數控機床用ZA35鋅鋁合金的攪拌摩擦點焊工藝研究

鄭 彬

（山東理工大學，淄博 255000）

0 引言

鋅鋁合金是一種常用的有色金屬合金系，在航空、汽車、電力、印制板等行業得到廣泛的應用。隨著工業技術的發展和科技水平的提升，鋅鋁合金的應用更加廣泛[1,2]。在鋅鋁合金的實際應用過程中，焊接是一個非常重要的連接方式。攪拌摩擦點焊是在攪拌摩擦焊技術的基礎上發展起來的一種新型焊接技術。與其他焊接技術相比，攪拌摩擦點焊具有接頭質量高、工藝過程簡單、連接工具壽命長、工作環境清潔衛生、節省能源、降低能耗、節約成本等優點，備受業界的關注。目前，攪拌摩擦點焊的研究主要集中在鋁合金、鎂合金方面，在鋅鋁合金焊接上的應用還鮮有報道[3～5]。本文以數控機床用ZA35鋅鋁合金為研究對象，進行了攪拌摩擦點焊工藝的研究，并對接頭的顯微組織、物相組成、力學性能和耐腐蝕性能進行了測試與分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以數控機床用ZA35鋅鋁合金為焊接母材，其尺寸為500mm×50mm×3mm，采用EDX4500型能量彌散X射線熒光分析儀對數控機床用ZA35鋅鋁合金進行成分分析，分析結果如表1所示。在自行改裝設計的攪拌摩擦點焊設備上進行數控機床用ZA35鋅鋁合金的攪拌摩擦點焊工藝試驗。試驗的主要過程，如圖1所示。數控機床用ZA35鋅鋁合金的攪拌摩擦點焊工藝參數，如表2所示。

表1 ZA35合金試樣的化學成分

圖1 攪拌摩擦點焊的主要試驗過程

表2 攪拌摩擦點焊工藝參數

1.2 試驗方法

顯微組織分析：采用DM 2700M型金相顯微鏡，對數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的顯微組織進行觀察與分析。

物相分析：采用D/max-rB型X射線衍射儀，對數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的物相組成進行分析。

力學性能測試：采用CMT4000型電子萬能試驗機，對數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的抗拉強度、延伸率和抗剪力進行測試，測試溫度為室溫，并用JSM6510型掃描電子顯微鏡對拉伸斷口形貌進行觀察和分析。

耐腐蝕性能測試：采用CHI660B型電化學工作站，對數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的耐腐蝕性能進行測試，測試時采用三電極體系，即參比電極為甘汞電極、輔助電極為鉑黑電極、工作電極為接頭試樣制備的電極。電化學腐蝕液為5wt.%NaCl溶液、試驗溫度為室溫、掃描速度為0.001V/s。為了有效避免測試面表面氧化物的影響，測試Tafel曲線前，先在1.0V恒電位下極化3分鐘。

2 試驗結果及討論

2.1 顯微組織分析結果及討論

數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的顯微組織，如圖2所示。從圖2可以看出，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊上板與下板交界處的顯微組織差異較大，上下板交界處的晶粒尺寸明顯不同；上板一側的ZA35鋅鋁合金晶粒粗大，而下板一側的晶粒明顯更為細小。這主要是因為數控機床用ZA35鋅鋁合金上板與下板，在軸肩和攪拌針的共同作用下二者的熱輸入存在差異，數控機床用ZA35鋅鋁合金上板獲得的熱量較多，為晶粒的行核、長大提供了條件，使得上板的晶粒出現異常性長大；然而數控機床用ZA35鋅鋁合金上板的熱量難以有效傳遞到合金下板，從而使得上板與下板在交界處承受的熱量明顯不同，從而導致數控機床用ZA35鋅鋁合金上板與下板形成了明顯差異的顯微組織形貌。

圖2 接頭的顯微組織照片

2.2 物相分析結果及討論

數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的XRD圖譜，如圖3所示。從圖3可以看出，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭由η-Zn相、α-Al相和少量的Mg12Al47Cu7相組成。

圖3 接頭的XRD圖譜

2.3 力學性能測試結果及討論

數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的力學性能測試結果，如圖4所示。從圖4可以看出，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的抗拉強度達到321.4MPa、為數控機床用ZA35鋅鋁合金母材（342.5MPa）的93.84%；延伸率達到1.21%、為數控機床用ZA35鋅鋁合金母材（1.42%）的85.21%；抗剪力達到7.78kN、為數控機床用ZA35鋅鋁合金母材（8.94kN）的87.02%。由此可以看出，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭具有較佳的力學性能。這主要是因為攪拌摩擦點焊工藝的實施，數控機床用ZA35鋅鋁合金接頭的焊接質量較高，無明顯的孔洞、夾雜等焊接缺陷。

圖4 接頭的力學性能測試結果

圖5是數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的拉伸斷口形貌SEM照片。從圖5可以看出，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的拉伸斷口由較多的等軸韌窩和少量的撕裂棱組成，呈現較為明顯的塑性斷裂特征。因此，我們可以認為數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭具有較好的拉伸性能，與數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的抗拉強度和延伸率測試結果一致。綜上所述，我們可以認為數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭具有較好的力學性能。

圖5 接頭拉伸斷口形貌的SEM照片

2.4 耐腐蝕性能測試結果及討論

數控機床用ZA35鋅鋁合金母材以及ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭，分別在室溫的5wt.%NaCl溶液中，以0.001V/s掃描速度獲得的Tafel曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，與數控機床用ZA35鋅鋁合金母材相比，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的腐蝕電位稍有負移，從-0.647V負移至-0.661V，僅負移了14mV。眾所周知，當其它條件都相同的情況下，金屬材料的腐蝕電位愈負，材料的電化學腐蝕性能越弱；腐蝕電位愈正，則材料的電化學腐蝕性能越差[6]。由此可以看出，與數控機床用ZA35鋅鋁合金母材相比，數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭保持了較好的耐腐蝕性能。這主要是因為數控機床用ZA35鋅鋁合金在攪拌摩擦點焊過程中獲得了組織較為致密的、無明顯焊接缺陷的焊接接頭，具有較強的抵抗腐蝕能力。

圖6 試樣的Tafel曲線

3 結論

1）采用攪拌摩擦點焊工藝，可以實現較佳力學性能和耐腐蝕性能的數控機床用ZA35鋅鋁合金焊接。

2）數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭，由η-Zn相、α-Al相和少量的Mg12Al47Cu7相組成。

3）數控機床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的抗拉強度達到321.4MPa、延伸率達到1.21%、抗剪力達到7.78MPa，分別為合金母材的93.84%、85.21%和87.02%；腐蝕電位較母材僅負移14mV。

[1] 劉敬福,李榮德.噴射成形ZA35合金的高溫磨損行為[J].熱加工工藝,2010,04:55-57.

[2] 劉敬福,李榮德,宋建,白彥華.Zr對ZA35合金電化學腐蝕行為的影響[J].鑄造,2012,03:308-311.

[3] P.Venkateswaran,A.P.Reynolds. Factors affecting the properties of Friction Stir Welds between aluminum and magnesium alloys[J].Materials Science and Engineering A.2012,(545):26-37.

[4] Masayuki Aonuma, Kazuhiro Nakata. Dissimilar metal joining of ZK60 magnesium alloy and titanium by friction stir welding[J].Materials Science and Engineering B. 2012,(177):543-548.

[5] 張松,喬鳳斌,趙維剛.基于ANSYS的攪拌摩擦點焊機器人關鍵部件的分析與優化設計[J].制造業自動化,2012,(06):8-10+14.

[6] K. Nakata,J.Liao,L.Zhou. Corrosion of friction stir welded magnesium alloy AM50[J].Materials and Design,2012,(42):505-512.