压铸态AZ91D镁合金搅拌摩擦焊焊缝材料塑性流动行为研究

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压铸镁合金是目前实际工程应用镁合金的主要组成,但严重的熔焊气孔倾向一直制约着其在工程应用的进一步拓展,搅拌摩擦焊接(FSW)技术被认为是解决该问题的有效工艺途径。FSW中,由于焊接过程金属塑性流动的不可见性,理论研究极为困难,目前对于焊缝金属的塑性流动机理还没形成统一的认识,使得搅拌头设计和焊接工艺优化只能通过大量试错实验加以解决。因此,开展有效分析压铸镁合金FSW焊缝材料塑性流动行为的实验方法,掌握焊缝成形规律,对于推广搅拌摩擦焊在压铸镁合金上的应用,有着重要的理论和实践意义。本文以4mm厚的压铸态AZ91D镁合金为研究对象,采用标识材料示踪法对其搅拌摩擦焊焊缝材料塑性流动行为进行探究,并在此基础上分析内部隧道状缺陷的形成机理,研究结果如下:①焊缝组织在水平和厚度方向具有差异性,因此,焊缝材料的塑性流动具有“三维不对称性”。焊缝材料同时发生了水平和厚度方向的两种流动:厚度方向上,发生至上而下,再至下而上的环形流动,但流动趋势并不明显,是一个次要流动。水平方向上,在同一厚度处,前进侧和返回侧材料流动模式不同,水平方向的材料流动关于焊缝中心不对称,本文建立了可以较好解释该实验现象的二维水平流动物理模型;在不同厚度处,随着距离焊缝上表面距离的增加,焊缝材料水平方向流动的最远距离逐渐降低,这是由于焊缝厚度方向温度梯度和热塑性材料所受驱动模式不同造成的。焊缝材料的水平流动直接影响焊缝成形质量,在整个焊缝材料的塑性流动中占主导地位。②焊接速度和旋转速度的比值(v/n)对焊缝中部材料的水平流动具有重大影响:随着v/n的增大,焊缝材料沿着焊接方向向前流动的量增大,向前流动的剧烈程度也增大;相反的,随着v/n的增大,焊缝材料沿着焊接相反方向向后流动的数量和剧烈程度都反而变小。③焊接工艺选择不当,会导致焊缝中产生隧道状缺陷,当v/n小于0.1时,焊缝内部完好无缺陷;当v/n大于0.1时:宏观上,焊接过程产热不足,焊接线能量过低,焊缝中塑性状态的金属体积太少,微观上,由于焊缝中部前进侧塑性材料所受“搅拌针驱动”使其流动产生“分层”现象,以及大量材料的向前流动,导致后方孔洞无法及时填充,所以隧道状缺陷在此萌发。随着v/n的增加,隧道状缺陷也随之变大,并有向焊缝底部蔓延的趋势。
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