AlN增强镁基复合材料等离子弧焊原位焊接成形及性能控制的基础研究

The arc-welded research of magnesium matrix composites continuously focuses on welding technique and joint performance with some success. However, large-scale application of this composite is limited resulting from the absence of theoretical model for the relationship between various welding factors and welding quality, which leading to the impossibility of welding seam quality control. This program aims to research weld forming and quality control of magnesium matrix composites. AlN/AZ91 magnesium matrix composites are processed by nitrogen argon plasma arc in situ welding. Welding arc and molten pool are considered as detection object together and welding parameters and gas mixture ratio are set as control parameters in order to research the relationship between detection object, control parameter, molten pool fluidity and arc force, and establish control model for weld forming and control parameters; the influences of testing parameters on the thermodynamics and kinetics of form and distribution of AlN particles are researched in order to establish the mathematical model for distribution reinforced particle and control parameters and then establish the model for joint property prediction and control eventually. Related research techniques and results can be used to guide magnesium matrix composites welding, applied into forming and quality control of magnesium matrix composites and extended to form control of mixed gas arc welding.

镁基复合材料的弧焊连接一直以来专注于焊接工艺和接头性能研究，已经取得一定的成效，由于没有建立其焊接过程的各因素与焊接质量的理论和模型而不能进行焊缝成形和性能控制，限制了其较大规模的工业应用。本项目的研究目标和方向就是研究镁基复合材料焊接成形与性能控制的基础。以AlN 颗粒增强AZ91复合材料为研究对象，采用氮氩混合气体等离子弧原位焊接方法，将焊接电弧和熔池一起作为视觉检测对象，将焊接工艺参数、混合气体配比等因素作为控制参数，研究检测对象、控制参数、熔池流动性、电弧力等因素的相互关系，建立焊接成形与检测参数的控制模型；研究检测参数对增强颗粒AlN生成和分布的热力学与动力学影响规律，建立增强颗粒分布与被控参数的数学模型，最终建立接头性能预测与控制的模型；相关研究技术和成果可以用于指导镁基复合材料的焊接，应用到镁基复合材料弧焊的成形和性能控制，并可推广到混合气体弧焊的成形控制。

镁基复合材料由于具有低的密度、高的比强度、比模量以及良好的耐磨性能和减震性等优异的综合性能而被誉为 21 世纪最具有竞争力的绿色工程材料之一，应用前景非常广阔。然而，任何先进的材料只有被加工成构件后才具有真正的使用价值，焊接作为构件形成必不可少的手段之一，几乎在镁基复合材料研究开发的同时也成为各国研究的一大热点，传统镁基复合材料的弧焊连接多专注于TIG焊接工艺及接头性能研究，但由于其功率小接头强度低以及尚未建立焊接过程各因素与焊接质量性能预测理论模型，进而限制了镁基复合材料较大规模的工业应用。 .本项目以镁基复合材料焊接成形与性能控制为基础，以 AlN 颗粒增强AZ91D复合材料为研究对象，采用氮氩混合气体等离子弧原位焊接方法，通过项目的执行完成了采用CCD传感器并设计了合适的光路系统实现同时同幅获取焊接电弧和熔池的图像，使之能获得良好电弧和熔池焊缝图像数据；研究完成了AlN/AZ91D镁基复合材料等离子弧焊焊接接头组织原位增强颗粒生成数量形貌及分布特点，综合分析不同等离子弧焊工艺参数下AlN/AZ91D镁基复合材料显微组织结构变化规律；进行了镁基复合材料等离子弧焊焊缝组织基体α-Mg晶粒细化机理研究；基于前期实验探索开发了一种新型等离子弧加丝原位焊接镁基复合材料的方法，优化了等离子弧加丝原位焊接镁基复合材料的焊接工艺；研究完成了等离子原位焊接镁基复合材料焊缝组织电化学腐蚀行为与腐蚀机理。.在上述工作的基础上，发表学术论文11篇，其中7篇为SCI源刊，3篇为EI源刊；1篇SCI源刊录用待发表（2020年6月见刊出版）；受理国家发明专利3项；培养硕士研究生4名；研究人员参加学术会议 4次。通过项目的实施，圆满完成预期研究目标。