AZ31鎂合金/5AO6鋁合金填充式摩擦點焊工藝特性

喬汝旺，蔣舒斐，苗玉剛，徐 萌，郭立杰，封小松，吳斌濤

（1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245；2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

0 前言

隨著全球制造業(yè)的發(fā)展，對環(huán)境的壓力與日俱增，能源消耗也日趨緊張，減少環(huán)境污染、節(jié)約資源已成為世界性的課題。鎂及鎂合金導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、電磁屏蔽和抗輻射能力強、易切削加工等優(yōu)點[1-2]，使其具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。鋁及其合金同樣具有密度小、比強度高和耐蝕性能強等特點，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用[3-4]。鎂、鋁具有廣泛的交叉性，因此，鎂/鋁復(fù)合材料作為綠色的工程材料之一在未來必將具有更廣闊的前景。

與傳統(tǒng)熔焊相比，攪拌摩擦焊（FSW）[5]無焊接飛濺和金屬蒸汽溢出，是一種環(huán)保的焊接方法。另外，在焊接過程中，焊縫還不易出現(xiàn)氣孔、裂紋和元素燒損等缺陷，可形成良好焊接接頭，對此特別適合鎂鋁異質(zhì)金屬的焊接[6]。

采用FSW對5A06鋁合金與AZ31B鎂合金板進行了焊接試驗，利用金相顯微鏡、電鏡掃描及能譜分析、拉伸試驗機分析接頭界面層組織和力學(xué)性能，研究結(jié)果將為深刻理解鎂/鋁異種金屬填充式摩擦點焊過程提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，并為該項技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗材料采用常用的5A06鋁合金板和AZ31鎂合金板材進行搭接點焊，尺寸規(guī)格均為200 mm×50 mm×1.5 mm，其化學(xué)成分見表1。焊接前使用化學(xué)清洗和丙酮擦拭方法除去材料表面的油污和氧化膜。

表1 5A06和AZ31的化學(xué)成分 %

采用德國Riftec公司的標準填充型摩擦點焊設(shè)備（設(shè)備型號為RPS100）進行點焊實驗，如圖1所示。采用的焊接工具內(nèi)套環(huán)直徑為9 mm、中心軸直徑為5.2 mm。采用圓錐帶螺紋的攪拌頭，軸肩直徑22 mm，攪拌針根部直徑6.4 mm，長度5.4 mm，旋轉(zhuǎn)速度2 400 r/min。

圖1 FSW點焊示意

焊后沿垂直點焊縫方向進行線切割，經(jīng)打磨、拋光后制作金相試樣和拉伸試樣。采用OLYPUSSZX12型金相顯微鏡觀察焊接接頭的宏觀組織，采用VHX-1000型金相顯微鏡和美國FEI公司Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察接頭微觀組織并進行成分分析。利用電子萬能拉伸試驗機進行點焊接頭抗剪切力和疲勞性能測試。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 接頭形貌組織

采用鎂板在上方、鋁板在下方的搭接形式進行填充式摩擦點焊實驗，將焊接試件切割的金相試樣用腐蝕劑擦拭，接頭成形及宏觀形貌如圖2所示。

圖2 焊點形貌

由圖2a可知，鎂/鋁填充式摩擦點焊形成的焊點外觀成形質(zhì)量較好，表面平整光滑、無匙孔缺陷，也無飛邊現(xiàn)象。由圖2b可知，填充式填充式摩擦點焊焊接接頭可以分為三個區(qū)域，即焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。焊點焊縫區(qū)位于接頭中部，呈U型“碗狀”，由探針和袖筒下方的材料組成，包括搭接上部板材（AZ31B鎂合金）和下部板材（5A06鋁合金）的一部分。分析認為，在填充式摩擦點焊過程中，探針底面和袖筒底面與被搭接板材上表面摩擦產(chǎn)熱，使其附近材料達到塑性狀態(tài)，并且呈塑性狀態(tài)的材料在探針與袖筒旋轉(zhuǎn)作用下在水平方向上具有一定的旋轉(zhuǎn)速度，從而形成點焊接頭。另外，鋁合金的粘度比鎂合金的大，采用鎂合金板在上，使鋁合金不易吸附在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭上，不形成匙孔缺陷，從而提高接頭質(zhì)量。

2.2 接頭界面層微觀組織

圖3為接頭界面（圖2b中的A區(qū)域）微觀組織形態(tài)。由圖3a可知，在焊縫和鋁母材之間的豎直界面上存在較明顯的分界層。為深入分析摩擦點焊接頭的界面層特征，對其進行元素能譜（EDS）掃描分析。由圖3b可知，Mg、Al元素互相向?qū)Ψ交w擴散發(fā)生共晶反應(yīng)從而造成在界面層兩種元素有明顯的漸變過程，Mn、Si兩種元素含量極少，因此變化較少，也不易與Mg、Al元素形成金屬間化合物。由圖3c的元素含量分布可知，經(jīng)Mg-Al二元金相圖推測，焊縫界面間易形成Mg17Al12、Al3Mg2等金屬間化合物，金屬間化合物的成形量是影響界面層厚度的關(guān)鍵，同時也是保證接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵。另外分析發(fā)現(xiàn)，在進行鎂、鋁填充式摩擦點焊的過程中，由于鎂元素的擴散系數(shù)要小于鋁元素的擴散系數(shù)，導(dǎo)致鎂、鋁金屬間化合物更易在偏鋁母材一側(cè)形成。

圖3接頭界面層微觀形貌

2.3 接頭力學(xué)性能

將填充式摩擦點焊得到的鎂/鋁異種金屬點焊接頭制成拉伸試樣，利用型號為CSS-44300的電子萬能材料拉伸試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min。鎂/鋁異種金屬點焊接頭的拉伸力-位移曲線如圖4所示，曲線中接頭的剪切拉斷力為1 865N，可以看出鎂/鋁異種金屬摩擦點焊接頭具有較好的抗剪強度。

圖4 鎂/鋁異種金屬接頭拉伸力-位移曲線

鎂/鋁異種金屬焊點拉伸后的斷裂形貌如圖5所示?？梢钥闯觯撃Σ咙c焊的斷裂方式是沿焊點周圍拉脫斷裂。這說明相對于搭接界面的連接強度，焊點與母材的豎直界面成為連接的薄弱區(qū)域[7]。

圖5 焊點剪切拉伸后的典型斷裂形貌

另外，對鋁/鎂異種金屬填充式摩擦點焊接頭拉伸試樣進行了剪切疲勞破壞的試驗，分析了接頭疲勞行為的變化。試驗加載的循環(huán)應(yīng)力的頻率為15Hz，平均應(yīng)力為σm=1 kN，應(yīng)力半幅為σa=0.5 kN。結(jié)果顯示，焊點在循環(huán)應(yīng)力的作用下疲勞壽命達到66 000次，疲勞破壞發(fā)生在熔合線靠熔核的一側(cè)，疲勞斷口基本可以判斷為脆性疲勞斷裂，且具有多個疲勞源，屬多源疲勞斷裂。

3 結(jié)論

（1）采用填充式摩擦點焊在旋轉(zhuǎn)速度2400r/min的工藝條件下實現(xiàn)了鋁/鎂異種金屬的良好連接，接頭表面平整光滑，成形美觀，內(nèi)部無明顯缺陷。

（2）接頭界面層間Mg、Al元素互相擴散發(fā)生共晶反應(yīng)形成Mg17Al12、Al3Mg2等金屬間化合物，更易在偏鋁母材一側(cè)形成。金屬間化合物的成形量是影響界面層厚度的關(guān)鍵，也是決定力學(xué)性能的主要因素。

（3）鎂/鋁填充式摩擦點焊接頭的剪切拉斷力可達1 865 N，具有較好的抗剪強度。另外，接頭斷裂方式是沿焊點周圍拉脫斷裂。

（4）焊點在循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞壽命達66 000次，疲勞破壞發(fā)生在熔合線靠近熔核的一側(cè)，斷裂方式為脆性疲勞斷裂。

[1]劉柞時，謝旭紅.鎂合金在汽車工業(yè)中的開發(fā)與應(yīng)用[J].輕金屬，1999（1）：55-58.

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[7]封小松，郭立杰，苗玉剛，等.鎂/鋁異種金屬填充式摩擦點焊接頭特性[J].焊接學(xué)報，2013，34（11）：41-44.