1、 分类号： 学校代号：10150UDC： 密级： 学 号：20102203硕 士 学 位 论 文AZ31 镁合金、5083 铝合金焊接工艺及接头力学性能研究Study on welding technology and joint mechanical properties of AZ31 magnesium alloy and 5083 aluminium alloy学生姓名： 吕建刚导师及职称：李瑞淳 教授级高工史春元 教授权高峰 教授学科门类： 工学专业名称： 材料加工工程研究方向： 轨道交通运输装备轻量化申请学位级别： 硕士论文答辩日期： 2013 年 06 月 06 日学位授予单位：
2、 大连交通大学摘 要I摘 要铝合金已经在轨道交通装备中得到了广泛的应用。随着轨道列车的不断提速，对现代轨道装备轻量化要求不断提高。熔焊技术目前还是中国国内近期轨道列车的主导连接工艺，但是铝合金车体的焊接工艺稳定性仍然存在问题，质量时有波动，严重影响合格率，对轻量化列车的发展造成了一定困难，寻找熔焊的替代技术成为新的探索目标，另外寻找比铝合金更轻的轻合金材料应用于轨道列车的制造中成为了新的探索方向。镁合金被称为21世纪的“绿色结构材料” ，具有较高的比强度、比刚度、可再生循环等一系列优势，已经被广泛的应用于航空航天，汽车，3C等领域，但是在轨道交通运输装备上的应用却刚刚起步。因此，有必要采用新的
3、焊接方法替代熔焊技术，对比研究镁合金与轨道交通车辆常用铝合金焊接接头的安全可靠性。本文研究了 AZ31 镁合金与轨道交通列车常用铝合金 5083 的 FSW 和 MIG 力学性能和 FSW 焊接接头疲劳行为，并对焊接周期成本进行了分析评价。得出了以下结论：力学性能试验结果表明，FSW 焊接技术可以替代 MIG 焊接技术应用于 AZ31 镁合金和 5083-H111 铝合金的焊接过程，5083-H111 焊接接头的安全可靠性优于 AZ31 镁合金。厚度为 6mm 的 AZ31 镁合金轧制板，采用 FSW 在焊接转速 1200 r/min、焊速为100 mm/min 时焊接接头力学性能较佳，其抗拉
4、强度为 240MPa，达到母材的92.3%。 6mm 厚 5083-H111 铝合金轧制板，采用 FSW 在焊接转速 800 r/min、焊速为200 mm/min 时焊接接头力学性能较佳，其抗拉强度为 318MPa，达到母材的 99.4%。疲劳试验结果表明，5083-H111 铝合金与 AZ31 镁合金轧制板较佳 FSW 工艺条件下疲劳强度与其母材强度相当，分别约为 135MPa 和 110MPa。镁合金对加载应力更敏感，随着应力水平的增加，疲劳寿命迅速降低。在断口中也发现镁合金疲劳裂纹扩展的条带较铝合金宽，并且镁合金为脆性疲劳条带。铝合金为韧性疲劳条带。对疲劳断口的分析发现近表面的第二相粒
5、子容易成为疲劳源，高应力水平状态下会出现多个疲劳源。本文定义了焊接周期成本（WCC） ，建立了焊接周期成本评价（ WCCA）模型，以 AZ31 镁合金与 5083-H111 铝合金焊接为例分别进行了成本和可靠性评价。 结果表明，FSW 可以替代 MIG 应用于轨道列车的焊接； 5083-H111 铝合金的焊接接头可靠性高于 AZ31 镁合金；在强度满足工程设计强度时，AZ31 板材也可替代 5083-H111 板材应用于轨道列车上。大 连 交 通 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文II关键词：镁合金；铝合金；焊接技术；疲劳行为；WCCA 摘 要IIIAbstractAluminum all
6、oy has been widely used in the rail transportation equipment. With the speeding-up of the train track, the demands of modern rail equipment lightweight are continually increasing. Recently, fusion welding technique is still the main dominant connection technology in rail trains at China, but the alu
7、minum alloy bodywork welding process stability are still problems, when there are fluctuations in the quality, seriously affect the pass rate, caused some difficulties in the development of lightweight trains. Looking for a new alternative technologies and lighter materials become the new exploratio
8、n target. However, magnesium alloy is known as the 21st century green structural materials with high specific strength, stiffness, renewable cycle and a series of advantages. Magnesium alloy has been widely used in the aerospace, automotive, 3C, and other fields. But the track transportation equipme
9、nt has just started. Therefore, it is necessary to adopt a new welding method alternative to fusion welding technology; comparative study of the safety and reliability of magnesium alloy welded joints with rail transit vehicles commonly used aluminum alloy welded joint.In this paper, the AZ31 magnes
10、ium alloy and rail transit train commonly used aluminum alloy 5083 is the studying materials. Studying the FSW and MIG welded joints mechanical properties, FSW welded joints fatigue behavior, and Welding life cycle cost evaluation analysis. Reached the following conclusions:The test results show tha
11、t the mechanical properties of the FSW welding technology can replace MIG welding technology for the safety of the welded joints of AZ31 magnesium alloy and aluminum alloy 5083-H111 welding process. 5083-H111 FSW welded joints reliability better than AZ31 magnesium alloy. The mechanical properties o
12、f 6mm rolled AZ31 magnesium alloy plate FSW welded joints at the rotation speed of 1200 r/min and the welding speed of 100 mm/min is better than other welding parameters. Its tensile strength is 240MPa and reached 92.3% to the base metal. The mechanical properties of 6mm rolled 5083-H111 aluminum al
13、loy plate FSW welded joints at the rotation speed of 800 r/min and the welding speed of 200 mm/min is better than other welding parameters. Its tensile strength of 318MPa and reached the base metal of 99.4%.The fatigue test results of 5083-H111 aluminum alloy and AZ31 magnesium alloy plate FSW compa
14、ratively good welded joints show that the fatigue strength is better equivalent to the parent material approximately 135MPa and 110MPa. Magnesium alloy is more sensitive to loading stress. As the stress level increases, the fatigue life dropt rapidly. Its found that the fatigue strips of magnesium a
15、lloy are wider than aluminum alloy. The fatigue strips of magnesium alloy are brittle. The fatigue strips of aluminum alloy are toughness. Analysis of 大 连 交 通 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文IVfatigue fracture found that the second-phase particles near or at the surface easy to become a fatigue source. State of
16、high stress levels can find many fatigue sources.This paper defines the welding cycle cost (WCC), established the welding cycle cost evaluation model (WCCA). What an example to AZ31 magnesium alloy and 5083-H111 aluminum alloy welding for cost and reliability evaluation. The results show that: FSW c
17、an substitute MIG welding applied to track trains. 5083-H111 aluminum alloy welded joint is more secure than AZ31 magnesium alloy. AZ31 sheet can substitute 5083-H111sheet applicant on the track when its strength can satisfy the design request.Key Words：Mg alloy; Al alloy; Welding technology; Fatigu
18、e behavior; WCCA目 录V目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .IV第一章 绪 论.11.1 研究背景及现状.11.1.1 镁合金、铝合金与轨道交通装备轻量化.11.1.2 轨道列车焊接技术的发展.21.1.3 焊接接头的疲劳失效.51.1.4 生命周期评价与环境及可持续发展.61.2 研究意义及内容.7第二章 试验材料、方法及设备.92.1 试验材料.92.2 试验方法及设备.102.2.1 焊接工艺试验及设备.102.2.2 X 射线探伤 .112.2.3 显微组织分析.112.2.4 常规力学性能试验.122.2.5 残余应力测试.142.2.6 微型剪切试验
19、.152.2.7 疲劳试验.162.2.8 断口形貌观察.16第三章 AZ31 镁合金焊接工艺及力学性能 .173.1 AZ31 镁合金 FSW 焊接工艺及力学性能 .173.1.1 焊接工艺参数选择.173.1.2 X 射线探伤结果与分析 .173.1.3 显微组织分析结果与分析.183.1.4 常规力学性能试验结果与分析.203.1.5 残余应力试验结果与分析.263.1.6 微型剪切试验结果与分析.273.2 AZ31 镁合金 MIG 焊接工艺及力学性能 .28大 连 交 通 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文VI3.2.1 焊接工艺参数选择.283.2.2 X 射线探伤结果与分析
20、.283.2.3 显微组织分析结果与分析.293.2.4 常规力学性能试验结果与分析.313.2.5 残余应力试验结果与分析.353.2.6 微型剪切试验结果与分析.363.3 AZ31 薄壁空心型材焊接工艺及力学性能研究 .363.3.1 焊接工艺参数选择.363.3.2 宏观形貌与 X 射线探伤结果与分析 .373.3.3 显微组织分析结果与分析.393.3.4 拉伸试验结果与分析.403.3.5 硬度测试结果与分析.41本章小结.42第四章 5083-H111 铝合金焊接工艺及力学性能 .434.1 5083-H111 铝合金 FSW 焊接工艺及力学性能 .434.1.1 焊接工艺参数选
21、择.434.1.2 X 射线探伤结果与分析 .434.1.3 显微组织分析结果与分析.444.1.4 常规力学性能试验结果与分析.454.1.5 残余应力试验结果与分析.504.1.6 微型剪切试验结果与分析.514.2 5083-H111 铝合金 MIG 焊接工艺及力学性能 .524.2.1 焊接工艺参数选择.524.2.2 X 射线探伤结果与分析 .524.2.3 显微组织分析结果与分析.534.2.4 常规力学性能试验结果与分析.544.2.5 残余应力试验结果与分析.593.2.6 微型剪切试验结果与分析.59本章小结.60第五章 AZ31 与 5083-H111 FSW 焊接接头疲劳
22、行为研究 .615.1 AZ31 镁合金 FSW 焊接接头疲劳行为研究 .615.1.1 疲劳实验数据与 S-N 曲线 .61目 录VII5.1.2 疲劳断口与断裂机制.625.2 5083-H111 铝合金 FSW 焊接接头疲劳行为研究 .645.2.1 疲劳实验数据与 S-N 曲线 .645.2.2 疲劳断口与断裂机制.66本章小结.68第六章 接头安全可靠性评价与焊接周期成本评价（WCCA）.696.1 引言.696.2 焊接周期成本计量模型的建立.696.3 焊接技术成本 CW 的计算 .716.3.1 氩弧焊工艺成本计算.726.3.2 FSW 工艺成本计算 .726.3.3 设备成本计算.726.3.4 人工成本计算.736.4 焊接技术环境成本 CE 的计算 .746.4.1 能耗.746.4.2 粉尘.746.4.3 保护气.756.4.4 电焊弧光.756.4.5 电磁.766.5 以 AZ31 和 5083-H111 板材焊接为例的焊接技术 WCCA 分析 .766.5.1 接头可靠性评价.766.5.2 焊接技术成本 CW 计算与分析 .776.5.3 工程性价比.796.5.4 焊接技术环境成本计算与分析.806.5.5 焊接技术 WCCA 评价系数对比.81本章小结.82结 论.83参 考 文 献.84攻读硕士学位期间发表的学术论文.88致 谢.
