论文部分内容阅读
本文从新型Al-Mg-Mn-Zr-Er合金的焊接特性出发，研究了TIG焊接和激光焊接接头的显微组织特征、力学性能和疲劳性能，揭示了Er和Zr在焊接接头中的存在形式和作用机理，建立了微观组织特征和接头软化行为之间的定量关系，探讨了不同焊接工艺下焊接接头的疲劳断裂行为。 针对TIG焊接和激光焊接工艺，通过正交试验和全面试验的方法研究了焊接参数对接头微观组织和力学性能的影响，在此基础上获得优化的焊接工艺。试验结果表明，TIG焊接中，焊接电流对焊接接头的抗拉强度影响最大，其次为送丝速度，焊接速度对其影响最小。激光焊接中，激光功率的增大促进了焊缝中心等轴晶的形成。焊接速度的提高可细化焊缝区晶粒尺寸，有利于接头显微硬度和抗拉强度的提高。本文获得的TIG焊接的优化工艺为:焊接电流90A，焊接速度20cm/min，送丝速度50cm/min。激光焊接的优化工艺为:激光功率2.8kW，焊接速度6m/min。 不同焊接方法获得的焊接接头的显微组织特征具有显著差别。TIG焊接头的焊缝区主要由雪花状的等轴树枝晶组成，平均晶粒尺寸为50μm。激光焊接头的焊缝区以细小的等轴晶为主，平均晶粒尺寸为30μm。TIG焊和激光焊接头熔合线附近均存在一个由细小等轴晶组成的“细晶区”。元素线扫描的结果显示该区域存在溶质原子的聚集。“细晶区”的产生是熔池边界的过冷度条件和母材中未熔化的Al3Er、Al3Zr或Al3(Er、Zr)粒子在该区域聚集的共同结果。 Er和Zr在TIG焊和激光焊焊缝中的存在方式主要有三种:固溶在α(Al)基体中;合金凝固过程中直接从熔体中析出的初生Al3Er相、Al-Mn-Er相和Al3Zr相;母材中未熔化并保留下来的次生Al3Er/ Al3(Er、Zr)。其中，晶粒中心初生Al3Zr粒子促进非均质形核，晶界处初生Al3Er粒子阻碍晶界迁移，两者共同作用使焊缝的显微组织显著细化。而焊缝中残留的次生Al3Er/Al3(Er、Zr)粒子的数量极少，使Er和Zr在接头中的第二相强化作用有限。 通过模型计算的方法建立了Al-Mg-Mn-Zr-Er合金焊缝金属微观组织特征和软化行为之间的定量关系。计算结果表明，Al-Mg-Mn-Zr-Er合金中固溶强化作用为97-102MPa，位错强化强化作用为77-118MPa，沉淀强化作用为138-158MPa，晶界强化作用为36-64MPa。焊接后，焊缝金属中各种强化机制贡献量较母材都有不同程度的下降，其中位错强化和沉淀强化作用的减弱最为显著，与母材相比分别降低了61-96MPa和138-158MPa。焊缝金属位错密度的降低和次生Al3Er/Al3(Er、Zr)粒子的回熔是Al-Mg-Mn-Zr-Er合金TIG焊接头软化的主要原因。 Al-Mg-Mn-Zr-Er合金TIG焊接和激光焊接接头在N=107时的条件疲劳极限分别为117MPa和135MPa。与TIG焊接头相比，激光焊接头的疲劳寿命受应力幅的影响较小，在高应力条件下仍能保持较高的疲劳寿命。疲劳断口分析表明，TIG焊接头的疲劳源为近表面的气孔，激光焊接头的疲劳源为表面碳化物或氧化物夹杂。