压铸镁合金熔化焊接气孔的形成机理

针对压铸镁合金熔化焊接多气孔的问题，采用不同的熔化焊接方法（如GTAW、LW），对不同牌号压铸镁合金进行焊接试验，通过焊接过程的数值模拟与相关机理分析，研究气孔的形成原因、分布规律及影响因素，并构建满足气孔形成条件的动力学和热力学模型。具体研究内容包括：① 母材状态及成分对焊缝气孔形成原因、分布状况的影响及相关机理。② 焊接方法及工艺规范对焊缝气孔形成原因、分布状况的影响及相关机理。③ 外加合金元素对焊缝气孔形成原因、分布状况的影响及相关机理。④ 焊接过程的有限元模拟及模拟结果的数值分析。⑤ 采用分子模拟软件Masterials Stiduo模拟液-固-气三相耦合非等温条件下气体分子产生、集聚、长大。⑥ 满足气孔形核及长大的动力学与热力学模型的建立。研究成果可为实现压铸镁合金的低气孔率焊接技术提供理论指导，对拓展压铸镁合金的工程应用具有十分重要的意义。

当前工程应用中90%以上镁合金件是压铸件，其铸造缺陷修复和连接都难免需要焊接，但压铸镁合金熔化焊接气孔问题突出，成为工程应用中的一大难题。 近年来国内外对于压铸镁合金焊接的研究较少，尤其对压铸镁合金熔焊气孔问题的研究报道更少，相关理论缺乏，工程实践几乎处于空白。. 本项目通过实验研究、数值模拟及理论分析相结合的方式，深入研究压铸镁合金熔焊气孔的形成机理，探索气孔的减少消除方法，研究成果有利于丰富镁合金熔焊气孔的科学认识，为实现压铸镁合金低气孔率焊接提供理论和实践支撑，科学意义和工程价值显著。项目主要取得了如下两方面研究成果：. 首先，探明了压铸镁合金熔焊气孔的形成机理（知识贡献）：. 1）气孔主要遗传于母材中的预存气体；预存气体主要是氢和氮，前者主要来自于镁熔体在工艺过程中的吸氢，后者主要来自于压铸过程中的卷气。. 2）焊缝气孔率和气孔尺寸随焊接热源热输入量增加而增加，但非线性增加。其机理是：热输入增加，母材熔化量增加，母材中被释放的气体量随之增加；母材中含气缺陷非均匀分布，近表面少，心部多，因此当热输入较小，熔深仅达近表面时，气孔率随热输入增加的趋势相对较小，当热输入增大，熔深达母材心部时，被释放的气体骤然增加，导致气孔率快速增加。. 3）气孔分为微观气孔（小于200um），呈近球形，内壁光滑，大多分布于焊缝上部，主要为氢致气孔；宏观气孔（大于200um），多呈蠕虫状，往往为多个气孔合并而成，多分布于焊缝中下部，熔合线附近，主要为氮致气孔。. 4）氢致气孔为析出型气孔，其形成经历了形核、长大、上浮、滞留几个过程；氮致气孔为预存气孔，无需形核，其除了有上浮与滞留行为外，还受膨胀和合并行为影响；在熔合线附近气孔由于处于固液共存的类糊状环境，上浮受阻，滞留数量较多，膨胀与合并充分，导致气孔尺寸异常增大。. 其次，探索了两种减少压铸镁合金熔焊气孔的方法（工程贡献）：. 1）焊接过程中，向熔池添加富Nd混合稀土、Zr元素，能明显降低焊缝气孔率，其机理主要在于添加元素与H发生了反应，生成固态氢化物，显著降低了氢致气孔，但不能与N发生类似反应，不能降低氮致气孔。. 2）焊接过程中，对熔池施加介入式机械扰动，能显著降低焊缝气孔率，主要机理是增强了熔池规律性流动，促进了气泡上浮。