镁-钢无匙孔搅拌摩擦点焊关键技术及接头结合机理研究

Concerning the high-speed development of the automobile, aerospace and other industries,issues focused on magnesium and steel welding needs to be solved around the globe.Due to the remarkably difference in physical properties of magnesium and steel,immiscible ,conventional fusion welding method is unable to achieve secure connection. As for friction stir welding, the connection is accomplished in solid state. Free key hole friction stir spot welding,designed by our research group, is able to achieve lap joint connecion of AZ31B magnesium alloy and DP600 galvanized steel. In the process of magnesium steel solid welding, bonding type and requirements in bonding controll was investigated in this study.By means of the completion of following works, theoretical foundation is established for practical application in magnesium - steel friction stir spot welding without a key hole :①the research for new key hole friction stir spot welding and special devices make the practical application for magnesium - steel friction stir spot welding practical possible; ②temperature field model during welding process was established by the combination of experimental measure and simulation ; ③Influence factors in mechanical bonding joint and influence of the seize of stirred magnesium steel pieces for joint properties were discussed; ④the factors that contribute the diffusion of ally elements in megnesium-steel interface during welding process was confirmed.

随着汽车、航空航天等行业高速发展的需要，异种金属镁与钢的焊接已成为国内外共同关注并且急需解决的问题，由于镁与钢不互溶且各自物理性能的过大差异，常规熔化焊方法难以实现它们的牢固连接。鉴于搅拌摩擦焊是在被连接材料的固态下完成，本课题组拟自行设计无匙孔搅拌摩擦点焊装置实现AZ31B镁合金与DP600镀锌钢板的优质搭接。在对镁-钢固相焊接的实施过程中，研究这种连接的结合方式以及控制这种结合方式的条件。通过以下工作的完成，将为镁-钢无匙孔搅拌摩擦点焊的实用化奠定理论基础：①新型无匙孔搅拌摩擦点焊方法及专用装置的研究，为镁-钢搅拌摩擦点焊的实用化创造条件；②采用实测与模拟相结合的方法完成焊接过程中接头温度场模型建立；③接头中实现机械结合影响因素以及在该方式中钢与镁被搅动后的碎块的大小对接头性能的影响程度的研究；④焊接过程中影响合金元素向镁-钢界面两侧扩散的主要因素的确定。

随着汽车、航空航天等行业高速发展的需要，异种金属镁与钢的焊接已成为国内外共同关注并且急需解决的问题，由于镁与钢不互溶且各自物理性能的过大差异，常规熔化焊方法难以实现它们的牢固连接。鉴于搅拌摩擦焊是在被连接材料的固态下完成，本课题组自行设计无匙孔搅拌摩擦点焊装置实现AZ31B镁合金与DP600镀锌钢板的优质搭接，在三年的研究工作中，进行并完成了以下研究工作：①设计新型无匙孔搅拌摩擦点焊方法并制造完成立式四柱型无匙孔搅拌摩擦焊机，成功实现了镁钢的无匙孔搅拌摩擦点焊连接；②通过大量试焊，确定了应用最广泛1mmDP600镀锌钢板与2mmAZ31B镁合金无匙孔搅拌摩擦点焊最优工艺参数；③采用实测与模拟相结合的方法建立了焊接过程中接头温度场模型；④借助SEM、TEM及EPMA对接头的微观组织进行观察分析并结合接头截面宏观形貌观察与接头抗剪切力学性能数据，提出并确认了镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头独特的连接方式，即机械连接与冶金结合相耦合并共同作用于接头的连接方式；⑤通过实验数据计算与分析得出机械连接在镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头中起决定作用，其连接强度占接头总强度比例的75.2%—86.76%，两种金属间的元素扩散主要局限于母材中微量的合金元素与镀锌层反应，生成金属化合物与复合氧化物对机械连接起到辅助增强作用，主元素间只发生分子漫扩散，厚度大致为2μm，主元素间不直接形成化合物。⑥进行接头微观组织观察与断裂行为分析，模拟焊接过程接头塑性金属的流动并进行热-力耦合分析，进一步了解焊接过程中接头塑性金属的流动过程、接头的形成机制与组织的演变过程。以上研究结果中，专用点焊装置的设计制造、最优工艺参数的试定使得镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊这一关键技术得以实现，之后各项试验分析结果，揭示了镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头的结合机理，为镁-钢无匙孔搅拌摩擦点焊的实用化奠定理论基础。