用热电偶测量了异种合金铝合金AA和镁合金AZ摩擦点焊焊缝区域的热循环.doc

镁铝合金异种材料摩擦点焊过程中的热循环 摘要：用热电偶测量了异种合金铝合金AA5754和镁合金AZ31摩擦点焊焊缝区域的热循环。结果表明,由于焊接过程中快速加热和冷却，使焊缝处于一个非平衡状态。显微组织分析表明,晶粒结晶形态是受晶粒边界扩散、界面扩散和动态再结晶等因素影响的,这些因素使得铝合金AA5754和镁合金AZ31的焊缝中心出现等轴晶。 关键词:摩擦点焊，峰值温度，固相线温度,金属间化合物，扩散 摩擦点焊(FSpW),也称为填充搅拌摩擦点焊,是由搅拌摩擦焊接(FSW)延生拓展而来。FSPW通过一个点状搭接接头的配置，能够连接两个或两个以上的材料[1]。FSpW使用的工具可以重复使用，工具由三个独立的可移动的部件组成,包括两个旋转零件（套筒和销）,和一个固定夹紧环，过程如图1 所示。焊接时，旋转套筒和销分别向相反的方向运动，产生摩擦热。旋转套筒有导入塑性变形材料和摩擦产热作用。在摩擦热的作用下，材料产生塑性变形。套筒挤压软化后的材料，慢慢填补销移走后留下的空腔。然后旋转套筒和销回到材料表面，推动软化材料联合。最后,套筒和销从材料表面抽出。这种焊接方法形成的焊缝没有小孔。由于这种技术的优点,如产生的好机械性能和无小孔的表面[2、3],FSpW已成功运用于焊接铝或镁合金 [2、3]。现在大量的研究在做其用于铝合金和镁合金的焊接这方面。 一些研究已经表明，镁铝合金的异种材料摩擦焊连接会在焊缝中生成金属间化合物，比如Al12Mg17、Al3Mg2、Mg2Si 。为了弄清焊接过程中峰值温度对金属间化合物的形成过程影响，人们做了大量的研究。Sato et al. [4]，运用对镁铝合金的摩擦搅拌焊峰值温度的测量方法，得出结论：峰值温度应该在460C以上。如果焊缝中心的温度持续保持在460C以上，镁合金和铝合金之间密集交错的扩散，促进液相的形成。同时，Gerlich et al. [5]通过装在工具内的热电偶测得焊缝熔核的温度。研究表明，液态合金成分的形成在437C，这与固相线温度正好吻合。 目前的对AA5754和AZ31异种材料摩擦点焊接头部位热循环的测量，是通过安装在点焊工具中的热电偶来实现的。因为工具不会向焊缝中过渡材料，所以，工具和热电偶接触对热循环造成的影响可以忽略不计。 镁合金板和铝合金板的化学成分如表1所示。焊接时，采用直径14.5mm的夹紧环，直径9mm的套筒，直径6mm的销。在焊接过程中，铝合金板放在镁合金板上面。焊接参数包括工具转速1900转/分，套筒插入工件的深度1.6mm，夹紧力12kN，和保压时间2s，套筒上下运动的速度是0.8mm/s。焊接后期，为了使焊缝成形美观，套筒和销退回到工件表面时，需保持旋转状态1s。测温度时，为了保证所测数据的可重复性，分别测量了三个焊点的温度。两个K型热电偶镶嵌在铝合金板内，距离镁合金下平面大概2.5mm处，如图1所示。以50Hz的频率记录焊点温度值。为了进一步了解焊点内部的晶粒结构，人们进行了“stop action”。在这个实验中，控制焊接热循环停止在某一时期，然后，将冰水混合物倒在焊点处，相当于做了淬火处理。将试样在显微镜下观察，即可看到显微结构。 在进行显微组织分析时，首先沿焊缝中心将焊缝剖开，然后进行研磨和抛光。在光学显微镜和扫描电子显微镜下，配合能量X射线分光计，进行显微组织的分析。此外，带有完整的电子系统转换的TSL Delphi系统和电子散光系统可以用来识别这种晶粒结构处于哪一阶段。粉末衍射的数据是用来识别晶粒组织处于哪一阶段的。为了使测出的数据可靠，只有置信指数在0.1以上的晶粒才可以用来识别。相比之下，在焊缝表面中心区域，平均CI值在0.1以上的地方占总量的95%。 所有的测量焊接过程热循环的实验都得出了相似的结论，所以，在此不一一陈述，只列出一个具有代表性的数据，见图2。在第一阶段（套筒向下运动的阶段），温度迅速升至峰值温度（450C左右），然后又迅速冷却至370C左右。接着，温度再次上升，升到432C左右，又下降至412C左右。在第二和第三阶段（套筒上下旋转运动和销上下旋转运动阶段），温度上升至440C，但加热速率和冷却速率比第一阶段慢，这一点可以从图2中得出。虽然在第二阶段和第三阶段，材料流转的方向不一样，但热循环在这两个阶段是不变的。套筒运动时，销将软化的材料挤进。最后，在第四阶段(销和套筒都在焊缝表面旋转）完成之后，温度下降至室温。 淬火试样在低倍放大图片如图3a。一些材料被挤进销移走后留下的空腔内。在图上可以看到横穿焊缝中心的裂纹，这些裂纹是套筒在试样上移动过程中形成的，可能沿晶界开裂。图3b是图3a中矩形框部分的高倍放大图。从显微图可以看出，微观结构由两个组织A和B组成，A组织呈现灰色，而B组织为灰色和