁合金压铸件表面缺陷焊修过程气孔的形成机制及其控制和消除措施,本文选取工业应用最普遍的压铸AZ91D镁合金为研究对象,采用热特性具有显著差异的激光束(LBW)和钨极氩弧(TIG)作为加热热源,对压铸AZ91D镁合金进行表面局部重熔实验。通过物理实验和相关理论推导,研究压铸AZ91D镁合金表面局部重熔过程的气孔问题。 采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、观察了AZ91D镁合金母材和重熔区断口形貌以及气孔分布特征,采用粒径分析软件Nano measurer1.2定量检测了重熔区出现的不同类型的气孔尺寸。根据气孔形貌、尺寸、内壁特征的不同,对气孔进行了分类,阐述了各类气孔的气体来源,解释了各类气孔的形成机制,理论推导了重熔区气孔同母材预存气缩孔在体积和内部气压之间的关联,并建立了数学表征。总结了影响气孔形成和分布的主要因素,探讨了气孔的控制和消除措施。主要研究结论如下: ①热源特性和热输入大小严重影响重熔区气孔率和气孔尺寸,钨极氩弧重熔区气孔率和最大气孔尺寸远远大于激光重熔区的的气孔率和最大气孔尺寸;对于普通压铸镁合金激光束局部重熔,热输入为60 J2mm-1时,重熔区气孔主要为微观气孔。热输入为80、100、120、140和160 J2mm-1时,重熔区上部区域气孔主要是微观气孔,下部区域气孔主要是宏观气孔。对于普通压铸 AZ91D镁合金钨极氩弧局部重熔,重熔区气孔主要为宏观气孔,数量相对较少,但气孔尺寸大,气孔截面形状多为近似圆形。 ②重熔区微观气孔主要为“氢致气孔”,气体主要遗传于固溶于母材的原子氢和少量存在于压铸缺陷的分子氢,氢气泡的形成要经历形核和长大2个阶段,因为没有充足的时间长大,熔池金属就发生凝固,这造成“氢致气孔”尺寸普遍较小,截面轮廓为规则的近圆形,内壁光滑,无金属液冲涮痕迹。 ③重熔区宏观气孔主要遗传于母材压铸过程卷入的气体。由于镁合金母材预存气孔为高压气孔,重熔时,母材预存气孔内的气体直接在熔池转化为气泡(省去了形核过程),并发生膨胀,同时,溶解于液态镁合金的氢通过扩散进入气泡,并出现多个气泡合并的现象,其共同作用促进气泡的长大。宏观气孔数量少,尺寸大,形状不规则,气孔外围存在正向其合并的小气孔,气孔内壁存在气体通道,“初级”气体通道内壁又存在多个内径较小的“次级”气体通道,“次级”气体通道内壁具有明显的金属冲涮痕迹。 ④假设压铸母材预存的一个体积和压强分别为P1、V1的气孔,在没有气泡合并的前提下,经激光重熔后得到的气孔体积和压强分别为P2、V2,则P1、V1、P2、V2满足下列关系:P V12?V P,其中,P1近似等于压铸压力,P2近似等于环境大气12压、作用于熔池表面的保护气体分压之和。 ⑤重熔前,对待重熔区域母材进行搅拌摩擦改性有利于改善材料的微结构形貌(晶粒状态)和压铸缺陷分布状态,并能够弥合和消除部分铸造缺陷,进而有利于减小重熔区的气孔数量和最大气孔尺寸,但不能从根本上消除气孔问题。重熔后,对重熔区金属进行搅拌摩擦改性,能够较好的消除重熔区的气孔。但是,由于重熔区金属凸起严重,并且重熔区金属表面存在氧化膜、夹杂等缺陷,这严重影响后续搅拌摩擦改性质量,若搅拌摩擦参数选择不当,改性区域极易出现沟槽、未熔合等缺陷。 ⑥采用含气量低的热挤压AZ61镁合金焊丝和富Nd混合稀土的AZ61镁合金焊丝作为填充材料,对熔池中的气体进行“稀释”,能够较明显地降低焊接接头的气孔率,减小熔合区粗大气孔的尺寸和数量,并改变气孔的分布特征(气孔主要在熔合线附近区域形成),但不能从根本上解决焊缝气孔问题。 ⑦真空压铸技术被认为是解决压铸镁合金熔焊气孔问题的最有效途径,建议优先发展,尤其需要大力发展镁合金高真空度压铸技术及其相应设备。