高應變率下AZ31鎂合金焊接接頭動態力學性能

毛萍莉，席 通，劉 正，董 陽，劉遵鑫，邸金南

（沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽110870）

鎂合金具有高的比強度、比剛度、減震性、導熱性、可切削加工性和可回收性，因而被稱為21世紀的“綠色”工程材料［1，2］。目前，國內外對鎂合金需求日益增加，鎂合金結構件、型材、板材的應用范圍不斷擴大，而鎂合金的連接工藝也隨之越來越重要。焊接作為金屬材料連接工藝中最普遍的連接方式之一，相對于鋼鐵材料及鋁合金，鎂合金焊接性能較差，已成為制約其廣泛應用的首要問題［3，4］。周海等［5］研究了不同電流下AZ31鎂合金鎢極氬弧焊（Argon Tungsten－arc Welding，TIG）焊接接頭的顯微組織及力學性能；張福全等［6］，彭劍等［7］探討了氬弧焊工藝參數對 AZ31鎂合金薄板焊接接頭質量的影響，并對3mm厚的AZ61鎂合金薄板采用AZ31，AZ61兩種焊絲進行TIG焊，探討焊絲成分對焊接接頭組織和性能的影響。Srinivasan等［8］探索了AZ31激光焊接件的力學性能及應力腐蝕斷裂行為；Forcellese等［9］通過單軸拉伸和半球形穿孔實驗研究了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）AZ31鎂合金的成型性能；Chowdhury等［10］研究了在不同應變率下AZ31雙面電弧焊接和攪拌摩擦焊接接頭的微觀組織、拉伸性能以及加工硬化行為。

現階段關于鎂合金焊接接頭性能的研究，更多地集中在常溫靜態力學性能及高溫蠕變性能；近年來鎂合金的焊接技術在汽車上的應用越來越廣泛，其在高應變率下的性能顯得尤為重要，因而研究鎂合金焊接接頭在高速沖擊載荷下的動態力學性能對于鎂合金在汽車關鍵部件上的應用具有重要意義。

為此，本工作利用Hopkinson壓桿技術對AZ31鎂合金TIG焊和FSW焊焊接接頭進行了高速壓縮實驗，研究了在高應變率下兩種鎂合金焊接接頭的力學性能，并分析了其斷裂機理。

1 實驗材料和方法

實驗材料為軋制成型尺寸800mm×800mm×5mm AZ31鎂合金板材，其抗拉強度為240MPa，伸長率為9.2%，合金化學成分［11］（質量分數／%）主要為Al 2.5～3.5，Zn 0.5～1.5，Mn 0.2～0.5，Si 0.1，Cu 0.05，其余為Mg。板材分別采用鎢極氬弧焊和攪拌摩擦焊進行焊接，焊絲成分與母材成分相同。焊接時采用WSE－500焊機沿板材軋制方向進行平板對接，如圖1所示。焊接前，使用砂紙將板材正反面打磨光滑。圖2為試樣尺寸及取樣位置示意圖，取樣時焊縫位于試樣的中部。TIG焊和FSW焊的工藝參數如表1所示。

圖1 AZ31鎂合金板材焊接方式 （a）TIG；（b）FSWFig.1 Welding illustration of AZ31 magnesium alloy（a）TIG；（b）FSW

圖2 試樣尺寸（a）及取件位置（b）示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample size（a）and sample position（b）

采用分離式Hopkinson壓桿在高應變率下對兩種焊接接頭進行壓縮實驗，應變速率為900～2500s－1。將實驗后的試樣沿軸線切開，經過研磨、拋光和腐蝕后在光學顯微鏡（ZEISS Axio Observer A1m）下觀察組織變化情況，對于斷裂的試件利用掃描電鏡（HITACHI S－3400N）進行斷口觀察。

表1 TIG和FSW焊接工藝參數Table 1 Welding parameters of TIG and FSW

2 實驗結果與討論

2.1 高應變率下不同焊接接頭動態壓縮變形行為

高應變率實驗是利用打擊桿打擊，在動態壓縮過程中，由于材料所處的應變速率范圍跨度很大，因此實驗結果中給出的應變速率實際上是平均值［12］。

圖3為AZ31鎂合金TIG和FSW焊接接頭在不同應變率下的動態真應力－應變曲線。為了對比不同焊接接頭對合金動態力學行為的影響，圖4示出了兩種鎂合金焊接接頭在相近應變率下的動態真應力－應變曲線。

圖3 AZ31鎂合金焊接接頭在不同應變率下的動態真應力－應變曲線 （a）TIG；（b）FSWFig.3 Dynamic true stress－strain curves of AZ31 magnesium alloy welding joints at different strain rates （a）TIG；（b）FSW

圖4 AZ31鎂合金焊接接頭在相近應變率下的動態真應力－應變曲線Fig.4 Dynamic true stress－strain curves of AZ31 magnesium alloy welding joints at similar strain rate

圖3（a）為AZ31鎂合金TIG焊接接頭應變速率分別在 950，1520，2170，2300s－1和 2451s－1時動態壓縮的真應力－應變曲線。可以看出，動態壓縮時，曲線表現出連續屈服的變形特征。隨應變速率的增加，真應力－應變曲線明顯上移，試樣的最大應力不斷增大。當應變速率達到2300s－1時，試樣發生斷裂，斷裂強度為349MPa，斷裂應變為11%。圖3（b）為AZ31鎂合金FSW 焊接接頭應變速率分別在940，1838，2253，2343s－1和2763s－1時動態壓縮的真應力－應變曲線。可以發現，曲線呈現連續光滑變化，表現出連續屈服的變形特征，未出現明顯的轉折臺階。隨應變速率的增加，試樣的最大應力不斷增大。當應變速率達到2343s－1時，試樣發生斷裂，斷裂強度為389MPa，斷裂應變為12%。

由圖3還可以發現，雖然應變速率從940s－1增加到2797s－1，幾乎增加了2倍，但是AZ31鎂合金兩種焊接接頭的真應力－應變曲線變化幅度不大，說明兩種焊接接頭對應變速率的敏感性較小。本文作者［13］在研究高應變速率下擠壓態AZ31鎂合金壓縮變形組織時，同樣觀察到這一現象。

圖4為AZ31鎂合金兩種焊接接頭在相近應變率下的真應力－應變曲線。可以看出，在應變率為2300s－1時，應力－應變曲線都呈凸形，并且FSW焊接接頭的變形抗力較高，表明在相近應變率下FSW焊接接頭的斷裂強度和屈服強度均優于TIG焊接接頭。

圖5為兩種鎂合金焊接接頭的最大應變隨應變率的變化，可以看出兩種焊接接頭的最大應變隨應變率的變化曲線相似并且在同等應變率條件下FSW焊接接頭εmax都略大于TIG焊接接頭，這表明在高應變率下FSW焊接接頭的塑形略優于TIG焊接接頭。

圖5 AZ31鎂合金焊接接頭的最大應變與平均應變率的關系Fig.5 Relationship between maximum strain and average strain rate for AZ31 magnesium alloy welding joints

2.2 掃描分析

圖6為AZ31鎂合金板材焊接接頭在不同應變率下的壓縮斷口形貌。AZ31鎂合金兩種焊接接頭在高應變率下破壞的宏觀表現都為剪切破壞，但是略有不同：TIG焊接接頭剪切面凹凸不平，FSW焊接接頭剪切面較為平滑。在斷裂前，兩種試樣都發生了明顯的塑性變形，并且斷裂區域均位于熱影響區的粗晶區，由圖6可以發現，兩種焊接接頭的斷裂面上都出現明顯的河流花樣以及較少的二次裂紋，并有清晰的解理面和解理臺階，可以斷定兩種焊接接頭的斷裂方式均為解理斷裂，都具有密排六方晶體結構的鎂合金的典型斷裂特征。由圖6（a），（b）可以看出，TIG焊接接頭的斷裂面有許多解理臺階所形成的撕裂棱和“凹坑”，這是發生剪切破壞時破壞方向發生變化時產生的。由圖6（c），（d）可以看出，相對于 TIG焊接接頭，FSW 焊接接頭解理面和解理臺階較少。產生這種差異的主要原因如下：FSW所得到的焊縫質量優于TIG，FSW焊接接頭內晶粒得到細化，其焊接缺陷少于TIG，并且在高應變速率下，整個試樣的斷裂過程發生在幾十微秒的時間內，破壞前沿只能沿最近的裂紋方向發展，焊接接頭內細小的組織差別，就可造成其剪切面和解理輪廓的不同。

圖6 AZ31鎂合金板材焊接接頭在不同應變率下的壓縮斷口形貌 （a）TIG焊接接頭低倍斷口；（b）TIG焊接接頭高倍斷口；（c）FSW焊接接頭低倍斷口；（d）FSW焊接接頭高倍斷口Fig.6 Compression fracture morphology of AZ31 magnesium alloy welding joints at different strain rates（a）low magnification fracture of TIG welding joint；（b）high magnification fracture of TIG welding joint；（c）low magnification fracture of FSW welding joint；（d）high magnification fracture of FSW welding joint

2.3 金相顯微組織分析

圖7為AZ31鎂合金板材原始金相組織形貌，可以發現合金板材內部晶粒大小分布不均，大晶粒尺寸可達到約20μm，小晶粒尺寸約為5μm，并且在大晶粒內部分布著孿晶（見圖7中箭頭所示），這主要是由于板材軋制成型以及軋制過程中的動態再結晶所導致。

圖7 AZ31鎂合金板材原始組織Fig.7 Original metallographic structure of AZ31 magnesium alloy

圖8為兩種焊接接頭的原始組織形貌，可以發現，原始母材中的孿晶在焊接后已經不存在，且TIG焊接接頭焊縫區組織細小，屬于鑄造急冷組織，并且由于晶界上的析出相使得腐蝕后焊縫的晶界不明顯。熱影響區（Heat Affected Zone，HAZ）的組織粗大，屬于過熱組織，主要由于焊接時熱影響區吸收熱量較多，使得該區的晶粒長大；FSW焊接接頭攪拌區組織晶粒細小，這主要是因為這一區域在攪拌頭的作用下，粗大的晶粒連續被打碎，再結晶晶粒來不及長大，形成了非常細小的等軸晶。其熱影響區的晶粒尺寸遠大于攪拌區，但比TIG焊接接頭熱影響區的晶粒要小。這些粗大晶粒的韌性和塑性都較差，在高速沖擊下極易發生斷裂。

圖9為兩種焊接接頭在不同應變率沖擊后的金相組織。由高速沖擊之后的宏觀斷口可以看出，高速沖擊下合金的斷裂區域均位于熱影響區的粗晶區。圖9（a）～（c）為不同應變率沖擊后TIG焊接接頭熱影響區的組織形貌，可以發現，晶粒中沒有出現孿晶，并且

圖8 AZ31鎂合金焊接接頭的原始組織形貌 （a）TIG焊接接頭；（b）FSW焊接接頭；（c）TIG焊接接頭熱影響區；（d）TIG焊接接頭焊縫區；（e）FSW焊接接頭熱影響區；（f）FSW焊接接頭攪拌區Fig.8 Original metallographic structure of AZ31 magnesium alloy welding joints （a）TIG welding joint；（b）FSW welding joint；（c）HAZ of TIG welding joint；（d）weld bead of TIG welding joint；（e）HAZ of FSW welding joint；（f）weld nugget of FSW welding joint

3 結論

（1）在900～2500s－1應變率范圍內，隨著應變率的增加，AZ31鎂合金焊接接頭的真應力－應變曲線變化不大，表明AZ31鎂合金兩種焊接接頭對應變速率的敏感性較小。在高應變速率下FSW焊接接頭的強度及塑性均優于TIG焊接接頭。

（2）掃描分析表明：在高應變速率條件下，AZ31兩種焊接接頭的斷裂方式均為解理斷裂，但FSW焊接接頭的斷口更為光滑。

（3）AZ31鎂合金兩種焊接接頭的顯微組織均對應變率不敏感，并且在高應變率壓縮下的變形方式相同，主要為滑移。

圖9 AZ31鎂合金焊接接頭在不同應變率沖擊后的組織形貌 （a）TIG焊接接頭，1520s－1；（b）TIG焊接接頭，2170s－1；（c）TIG焊接接頭，2300s－1；（d）FSW 焊接接頭，1838s－1；（e）FSW 焊接接頭，2253s－1；（f）FSW 焊接接頭，2797s－1Fig.9 Metallographic structure morphology of AZ31 magnesium alloy welding joints after impact（a）TIG welding joint，1520s－1；（b）TIG welding joint，2170s－1；（c）TIG welding joint，2300s－1；（d）FSW welding joint，1838s－1；（e）FSW welding joint，2253s－1；（f）FSW welding joint，2797s－1

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