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.上海航天設備制造總廠，上海200245；2.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

0 前言

隨著全球制造業的發展，對環境的壓力與日俱增，能源消耗也日趨緊張，減少環境污染、節約資源已成為世界性的課題。鎂及鎂合金導熱導電性好、電磁屏蔽和抗輻射能力強、易切削加工等優點[1-2]，使其具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。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，在各行業廣泛應用[3-4]。鎂、鋁具有廣泛的交叉性，因此，鎂/鋁復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，是一種環保的焊接方法。另外，在焊接過程中，焊縫還不易出現氣孔、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性能，研究結果將為深刻理解鎂/鋁異種金屬填充式摩擦點焊過程提供基礎理論數據，并為該項技術的工程應用提供技術依據。

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，尺寸規格均為200 mm×50 mm×1.5 mm，其化學成分見表1。焊接前使用化學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的化學成分 %

采用德國Riftec公司的標準填充型摩擦點焊設備（設備型號為RPS100）進行點焊實驗，如圖1所示。采用的焊接工具內套環直徑為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量較好，表面平整光滑、無匙孔缺陷，也無飛邊現象。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域，即焊縫區、熱影響區和母材區。焊點焊縫區位于接頭中部，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熱，使其附近材料達到塑性狀態，并且呈塑性狀態的材料在探針與袖筒旋轉作用下在水平方向上具有一定的旋轉速度，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的攪拌頭上，不形成匙孔缺陷，從而提高接頭質量。

2.2 接頭界面層微觀組織

圖3為接頭界面（圖2b中的A區域）微觀組織形態。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元素互相向對方基體擴散發生共晶反應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鍵，同時也是保證接頭力學性能的關鍵。另外分析發現，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要小于鋁元素的擴散系數，導致鎂、鋁金屬間化合物更易在偏鋁母材一側形成。

圖3接頭界面層微觀形貌

2.3 接頭力學性能

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。可以看出，該摩擦點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。試驗加載的循環應力的頻率為15Hz，平均應力為σm=1 kN，應力半幅為σa=0.5 kN。結果顯示，焊點在循環應力的作用下疲勞壽命達到66 000次，疲勞破壞發生在熔合線靠熔核的一側，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 結論

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

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

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

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

[2]F C Campbell.Manufacturing technology for aerospace structural materials.1st ed[D].UK：Elsevier Ltd，2006.

[3]欒國紅，郭德倫，張田倉，等.鋁合金的攪拌摩擦焊[J].焊接技術，2003（1）：1-4.

[4]Mishra RS，MA ZY.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering，2005，50（12）：178-185.

[5]Jiang M.Effect of Welding Time on the Joining Phenomena of Diffusion Welded Joint between Aluminum Alloy and Stainless Steel[J].Materials and Manufacturing processes，2013，27(12)：1366-1369.

[6]王丙軍，康 博，朱西偉，等.鋁合金攪拌摩擦焊異焊接頭的顯微組織和力學性能[J].電焊機，2013，43（9）：69-72.

[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].焊接學報，2013，34（11）：41-44.