Sc、Zr的复合添加对Al-Mg合金焊接接头微观组织及力学性能的影响

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在汽车等领域的轻量化研究中,铝合金有着巨大的潜力和优势。焊接是铝合金常用的材料连接技术之一,但是由于铝合金的表面易氧化、线膨胀系数大等缺点,焊接接头的性能还有待提高。在铝合金中复合添加Sc、Zr进行微合金化,是提高其焊接性能的一个非常有效的方法。对此,本文向Al-Mg合金中添加微量的Sc、Zr,通过熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)和搅拌摩擦焊(FSW焊)两种焊接方式,探究Sc、Zr的复合添加对MIG和FSW焊接接头的微观组织和力学性能的影响。研究结果表明:(1)MIG焊接接头左右两边对称。焊缝区为典型的铸态组织,是MIG焊接接头力学性能最薄弱的地方。MIG焊接接头的热影响区范围随着Sc含量的增加而缩小,在合金中添加0.05wt.%Sc时软化区就已经缩小得非常明显。由于MIG焊熔池的平均温度较高,Al3(Sc,Zr)固溶入铝基体中,难以析出,因此在MIG焊缝区并未起到明显的弥散强化效果。对MIG焊接接头在250°C、300°C时分别保温24h,通过对焊缝区的TEM分析可知,经过保温后Al3(Sc,Zr)析出程度提高,提高了焊缝区的硬度。(2)FSW焊接接头呈“漏斗状”,左右两边并不对称。焊核区为细小的等轴晶组织,热机影响区为FSW焊接接头力学性能最薄弱的地方。Sc、Zr的复合添加抑制了FSW的热影响区范围,大幅减小了软化区。由于FSW焊核区的峰值温度相对较低,为合金熔点的0.7-0.9倍,焊缝区的Al3(Sc,Zr)不需要通过焊后热处理就可以较好的析出,起到了弥散强化的作用,从而提高了FSW接头的强度和硬度。(3)在热影响区,FSW焊的Sc、Zr抑制再结晶的效果要优于MIG焊,因此FSW焊的软化区比MIG焊窄。相同Sc含量的FSW焊核区平均晶粒尺寸远小于MIG焊缝区,且FSW焊核区的硬度、强度、延伸率、焊接系数均高于MIG焊缝。Sc、Zr的复合添加对FSW焊核区硬度、抗拉强度、屈服强度的提升更为显著。
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