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稀土镁合金NZ30K激光焊接及接头性能改善研究

作　者: 戴军
导　师: 吴毅雄; 黄坚
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金激光焊接时效析出微观组织腐蚀性能 NZ30K
分类号: TG456.7
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在镁合金工业化应用过程中，焊接接头质量是关键问题之一。论文研究镁稀土合金NZ30K与激光的相互作用机理；在非线性、大的温度梯度、快速加热冷却条件下，激光工艺参数对焊缝成形影响和对激光焊接接头组织的影响及变化规律；研究焊接接头焊接态，热处理态组织与性能之间对应关系，探讨其机理。研究成果不但具有重要的理论意义，同时解决了稀土镁合金保证焊接质量的技术难题，为工业化生产和应用提供了技术支撑。本文研究了CO₂激光与镁稀土合金NZ30K的相互作用机理，计算NZ30K合金表面对于入射激光的吸收率。利用光谱仪及高速摄影机采集并观察焊接过程中等离子体的谱线信号及等离子体形态，估算等离子体温度，分析镁稀土合金焊接过程中等离子体的特性。试验结果表明，常温下镁稀土合金对于入射CO₂激光的吸收率为0.036。使用高的激光功率，对镁合金表面进行毛化处理可以增加镁稀土合金NZ30K对于CO₂激光的吸收率。侧吹保护气体氦气流量对于激光等离子体的影响显著。对于内径6mm的侧吹气体喷嘴，等离子体温度随侧吹气体流量增加呈现先减少后增加的趋势，当气体流量30L/min时，对等离子体的冷却效果最好。研究了多个焊接参数（激光功率、焊接速度、离焦量等）对镁稀土合金焊接成形的影响。镁稀土合金NZ30K激光焊接过程中当热输入量过大时会在焊缝中心位置产生热裂纹。10mm镁稀土合金板材在实验条件下当热输入量超过160J/mm时则产生热裂纹。热裂纹主要是由镁稀土合金中在晶界偏聚的低熔点脆性物Mg12Nd和激光焊接时焊缝受到的拉应力共同作用引起的。采用高功率CO₂激光器通过合适的工艺参数焊接能够实现镁稀土合金NZ30K的良好连接，焊接接头表面成形连续致密，没有裂纹、气孔等缺陷。利用OM、SEM、TEM等手段分析镁稀土合金NZ30K激光焊接接头的微观组织并测试了接头的力学性能。揭示镁稀土合金激光焊接工艺参数、焊接接头组织及力学性能之间的对应关系。焊缝组织由大量细小等轴晶组成，晶界处主要为Mg12Nd，焊接接头无明显的软化区存在。当热输入量为84J/mm时焊缝强度达到母材强度的80%。未熔透和气孔是导致焊缝抗拉强度降低的主要原因。热处理对于镁稀土合金NZ30K激光焊接接头组织和性能具有重要的影响。采用不同的工艺参数对得到的焊缝组织进行热处理，利用透射电镜观察研究焊缝典型时效处理后的组织，并对不同热处理后的焊接接头力学性能进行测试，揭示焊缝中稀土析出相的时效析出过程及对焊接接头的强化机制。采用理论计算和实验结果相结合的方法研究了不同形貌析出物对于NZ30K激光焊接焊缝组织强化作用的大小。通过实验发现，焊缝时效处理后组织中有大量不同形貌的析出物。镁稀土合金NZ30K激光焊接焊缝时效沉淀析出过程应为Mg（SSSS）→G.P.区→β″(DO₁₉)→β′（fcc）。β″与基体形成共格界面，而β′与基体形成半共格界面。通过理论计算得到焊缝组织时效之后不同形貌析出物导致的强化作用的大小，它们的比值为△τ棱：△τ杆：△τ球：△τ片=3.57：3.14：1.86：1。对于镁稀土合金NZ30K激光焊接焊缝组织，在较高的析出相体积分数下，垂直于基面的棱柱面片状析出相的强化效果最好，而平行于基面的片状析出相强化效果最弱。析出物强化对于热处理后焊接接头强度的增加起主要作用，在200℃时效8小时后接头强度达到最大，抗拉强度可达273MPa，比未热处理的焊接接头强度增加了70%。采用浸泡腐蚀和电化学测试方法研究不同状态下的镁稀土合金NZ30K激光焊接焊缝组织的腐蚀性能，分析产生不同腐蚀速率的原因，建立NZ30K焊缝腐蚀机理模型，揭示稀土元素在提高NZ30K激光焊接焊缝组织耐蚀性能中的作用。实验结果表明，焊缝耐腐蚀性能优于母材的耐腐蚀性能。焊缝组织固溶处理和时效处理之后的耐腐蚀性能比未热处理的焊缝组织耐腐蚀性能好。镁稀土合金NZ30K激光焊接焊缝组织中由于稀土元素Nd的存在，增加了α-Mg相的耐蚀能力，同时由于焊缝组织中包含大量细小的等轴晶，晶界处连续分布的Mg12Nd相可以阻碍腐蚀过程的进行，降低整个焊缝组织的腐蚀速度。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-35
  1.1 课题的研究背景及意义  12-13
  1.2 镁合金的激光焊接研究现状  13-26
    1.2.1 镁合金焊接主要问题  13
    1.2.2 镁合金激光焊接  13-26
  1.3 镁合金及其焊接接头热处理  26-29
  1.4 镁合金及其焊接接头腐蚀性能  29-33
  1.5 研究内容  33-35
第二章实验材料及方法  35-41
  2.1 实验材料  35
  2.2 实验方法及设备  35-37
    2.2.1 激光焊接设备及热处理  35-36
    2.2.2 高速摄像及光谱仪  36-37
  2.3 显微组织测试  37-39
    2.3.1 金相观察  37
    2.3.2 物相分析  37
    2.3.3 扫描电镜组织及断口观察  37-38
    2.3.4 透射电镜组织分析  38-39
  2.4 性能测试设备及方法  39-40
    2.4.1 硬度测试  39
    2.4.2 拉伸性能  39-40
    2.4.3 腐蚀性能  40
  2.5 本章小结  40-41
第三章 NZ30K 激光焊接工艺研究  41-67
  3.1 高功率激光与镁合金相互作用  41-53
    3.1.1 镁合金对激光的反射和吸收  42-44
    3.1.2 镁稀土合金激光焊接等离子体分析  44-53
  3.2 工艺参数对焊缝成形的影响  53-59
    3.2.1 激光功率对焊缝成形的影响  53-55
    3.2.2 焊接速度对焊缝成形的影响  55
    3.2.3 激光离焦量对焊缝成形的影响  55-57
    3.2.4 侧吹气体流量对焊缝成形的影响  57
    3.2.5 背面保护气体流量对焊缝成形的影响  57-58
    3.2.6 热输入量相同情况下焊缝成形  58-59
  3.3 影响焊接熔深的主要工艺因素  59-61
  3.4 焊缝热裂纹的产生及防止  61-65
    3.4.1 焊缝裂纹实验结果  61-62
    3.4.2 焊缝裂纹产生机理分析  62-65
  3.5 本章小结  65-67
第四章 NZ30K 激光焊接接头组织及力学性能分析  67-89
  4.1 激光焊接接头组织  67-76
    4.1.1 激光焊接接头组织特征  67-74
    4.1.2 焊缝元素分布  74-76
  4.2 激光焊接接头力学性能  76-78
    4.2.1 激光焊接接头拉伸性能  76-77
    4.2.2 激光焊接接头硬度  77-78
  4.3 热输入对于接头组织及性能的影响  78-83
    4.3.1 热输入量对于接头组织的影响  79-82
    4.3.2 热输入量对于接头性能的影响  82-83
  4.4 镁稀土合金与常规镁合金焊接对比分析  83-87
    4.4.1 焊接接头组织对比  84-86
    4.4.2 焊接过程等离子体比较  86-87
  4.5 本章小结  87-89
第五章热处理对 NZ30K 激光焊接接头组织及性能的影响  89-118
  5.1 固溶处理和时效处理  89-92
  5.2 热处理接头组织  92-93
  5.3 时效析出分析  93-105
    5.3.1 200℃时效析出分析  93-101
    5.3.2 225℃时效析出分析  101-103
    5.3.3 析出相体积分数统计  103-105
  5.4 实验结果讨论  105-116
    5.4.1 析出相与基体的界面原子排列及形核率  105-110
    5.4.2 析出相强化效果理论计算及实验结果  110-116
  5.5 本章小结  116-118
第六章 NZ30K 激光焊接接头腐蚀性能  118-136
  6.1 浸泡腐蚀试验结果及分析  118-125
    6.1.1 浸泡腐蚀试验结果  118-119
    6.1.2 试样浸泡腐蚀形貌及腐蚀产物  119-125
  6.2 电化学腐蚀测试结果  125-127
  6.3 NZ30K 激光焊接焊缝组织腐蚀机理及稀土元素的影响  127-135
    6.3.1 NZ30K 合金腐蚀热力学及动力学  127-131
    6.3.2 焊缝组织中α-Mg 腐蚀界面模型及稀土的影响  131-133
    6.3.3 焊缝组织中 Mg12Nd 腐蚀界面模型及稀土的影响  133-135
  6.4 本章小结  135-136
第七章结论及创新点  136-139
参考文献  139-148
读博期间发表或已接受的论文  148-149
致谢  149-152

稀土镁合金NZ30K激光焊接及接头性能改善研究

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