基于活性炭粉热输入、晶粒度双调控作用下AZ91镁合金点焊接头组织与性能改善研究（参考） (1).docxVIP

基于活性炭粉热输入、晶粒度双调控作用下AZ91镁合金

点焊接头组织与性能的改善研究

1、研究背景及意义

镁合金是密度最低的两种金属结构材料，在汽车、航空航天、电子等多个领域有这广阔的应用前景。当前，镁合金的焊接多采用TIG、MIG焊接工艺，由于TIG和MIG热输入量大，加之铝合金、镁合金化学性质活泼、熔点低、导热率大和线膨胀系数大等因素，容易导致焊后气孔、接头软化、合金元素蒸发与烧损、易产生裂纹等问题，如能降低热输入并实现高质量焊接可显著规避上述铝合金、镁合金焊接存在的问题。电阻焊其焊接速度快、焊接变形小、操作简便、成本低等优点，成为了汽车制造中（如车身板、车门、引擎舱盖等部件的焊接）钢铁材料焊接最常用的方法之一。从节能、环保等角度讲，汽车轻量化是汽车行业发展的主要趋势之一，增加汽车中有铝合金、镁合金的使用量是实现轻量化的必经之路。

镁合金的电阻焊前期研究表明：镁合金等有色金属时，因其导电性好、化学性质活泼，会导致喷溅与飞溅严重，焊点质量较差、熔核区尺寸波动大、熔核区易产生缺陷和电极寿命短的问题。解决镁合金的电阻焊存在的问题是电阻焊在有色金属焊接领域应用的核心问题。综合考虑电阻焊工艺的特点以及汽车、航空航天等领域轻量化的要求，深入研究镁合金电阻焊意义重大。

2、主要创新之处

（1）利用活性炭的微晶堆积是无序性，增加AZ91镁合金板间界面电阻，在较低的焊接电流条件下提供足够的热输入，减少飞溅和熔核区缺陷、提高电极寿命；

（2）在熔核区内，活性炭粉与Al元素反应生成Al4C3，Al4C3是良好的晶粒细化剂，可起到晶粒细化效果，大幅度提高AZ91电阻点焊的焊接强度。建议采用低的电阻焊电流输入，通过添加剂提高界面电阻的方式改善电阻焊接头性能和改善飞溅、熔核区缺陷、电极寿命低等问题。

实验内容与方法

3.1实验材料

实验选用尺寸2mm厚的AZ91镁合金板材作为电阻点焊的焊接母材，A代表金属铝Al，Z代表金属锌Zn，9代表铝的含量约为9%，1代表锌的含量为1%，其含量成分可见表1。

表1AZ91镁合金的化学成分含量（wt.％）

名称

Mg

Al

Zn

Mn

Si

AZ91

余量

8.5-9.5

0.45-0.90

0.17-0.4

=0.05

3.2实验流程

实验方案流程图如图1所示。

图1实验方案流程图

首先将将四块AZ91镁合金板材加工成所需要尺寸的板材，然后进行焊前预处理，用400#和2000#的砂纸将板材上的氧化膜去除，超声波清洗器清洗表面的油污和粉尘。将活性碳粉和无水乙醇质量比为1:2、1:3、1:4的混合溶液，将溶液充分摇匀，分别用药匙挖取一勺后倒在焊接试样接触区域中心。等待其扩散干燥后通过电阻点焊将两块板完成连接，焊接电流为18kA，电极压力2.748kN，电极尺寸15mm，焊接时间18cycle。

焊后观察焊核区微观组织、然后进行拉伸实验，将拉伸后的断口进行进行扫描电镜观察，对比分析活性炭粉对AZ91电阻点焊微观组织和力学性能的影响。

3.3实验方案

3.3.1焊板机加工

在第三方机械加工企业将AZ91镁合金加工成尺寸为60mm×30mm×2mm的板材。板材的形状大小如图2所示:

图2机械加工后的板材

3.3.2打磨和清洗

镁合金容易氧化，为了不影响实验的准确性，应在焊接前，通过机械或化学等方法将氧化膜去除掉。本实验采用的机械的方法去除氧化膜—砂纸打磨。

将机加工好的AZ91镁合金首先用400#砂纸打磨，再用2000#砂纸打磨去掉镁合金表面的氧化膜。然后用KQ-100VDE型双频数控超声波清洗器进行清洗，为后续焊接工艺过程做准备。超声波清洗器如图所3所示。

图3KQ-100VDE型双频数控超声波清洗器

3.3.3电阻点焊

将超声波清洗后的试件进行电阻点焊焊接，本实验使用了DTM-200电阻点焊机，此焊机控制线路设计精确，且抗干扰能力强，接头焊接质量稳定可靠，针对AZ91镁合金板材的物理性能，实验电流设置为18kA，电极电压设置为2.748kN，电极尺寸为15mm,焊接时间设置为18cycle，将同种状态的焊接小板两两焊在一起。电阻点焊机如图4所示。电阻点焊搭接示意图如图5所示。

图4DTM-200中频直流点焊机图5电阻点焊搭接形式及拉伸示意图

3.3.4拉伸实验

将活性碳粉和无水乙醇质量比为1:2、1:3、1:4点焊完成的试样分别进行拉伸试验，拉伸实验选用的是WDW-100型微机控制电子式万能试验机，如图6所示。

图6WDW-100型高温拉伸试验机

3.3.5金相试样制备及显微分析

将拉伸后的小板的焊点截面切去一半，进行镶嵌处理，镶嵌完成的试样如图7所示，然后将试样切割成方框状，以便进一步打磨，然后进行抛光处理，待到试样在金