镁镁和镁钢电阻点焊接头的形成机理及力学性能

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1、国内图书分类号：TG453.9学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学博士学位论文镁/镁和镁/钢电阻点焊接头的形成机理及力学性能博士研究生：刘磊导师：周运鸿教授副导师：冯吉才教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2011年11月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG453.9U.D.C:621.791DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringJOINTFORMATIO

2、NMECHANISMSANDMECHANICALPROPERTIESINRESISTANCESPOTWELDINGOFMg/MgANDMg/STEELCandidate：LeiLiuSupervisor：Prof.YunhongZhouCo-supervisor：Prof.JicaiFengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMat

3、erialsScienceandEngineeringDateofDefence：November,2011Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要由于原油成本升高和温室气体排放的限制，高比强度的镁合金将在十年之内大量应用于汽车工业。我国的镁合金产能占全球80%以上，加大镁合金的开发及利用对我国经济有重要的战略意义。目前汽车中大多使用铸造单件镁合金，实现由镁合金组装成的子系统将大幅度增加镁合金的应用。为了实现子系统级应用，

4、镁/镁(Mg/Mg)和镁/钢(Mg/steel)的焊接是关键技术。电阻点焊因其成本低、工艺简单成为汽车行业最主要的焊接方法。本文将采用电阻点焊对以上问题展开研究。本文分为四部分。第一部分通过研究镁合金表面状态对接触电阻、接头强度、气孔和飞溅敏感性、电极磨损等的影响，确定了优质的、统一的表面状态，为后续章节的研究奠定了基础。本文选用两种成分相同(AZ31)，制造工艺不同的镁合金（AZ31-SA为压铸，AZ31-SB为双辊铸轧）。AZ31-SA和AZ31-SB表面反应层的厚度不同，导致其接触电阻不同。高的接

5、触电阻所需的形核电流较低，但接触电阻过大会引发飞溅，增加熔核中的气孔。经过酸洗，AZ31-SA和AZ31-SB的接触电阻大大降低且变得一致，点焊接头的强度明显升高。酸洗同样有助于降低电极粘损，提高电极寿命。因此对以下使用的镁合金均进行了焊前酸洗。第二部分通过对比化学成分相同但二次相颗粒尺寸不同的镁合金的熔核组织，提出并验证了微米级Al-Mn颗粒对镁合金焊接组织的异质形核的作用，并提高了点焊接头的断裂韧性。AZ31-SA和AZ31-SB熔核组织的CET有较大差别：AZ31-SA的柱状树枝晶较短，细小，且C

6、DZ(columnardendritezone)宽度较短；AZ31-SB的柱状树枝晶较长，晶粒尺寸粗大，且CDZ宽度较长。这种差别造成了AZ31-SA镁合金焊点的断裂韧性比AZ31-SB高。两种母材中的Al-Mn二次相颗粒尺寸的不同是造成CET差别的主要原因。亚微米和纳米级的Al-Mn颗粒均存在于两种镁合金中，但是微米级的Al-Mn颗粒只在AZ31-SA中存在。这些存在于母材中的微米级Al-Mn颗粒在-Mg结晶凝固时起到了异质形核质点的作用。为了进一步证实此结论，通过焊前热处理粗化了AZ31-SB母材

7、中Al-Mn二次相粒子，使其尺寸从亚微米变为微米级。试验发现焊前热处理的AZ31-SB熔核的CET位置提前，CDZ宽度变窄。此意义在于：（1）对镁合金而言，在母材中加入微米级的Al-Mn颗粒能提高其焊接性；（2）对结晶理论而言，焊接条件下（快速冷却）对孕育剂与基体的晶格匹配要求没有铸造高，因为Al-Mn颗粒与-Mg的晶格错配度相对较大。焊接参数对CET也有很大影响。焊接电流的增加能够减少镁合金熔核中CDZ-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文的宽度。当电流达到临界值时CDZ消失：AZ31-SA的转变电流

8、为24kA，AZ31-SB电流为28kA。AZ31-SA和AZ31-SB镁合金点焊接头的断裂韧性均与CDZ的宽度呈反比，这进一步证实了柱状树枝晶组织能降低镁合金的断裂韧性。第三部分在晶体学分析的基础上，设计了半共格纳米过渡层界面连接不互溶系统，获得的Mg/steel异种点焊接头的静态拉剪强度高于95%Mg/Mg接头强度；发现了镀锌层在焊接中起到了“清洗”和“密封”的作用。Mg-Fe为不互溶系统，这种不互溶性造成Mg-Fe界面原子尺度的突变。