摆动式搅拌摩擦点焊铝/镁异种合金的组织和力学性能研究

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本文采用摆动式搅拌摩擦点焊对厚度为2mm的5083铝合金和AZ31B镁合金板材进行焊接试验。研究了焊接工艺参数(旋转速度、焊接速度和旋转半径)对Al/Mg接头形成过程、界面金属间化合物以及力学性能的影响,结合在Al/Mg界面处添加中间Zn夹层的摆动式搅拌摩擦点焊,探讨了焊接过程中材料流动规律及Zn夹层对Al/Mg接头界面组织和力学性能的影响规律。在进行摆动式搅拌摩擦点焊焊接时,研究了焊接工艺参数对接头宏观成型性、横截面形貌显微组织的影响规律,在优化工艺参数的基础上,重点研究了旋转半径对接头显微组织及力学性能的影响,并结合温度场分布研究了摆动式搅拌摩擦焊接过程中材料的流动特征。通过对接头显微组织和形貌的观察与分析,发现摆动式环形路径的添加增大了接头的焊核区面积,改变了焊核区内部的材料流动范围,并且在界面处形成片层状的材料混合区域;结合焊接温度场测试可知,一定工艺参数条件下的摆动式搅拌摩擦点焊,母材没有发生可见的熔化现象,因此界面处形成的金属间化合物Al12Mg17、Al3Mg2主要通过固态原子扩散形成,在界面处呈片状分布。通过扫描电镜对断口形貌进行观察并结合XRD物相分析得知,接头断裂主要发生在界面处,断口形貌呈混合断裂模式。在不同的焊接工艺参数下,所获得的接头界面处均存在Al-Mg金属间化合物,为了解决片状厚导致的性能下降问题,提出通过添加Zn夹层来调控界面结构以改善接头性能。在优化工艺参数的基础上,研究了不同厚度的Zn夹层进行摆动式搅拌摩擦点焊。结果表明,一定厚度Zn夹层的添加可改变界面处金属间化合物的种类及其分布状态,可形成呈颗粒状弥散分布的Mg-Zn金属间化合物,并阻碍了片层状Al-Mg金属间化合物的形成,通过对接头进行显微硬度及剪切力测试发现,Zn夹层厚度为0.1 mm时,接头剪切力由4298.8 N提升到4543.6 N,接头剪切强度由42.76 MPa提升到45.20 MPa。研究结果表明,摆动式搅拌摩擦点焊焊接铝/镁异种合金,可提高接头强度;Zn夹层的添加有效避免了片层状连续分布的Al-Mg金属间化合物的形成,促进界面层形成弥散分布的Mg-Zn金属间化合物,进一步提高了接头强度。
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