超声辅助过渡液相连接Al/Mg接头形成机制及微观组织研究

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铝、镁及其合金因具有密度小、强度高、可加工性好等性能而被广泛应用于现代制造业中。实际生产中必然涉及两者的广泛交叉使用。Al/Mg异种材料焊接的瓶颈在于易产生Al-Mg系金属间化合物(IMCs)。超声辅助过渡液相连接不仅可以利用低温共晶反应实现连接,而且结合声空化效应去除氧化膜和加速母材及中间层的溶解、扩散、反应,从而实现大气环境下较低温度的焊接。为避免Al3Mg2、Al12Mg17的产生,本文采用该方法并利用纯Zn作为中间层进行Al/Mg异种合金的焊接。  首先,对Mg/Zn/Mg接头的组织和形成机制进行研究,结果发现接头由Mg+MgZn共析组织、MgZn2固态化合物及薄层MgZn构成。化合物危害性由大到小依次为MgZn2、MgZn、Mg+MgZn,因此典型接头在MgZn2层发生脆性断裂。焊接参数对接头微观组织的影响基本呈规律性变化,主要表现为焊缝宽度、MgZn2层厚度。随焊接温度、超声时间增加,焊缝宽度和MgZn2层厚度均减小;随中间层厚度增加,焊缝宽度和MgZn2层厚度均增加;随超声功率增加,焊缝宽度先增加后略减小,而MgZn2层厚度逐渐减小;随焊接压力增加,焊缝宽度先增加后减小。Mg+MgZn共析组织是由Mg、Zn依次发生共晶、共析转变形成,MgZn2是靠固态扩散形成的化合物。接头主要断在MgZn2层、MgZn2和Mg+MgZn层(混合型断裂)、Mg+MgZn层,对应强度分别为30.0MPa、37.9MPa、39.4MPa。  其次,对Al/Zn/Al接头的组织和形成机制进行研究,结果发现焊缝主要由Al-Zn共晶组织、α-Al、β-Zn组成。焊接参数对接头微观组织的影响基本呈规律性变化,主要表现在焊缝宽度。随超声功率、焊接温度、焊接压力、超声时间的增加,焊缝宽度减小;而随中间层厚度的增加,焊缝宽度增加。焊缝靠Al-Zn共晶反应形成共晶液相和超声加速母材及中间层的溶解、反应及扩散,最终在焊缝两侧形成较多的α-Al,并向焊缝中心生长。  最后对Al/Zn/Mg接头的组织和形成机制进行研究,结果发现成功避免了Al3Mg2、Al12Mg17。焊缝主要由弥散分布极小尺寸Al-Zn共析组织的MgZn2和Mg+MgZn共析组织构成,同时也有少量MgZn、Al-Mg-Zn三元化合物生成。焊缝中MgZn2的危害性大于Mg+MgZn,接头断裂属于脆性断裂。焊接参数对接头微观组织的影响呈现一定的规律性,主要表现在焊缝宽度和MgZn2厚度。随超声功率、焊接压力、超声时间的增加,焊缝宽度和MgZn2宽度均减小;随中间层厚度的增加,焊缝宽度和MgZn2宽度增加。随焊接温度的增加,焊缝中MgZn2逐渐减少,直至完全消失。镁母材侧焊缝靠Mg、Zn发生共晶反应产生共晶液相形成连接,而铝母材侧焊缝靠Al、Mg、Zn三组元在一定温度下发生固态扩散反应形成连接;接头主要断在MgZn2和Mg+MgZn层(混合型断裂)、MgZn2层、Al-Mg-Zn化合物薄层,对应的接头强度分别为24.6MPa、15.8MPa、10.9MPa。因此,Al-Mg-Zn化合物的危害性大于MgZn2。
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