#国家自然科学基金焊接Word格式文档下载.docx

1、正文报告提纲（一）立项依据与研究内容（40008000字）： 1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及分析。基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；应用研究需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。）（附主要的参考文献目录）。1、项目的立项依据（1） 立项意义活性轻金属镁（Mg）、铝（Al）及其合金是航空航天、电子、能源等高新技术领域中广泛应用的金属，其中镁是近年来国家重点发展的新材料之一1-3。减轻重量、缩小体积一直是航空发动机和飞机结构设计追求的目标。近年来，北美、欧洲和日本等发达国家加大投入进行Mg基轻质材料的开发与应用研究，Mg合金应用和重点研

2、究从航空、军工等领域扩展到民用高附加值产业（如汽车、计算机和通讯等）1，特别是近年来由于节能和环境保护的要求，汽车将成为Mg合金应用的重要领域。我国是世界上镁资源最丰富的国家之一，但对镁合金的研究与应用还处于起步阶段。Mg合金有许多独特的优点，如质轻、比强度高、抗冲击等。镁合金研究与推广应用的关键之一是镁与异种金属的焊接问题4。针对计算机、通讯和航空材料特殊性能的要求，将Mg和Al连接形成复合结构可以发挥两种金属不同的性能。实现Mg/Al异种活性金属的可靠连接，获得性能优良的焊接接头，能大大提高航空航天领域对结构件性能的要求，具有重要的理论意义和实际应用价值，在未来航空结构等领域有广阔的应用前

3、景。Mg/Al异种活性金属焊接的技术难度很大，采用常规的焊接方法难以获得满足使用性能要求的焊接接头。Mg/Al异种活性金属焊接的难度主要在于：1） Mg和Al都是活性、极易氧化的金属，工件表面的氧化膜阻碍二者结合；2） Mg/Al熔焊接头晶粒粗大，焊缝和熔合区存在界面反应，易形成脆性相和强化相偏析，特别是Mg具有较大的热脆性，接头处产生的热应力易导致产生裂纹。Mg/Al异种活性金属的焊接是目前航空新材料研究的前沿课题，也是异种活性金属结构制造中急需解决的难题之一，具有开创性的意义。本课题的目的是研究Mg/Al异种活性金属熔焊（电磁脉冲氩弧焊）和固相快速扩散焊接头区域微观组织结构与性能的相关性，

4、针对Mg/Al异种活性金属熔焊接头区域的脆性相形成与控制、扩散焊界面结合强度、微观组织结构和性能、元素扩散机制等进行深入研究，揭示其内在规律性。该项研究将为Mg/Al异种活性金属焊接奠定试验和理论基础，对Mg及其合金异种活性金属的焊接研究及应用有重要的推动作用。该项研究以其独特的技术优势可应用于航空航天、电子、汽车、国防和军事装备等领域，具有重大的经济和社会效益。（2） 国内外研究现状、水平和发展趋势有关镁、铝及其合金同种材料的焊接，目前主要采用电子束焊5, 6、激光焊7、钨极氩弧焊8、扩散钎焊和搅拌摩擦焊等方法9-11。但对于Mg/Al异种活性金属焊接的研究，国内外的文献极少。由于Mg/Al

5、异种金属采用熔焊方法时接头区域晶粒粗大，焊缝中形成脆性的Mg-Al金属间化合物，易导致产生裂纹和接头力学性能差，难以满足工程中的使用要求。近年来Mg/Al异种金属的固态焊接研究（如采用搅拌摩擦焊、扩散焊等）受到各国研究者的关注12, 13。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种先进的固态连接方法，具有许多独特的优点，是近几年发达国家连接技术研究的热点。例如，美国University of Texas的A.C.Somasekharan等针对Mg与6061铝合金进行了搅拌摩擦焊试验并取得进展12；日本Tohoku University学者S.Sato.Yutak

6、a等针对Al-6063与铸造Mg合金（AM50和AZ31）也进行了搅拌摩擦焊试验研究13；国内还没有Mg/Al搅拌摩擦焊方面的报导。搅拌摩擦焊在焊接Mg/Al异种活性金属中存在的问题：一是搅拌摩擦焊依靠搅拌头摩擦产生热量，使元素扩散和晶粒重新组合从而实现金属的结合，对工件定位严格，只适合于平直接头，受摩擦传热影响试板不能太厚；二是Mg、Al都是极易氧化的金属，摩擦热使Mg、Al氧化，在接头处生成的氧化膜难以排除，影响Mg/Al界面扩散结合。扩散焊（Diffusion Bonding）是在固态下使接触面之间的原子相互扩散实现材料连接的方法。对于镁及其合金同种材料扩散焊的研究，日本H.Someka

7、wa等采用加热温度300400，保温时间72h，压力220MPa，对纯镁进行扩散焊接试验14，并对焊接接头力学性能进行了研究。对于异种铝及其合金较多采用超塑性（SPF）与扩散焊的组合工艺，并已成功的应用于Ti-6Al-4V板结构15。国内外对Mg、Al活性金属的焊接研究主要是同种金属的焊接，集中于焊接区域裂纹16、化学不均匀性、接头区组织性能等方面17, 18。大连理工大学采用活性化焊接（Activating flux-TIG，简称A-TIG）对镁合金焊接接头的组织特征进行研究，表明除了焊缝熔深比常规TIG焊增加以外，涂敷活性剂的焊缝接头的微观组织没有明显变化8，没有消除Mg合金熔合区附近的脆

8、性相。由于活性轻金属界面研究的复杂性和受测试手段的限制，对Mg/Al异种活性金属的焊接研究很少，截止目前，公开发表的文献只有几篇12, 13, 17, 18。而且，现有的Mg及其合金异种金属焊接研究主要是在特定的焊接工艺条件下针对某一产品结构进行的，缺乏系统性和相互之间的内在联系。如果能采用熔焊工艺和固相焊（如扩散焊）工艺对Mg/Al异种活性金属的焊接（包括工艺、接头区组织、性能等）进行系统研究，将大大推进Mg/Al焊接研究的进展和应用。本项研究就是在这一指导思想下提出的。（3） 本课题组研究基础和选题的依据本课题组在前期的科研工作中，针对Mg、Al、Ti等活性金属，采用钨极氩弧焊、真空钎焊、

9、扩散焊和搅拌摩擦焊等，进行了大量的试验研究并取得了经验，建立了较完备的实验基础，为Mg/Al异种活性金属的焊接研究创造了条件。本项研究拟针对Mg/Al异种活性金属，采用电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）和计算机严格控制的先进的快速真空扩散焊（HS-DB），开展Mg/Al异种活性金属焊接区域微观组织结构与性能的相关性研究，解决Mg/Al异种活性金属焊接难题，对Mg及其合金以及Mg/Al复合焊接结构的研究及应用将产生推动作用。本项研究将特别针对：1）熔焊条件下Mg/Al熔合区附近脆性相的形成与控制、组织与性能的相关性等进行研究；2）快速扩散焊条件下的Mg/Al界面结合强度、活性元素界面扩散机制等

10、进行深入研究。采用控制熔合区熔化和再结晶的电磁脉冲氩弧焊和适当的填充金属，可以消除Mg/Al熔焊焊缝或熔合区附近的脆性相，获得组织性能良好的焊接接头。快速真空扩散焊过程中，特殊的固态焊接条件能够改变材料的常规物理冶金状态，用于Mg/Al异种活性金属可明显提高其接头性能。实现Mg/Al异种活性金属的焊接具有广阔的应用前景，但目前Mg/Al异种活性金属的焊接研究刚处于起步阶段。本课题以具有良好塑性、韧性及耐腐蚀性和在航空、电子、汽车等领域有潜在应用前景的Mg/Al新型轻质材料为研究对象，采用电磁脉冲钨极氩弧焊和快速扩散焊实现Mg/Al异种活性金属的可靠连接。分析不同工艺参数下获得的Mg/Al焊接区

11、域的微观相结构变化，研究快速扩散焊过程中界面固态结合机制及元素的动态扩散行为。该项研究立足于学科前沿、学科交叉，揭示Mg/Al异种活性金属熔焊与固相扩散焊接头区域组织与性能内在联系的规律性，为Mg/Al异种复合结构的开发应用奠定重要的理论基础，对加速Mg/Al异种焊接结构在我国航空、电子、汽车等领域的应用具有重要的意义。参考文献1. 曾荣昌, 柯伟, 徐永波等. Mg合金的最新发展及应用前景. 金属学报, 2001, 37 （7）: 673685.2. 于彦东, 张凯锋, 蒋大鸣等. MB15超塑性镁合金扩散连接试验. 焊接学报, 2003, 24 （1）: 6468.3. Y.Huang,

12、N.Ridley, F.J.Humphreys et al. Diffusion bonding of superplastic 7075 aluminium alloys. Materials Science and Engineering, 1999, 266A: 295302.4. 黄伯云. 我国有色金属材料现状及发展战略. 中国有色金属学报, 2004, 14, 专辑1: 122127.5. A.Munitz, C.Cotler, H.Shaham et al. Electron beam welding of magnesium AZ91D plates. Welding Journ

13、al, 2000, 79 （7）: 202s208s.6. S.F.Su, J.C.Huang, H.K.Lin et al. Electron-beam welding behavior in Mg-Al-based alloys. Metallurgical and Materials Transactions, 2002, 33A （5）: 14611473.7. A. Weisheit, R. Galun, B.L. Mordike. CO2 laser beam welding of magnesium-based Alloys. Welding Journal, 1998, 77

14、（4）: 149s154s.8. 张兆栋, 刘黎明, 王来. 镁合金活性TIG焊焊接接头组织特征分析, 焊接学报, 2004, 25 （4）: 5558.9. W. D. Macdonald, T. W. Eagar. Isothermal solidification kinetics of diffusion brazing. Metallurgical and Materials Transactions, 1998, 29A （1）: 315325.10. 张华, 林三宝, 吴林, 冯吉才. AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头焊核区域成型过程及影响因素, 航空材料学报, 2004, 24 （

15、2）: 610.11. 曲文卿, 王奇娟, 张彦华. 铝基复合材料与铝合金的TLP扩散连接, 焊接学报, 2002, 23 （6）: 6770.12. A.C.Somasekharan, L.E.Murr. Microstructures in friction-stir welded dissimilar magnesium alloys and magnesium alloys to 6061-T6 aluminum alloy, Materials Characterization, 2004, 52: 4964.13. Yutaka S. Sato, Seung Hwan C. Par

16、k, Masato Michiuchi, et al. Constitutional liquation during dissimilar fraction stir welding of Al and Mg alloys, Scripta Characterization, 2004, 52:14. H. Somekawa, H. Hosokawa, H. Watanabe et al. Experimental study on diffusion bonding in pure magnesium. Materials Transactions, 2001, 42 （10）: 2052

17、07.15. H.Andrzejewski, L.F.Brdawi, B.Rolland. The toughness in the diffusion welding of Ti-6Al-4V alloys. Welding Journal, 1993, 72 （9）: 425s429s.16. Asahina Toshikatsu. Solidification crack sensitivity of TIG welded AZ31 magnesium alloy, Journal of Institute of Light Metals, 1999, 49 （12）: 595599.1

18、7. 刘鹏, 李亚江, 王娟, 耿浩然. Mg/Al异种材料真空扩散焊界面区域的显微组织. 焊接学报, 2004, 25 （5）: 58.18. L.Lu, Y.F.Zhang. Influence of process control agent on interdiffusion between Al and Mg during mechanical alloying, Journal of Alloys and Compounds, 1999, 290: 279283.摘 要： 采用电磁脉冲钨极氩弧焊和计算机严格控制的快速扩散焊，开展在航空、电子、汽车等领域有广阔应用前景的Mg/Al异种

19、活性金属的焊接研究，消除采用常规焊接方法在Mg/Al熔合区或界面处形成的脆性区。提出对Mg/Al熔合区和界面剪切强度和韧性进行试验评定的微剪切试验，结合声像显微分析技术对焊接区微裂纹扩展与断裂进行跟踪拍摄和显微图像分析。研究熔合区或界面附近新相生成、微观结构和元素扩散对组织性能的影响，揭示微观结构与宏观性能之间内在联系的规律性，为Mg/Al异种复合结构的开发应用奠定重要的理论基础。关键词： Mg/Al异种活性金属；电磁脉冲氩弧焊；快速扩散焊；微观结构2. 项目的研究内容、研究目标, 以及拟解决的关键问题。（此部分为重点阐述内容）（1） 研究目标采用电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）和计算机严

20、格控制的快速扩散焊（HS-DB）技术实现对Mg/Al异种活性金属的焊接，获得熔合区或界面稳定结合、性能优异的焊接接头。通过对Mg/Al异种焊接接头或扩散界面的微观相结构、元素分布及扩散界面结合性能的研究，分别建立熔焊和扩散焊条件下Mg/Al异种活性金属焊接接头形成的动力学模型，研究熔合区或界面附近的化学反应、新相生成、微观结构和元素扩散对组织性能的影响，寻求微观结构与宏观性能之间内在联系的规律性。为Mg/Al异种复合材料的开发应用提供重要的理论基础和试验依据。（2） 研究内容1） 提出2种改进的Mg/Al异种活性金属焊接新工艺 采用电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）通过填加不同成分的填充金属

21、，实现Mg/Al异种金属的可靠连接。通过控制工艺参数不使熔合区附近产生再结晶，消除采用常规熔焊方法在Mg/Al焊缝或熔合区处形成的脆性区。 通过计算机程序控制，在扩散焊后期降温阶段充氮气速冷等工艺措施，实现Mg/Al异种金属的快速扩散连接，形成性能稳定可靠的扩散焊接头。研究快速扩散焊工艺参数对固相条件下Mg/Al接头形成、微裂纹倾向的影响。2） EMP-TIG和快速扩散焊接头的强韧性研究不同工艺参数条件下形成的电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）接头的强度和韧性，特别是熔合区韧性及脆化倾向。通过计算机程序控制，研究扩散焊工艺参数（加热温度、保温时间、压力、充氮气速冷等）对Mg/Al界面扩散过渡

22、区宽度、界面剪切强度、显微硬度和微裂纹扩展的影响规律，提出快速扩散焊工艺控制措施。从工程角度评定Mg/Al异种活性金属快速扩散焊结合界面的剪切强度和韧性。3） Mg/Al电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头的微观相结构采用电子显微镜（SEM、TEM）、X射线衍射（XRD）技术分析电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头区域的组织、精细结构和相组成；用XQF-2000图像分析仪对接头区域的相组成进行定量分析。采用XRD、SEM、TEM和电子探针（EPMA）分析熔合区和扩散焊界面附近的精细结构以及扩散焊界面附近Mg、Al元素的扩散分布。把熔合区和扩散焊界面区域的力学性能（强度、韧性等）与微观相结构之间的关系联

23、系起来进行深入分析。4） Mg/Al电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊界面元素分布的数值分析针对形成的Mg/Al异种金属电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头，根据电子探针（EPMA）实测数据和计算机数值模拟，分别建立Mg/Al异种金属EMP-TIG熔焊接头和快速扩散焊界面元素分布的数值分析模型，确定Mg/Al熔合区和扩散焊界面附近区域Mg、Al元素的扩散系数，研究Mg/Al异种金属EMP-TIG熔合区和快速扩散焊界面附近元素的动态扩散行为。（3） 拟解决的关键问题1）Mg、Al极易氧化，阻碍Mg/Al界面形成稳定结合的扩散过渡区，界面结合强度低。解决措施是提高真空度或增加抽真空时间（还原氧化膜）使基体金

24、属稳定结合，但这与快速扩散焊的预定目的相背离。因此，需改进扩散焊设备的控制系统，使之在加热初始阶段快速抽真空到高真空状态（105Pa），保温阶段后期充氮气快速冷却。（界面扩散初期对真空度要求较高，扩散后期对真空度要求不高）。2）采用电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）通过调整工艺参数控制Mg/Al熔合区附近由于熔化而产生再结晶，消除采用常规熔焊方法时在Mg/Al异种活性金属焊缝中或熔合区处形成的脆性区。3）Mg/Al异种金属电磁脉冲钨极氩弧焊熔合区附近以及有新相形成的Mg/Al扩散焊界面附近元素扩散的模拟计算需要一系列扩散参数，特别是要考虑Mg、Al元素的交互影响，这些参数的试验测定十分困难，

25、拟采用在不同相结构扩散过渡区中分层测定和计算的方法解决这个难题。3. 拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）（1） 研究方法和技术路线以Mg/Al异种活性金属电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）和快速扩散焊工艺性试验为突破口，获得Mg/Al异种活性金属稳定结合和性能优异的焊接接头，对Mg/Al异种活性金属电磁脉冲钨极氩弧焊和快速扩散焊接头微观组织结构、脆性相和元素扩散等进行研究。拟采取的技术路线：工件预处理 工艺参数控制 EMP-TIG或快速扩散焊 界面强韧性控制 熔合区或界面微观相结构（接头形成机制）熔合区或界面元素扩散 相关性分析。 （2） 实验

26、方案1） Mg/Al异种活性金属焊接工艺 电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）工艺 采用四种不同的焊丝（无Mg、低Mg、中Mg、高Mg）作为填充金属材料。通过调整电磁脉冲钨极氩弧焊工艺参数（如电流、电压、脉冲电流、焊速等），控制熔合区熔化以及产生再结晶的条件，实现Mg/Al异种金属的可靠连接和制备不同工艺参数的系列EMP-TIG接头试样。 Mg/Al异种活性金属快速扩散焊工艺 常规真空扩散焊工艺需要几个小时，甚至更长的时间（主要是降温时间长）。采用计算机程序控制和充氮气速冷的Mg/Al快速扩散焊工艺可成倍缩短焊接时间，工艺参数采用计算机程序自动精确控制。通过不同工艺参数（如温度、时间、压力、真

27、空度、充氩快冷等）的快速扩散焊工艺性试验，制备不同工艺参数条件下的系列Mg/Al快速扩散焊接头试样。2） Mg/Al异种金属电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）接头强韧性 对不同工艺参数下的系列EMP-TIG焊接接头进行强度和韧性试验，特别是针对EMP-TIG焊接熔合区，通过显微硬度试验判定其脆性相，对熔合区微裂纹扩展进行显微图像研究，分析工艺参数对熔合区脆性相形成（韧性）的影响及控制措施。3） Mg/Al快速扩散界面抗裂性和剪切强度试验 采用微剪切试验对Mg/Al快速扩散焊结合界面的剪切强度和韧性进行试验评定，结合声像显微分析技术对界面微裂纹萌生、扩展与断裂形态进行观测和跟踪拍摄，用显微图像

28、分析仪和计算机对测试结果进行图像分析。4） Mg/Al电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头区域的组织结构 通过电镜（SEM、TEM）、高分辨电镜研究Mg/Al电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头区域的组织、脆性相和相组成形态。采用电子探针（EPMA）和X-射线衍射技术对Mg/Al扩散焊界面过渡区的成分和相结构进行分析，结合计算机技术进行接头微观图像和数据定量分析，揭示Mg/Al电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头形成的微观机制。5） Mg/Al电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊接头区域元素扩散的数值分析 采用电子探针（EPMA）对Mg/Al电磁脉冲TIG焊熔合区和快速扩散焊界面附近区域的元素扩散分布进行测定，通

29、过计算机模拟对Mg/Al熔合区和扩散焊界面附近Mg、Al元素分布进行数值分析，揭示电磁脉冲TIG焊和快速扩散焊工艺参数对Mg/Al异种金属焊接区域元素扩散的影响。（3） 可行性分析申请者所在的实验室是教育部重点实验室，已创造了国内先进的用于学术研究的试验和测试条件。特别是拥有从美国真空工业公司（C/VI公司）引进的具有世界领先水平的真空扩散焊设备（该设备目前在国内是最先进的）。本课题组多年从事先进材料特种焊接技术研究，特别是针对各种异种材料的焊接，积累了经验并建立了一定的理论、实验和物质基础。近几年针对Mg、Al、Ti活性金属异种材料的钨极氩弧焊、真空钎焊和真空扩散焊做了大量的试验研究，系列研

30、究论文60余篇发表在国内外重要刊物（如Journal of Material Science、Welding Journal等）上。这些论文不仅揭示了异种材料焊接区域（特别是扩散焊界面）微观组织结构的变化规律，提出一些创新性的新概念，而且有些已经应用于工业生产。本课题组是一支中青年结合的实干队伍，课题负责人在先进材料焊接研究方面已指导博士生3人，硕士生8人。课题组成员中3人具有博士学位，1人正在攻读博士学位，学术梯队配置合理、试验设备和各种检测仪器齐全，有从事较高层次科学研究的经验。课题组已经具备了一定的物质基础和理论基础，对该研究课题具有浓厚兴趣，充满信心，并且研究内容相对集中。本项研究可得到广州有色金属研究院等单位的全力支持（提供试验和应用场所），有应用背景。在前期工作中已捕捉到国内外的一些最新研究信息，具备完成本项课题任务的条件。（4） 本项目的特色与创新之处1） 立足学科前沿，针对具有发展前景的轻金属Mg和Al，提出先进的电磁脉冲钨极氩弧焊（EMP-TIG）和Mg/Al快速扩散焊方法，通过控制工艺参数不使熔合区附近产生再结晶，消除了采用