AZ31镁合金、5083铝合金焊接工艺及接头力学性能研究—吕建刚—终稿 - 图文

第一章 绪论

1.1.3 焊接接头的疲劳失效

随着镁合金的广泛利用，尤其作为大型结构件的应用越来越广泛，其焊接工艺和焊接接头性能的研究也越显重要。而对于焊接结构而言，疲劳断裂是其失效的一种主要形式，由疲劳裂纹引起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的70-90%以上。焊接结构疲劳失效的主要原因有以下两方面[28-31]：

（1）焊接接头的静载承受能力一般不低于母材，但在承受交变载荷时，其承受能力却远远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构型式有密切关系，这是引起一些焊接结构过早疲劳失效的一个主要因素。

（2）焊接结构有往高速重载方向发展趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。由此看来，焊接结构的安全设计与结构的疲劳性能研究是紧密相关的。

杨新岐等[32]对LY12CZ(2A12-T4)、LD10CS(2A14-T6)、5A06-H112、7075-T6 和LC4CSFSW接头的疲劳性能进行了研究，结果表明：5A06-H112 FSW接头疲劳强度(50%存活率)是MIG焊接接头的1.64 倍、LY12-T4、7075-T6 及LC4CSFSW接头疲劳强度(50%存活率)与母材比较分别为 75%、89.5%和 95%。当焊缝根部存在“弱连接”缺陷时，FSW接头疲劳性能产生下降。FSW接过程中搅拌工具的搅拌针顶端与支撑底板间隙小于0.3mm时不会参数“弱连接”缺陷。

金属Mg属于密排六方结构，孪晶与疲劳变形、孪晶与孪晶的结合是疲劳变形的主要形式，滑移带沿着孪晶带堆积的区域是常见的裂纹源，许多微裂纹是由一些微空洞造成，位错环集团是金属Mg典型的疲劳位错结构。镁合金的疲劳断裂由最大剪应力控制，并且沿最大剪应力的方向扩展，它的解理断裂往往发生在高指数面上，并且裂纹的形态因孪晶和滑移而发生强烈变化。镁合金疲劳断裂结构中也会有一些韧窝特征，它们来源于在加载过程中出现并且长大，并在塑性应变和塑性断裂条件下联合起来的微空洞，在沉淀相-基体界面处的结合力较小，沉淀相或夹杂物的破碎、局部应力集中都有可能形成微空洞。

南安普敦大学的Booth和Sinclair对2024-T351铝合金飞机机架FSW焊接构件的疲劳性能进行了试验研究[33]。结果表明：3个在焊核区以外断裂试样的疲劳性能与Busu和Irving发现的薄板性能差不多；2个在焊核区之上断裂的试样寿命有所降低。

吉党生[34]等为了比较镁合金和铝合金的疲劳性能，在相同试验条件下比较了同种接头形式的AZ31镁合金和3A21铝合金的疲劳行为，AZ31镁合金焊件的疲劳强度为46.21MPa，同种接头形式的3A21铝合金焊件为27.07MPa，后者比前者低仅为其疲劳强度的58.58%。

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大连交通大学工学硕士学位论文

1.1.4 生命周期评价与环境及可持续发展

生命周期评价又称为环境协调性评价、生命周期评估、寿命周期评价等，已经成为对材料和产品进行环境表现分析的一种重要方法[35]。

1993年，SETAC对LCA定义为能源、原材料消耗及废物排放的鉴定及量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来的负担的客观方法。具体来说是通过确定和量化与评估对象相关的能源消耗、物质消耗和废弃物排放，来评估某一产品、过程或事件的环境负荷；定量评价由于这些能源、物质消耗和废弃物排放所造成的环境影响；辨别和评估改善环境的机会。评价过程应包括该产品、过程或事件的生命全过程，包括原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收，直到最终的废弃。

该方法通过识别和量化所用的能量、原材料以及废弃物排放来评价与产品及其行动有关的环境责任，从而得到这些能量和材料应用以及排放物对环境的影响大小，并对改善环境的各种方案做出评估。

生命周期是指产品从“摇篮到坟墓”各阶段的总和，包括产品从自然界中获得的最初资源能源，经过开采，冶炼，加工，再加工等形成最终产品，又经过产品储存，批发，使用等过程，直至产品报废或处置所构成的一个物质转化过程。目前，LCA理论在确定边界条件、环境指标归一化、建立通用模型等方面还存在许多问题，而镁合金的生产规模与钢铁、铝合金以及塑料等材料相比还很小，建立镁合金生命周期数据库是一项十分艰巨的任务。根据LCA的基本思想，将镁合金产品生命周期分为镁合金生产、产品使用以及再生的生命周期三个阶段进行考察[36]。

根据“有色金属工业节能减排十二规划”[37]：到2015年，平均每吨铝综合交流电耗13670千瓦时，即5522千克标准煤/吨，而吨镁综合能耗下降到4000千克标准煤/吨。中国是铝、镁金属生产和使用大国，由于企业数量多、规模差异较大、生产工艺和技术水平参差不齐，加之我国在相当一段时期内仍将以煤为主的能源消费结构，随着生产规模的扩大，产量和需求量的快速增长导致的资源、能源的大量消耗和污染物排放总量的上升仍然是轻金属工业面临的突出问题。

目前，可持续发展的能力已经成为提升所有工业部门竞争力的重要指标。以CO2排放及其所产生的全球温室效应潜力为代表的环境效益衡量指标，已成为国际上材料可持续发展中至关重要的问题之一。这些环境数据和指标需要通过全面的生命周期分析方可获得，而相关的研究工作在我国轻金属工业的科技发展中仍比较滞后。从世界范围内的产业链来看，只要目标应用行业缺乏这些可靠和全面的环境以及可持续性数据，铝、镁等轻金属就不可能在与其他材料和工艺方法的竞争对比中处于优势地位。因此，在生命周期评价方法的指导下，建立完整、通用的铝、镁等轻金属材料环境和技术数据库，

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第一章 绪论

不仅对铝、镁等轻金属材料参与国际分工与合作、直面与其他材料的竞争至关重要，而且也是行业实施节能减排、应对全球气候变化等可持续发展战略的必要措施。

用于生命周期清单分析或评价环境影响的模型实际上存在很大局限性。因为它们的假定条件可能对某些潜在影响或运用是不可行的。由于目前尚不存在一种在科学上可接受的、对各种不同的污染物作权重的方法，因此，对不同类型的污染进行比较还存在着困难，甚至在同一单元中的污染影响也没有测定过。所以，将清单数据转换为环境损害的计算方法通常非常复杂和不确定，精确度受影响较大。

因此，建立正确边界条件和定义评价模型是研究的重点也是难点。汪大成等[38]提出一种有色金属材料LCA定量评价方法——综合比例系数法，根据金属元素的环境特征、实际提取冶金过程和生物效应等要素，确立了纯金属的环境负荷定量计算原则并求出其相对环境负荷，然后由此计算金属材料的环境负荷比例系数；再根据推导出的模型计算出金属材料的环境负荷定量值。根据金属元素的实际提取冶金过程和生物效应，计算出纯金属的相对环境负荷。几种常用有色金属的相对环境负荷排列为：

Pb>Cu>Sn>Mn>Al>Zn>Si>Mg>Ca。

国际上对镁产品生命周期的环境影响还不十分清楚，这也成为了制约镁及其产品大量使用的重要因素之一。目前，中国和澳大利亚等国的研究者们正致力于对原镁生产工艺过程及镁产品的LCA研究[39-42]。2005年，国内的研究者基于中国资源、能源消费特征，结合近年来中国原镁工业的发展状况，对皮江法炼镁的温室气体排放强度进行了计算。根据最新的研究结果，中国皮江法炼镁的温室效应环境影响最低值已经十分接近电解法的平均水平[43,44]。

1.2 研究意义及内容

高速列车的发展会对FSW技术在中国轨道车辆行业起到需求牵引和推动作用，同时，FSW技术的应用也会提升中国高速列车的性能和质量。

由于焊接结构的应力集中体现在焊接接头部位，故而可以认为焊接结构的疲劳实际上就是焊接接头的疲劳。目前，对于钢铁和铝合金材料的焊接接头疲劳性能，得到了丰富而系统的数据。相对而言，关于镁合金焊接接头的疲劳性能研究较少，这与镁合金焊接结构应用于工程实际所需要的研究准备还有一定的差距。因此，研究镁合金焊接结构疲劳性能的特点，对于保证镁合金焊接结构的安全可靠性，对于镁合金在轨道列车上的发展和应用都是极其重要的。

目前，LCA理论在确定边界条件、环境指标归一化、建立通用模型等方面还存在许多问题，而镁合金的生产规模与钢铁、铝合金以及塑料等材料相比还很小，建立镁合金

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大连交通大学工学硕士学位论文

生命周期数据库是一项十分艰巨的任务。

本文以AZ31镁合金和5083-H111铝合金为研究对象，分别采用FSW和MIG焊接方法，对比分析AZ31镁合金和5083-H111铝合金焊接接头力学性能和FSW接头疲劳行为，阐明FSW疲劳断裂机制；明确FSW作为熔化焊替代技术的可行性；定义焊接周期成本，建立评价模型，并以AZ31和5083-H111的焊接实例验证模型的准确性和可靠性。

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