Mg-1Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接試驗研究

徐安蓮

（1 廣東華中科技大學工業技術研究院，廣東 東莞：523808；2 華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢：430074）

攪拌摩擦焊接，作為一種固相焊接技術，在鋁合金、鎂合金、銅等有色金屬焊接方面具有無可比擬的優勢，具有廣闊的應用前景。鎂合金是一種極具應用潛力的輕合金。Mg-Al-Sn系鎂合金由于具有較好的綜合性能且不含貴重的稀土元素，吸引了很多人的研究興趣。Mg-Al-3Sn鎂合金是一種備受業界關注的Mg-Al-Sn系鎂合金。我們都知道焊接對于輕合金大規模市場化至關重要。但是，目前關于Mg-Al-3Sn鎂合金焊接的研究還較少[1-3]。為此，筆者采用不同工藝參數進行了Mg-1Al-3Sn鎂合金板材的攪拌摩擦焊接試驗。

1 試驗材料與方法

試驗材料：擠壓態Mg-1Al-3Sn鎂合金板材，尺寸為200mm×100mm×3mm（長×寬×高），板材室溫抗拉強度為236 MPa。

采用的焊接設備為廣東柳泰焊接科技有限公司生產的LT-XJ16-1510-03型靜龍門攪拌摩擦焊接設備。攪拌頭由模具鋼制作而成，軸肩直徑10 mm，攪拌針長度2.7 mm，焊接傾角2.5°，旋轉速度分別為800、900、1000、1100、1200 r/min，焊接速度分別為120、180、240、300、360 mm/min。

焊接接頭的X光無損檢測采用CDZ-320ZD-A型工業探傷儀。力學性能參照國標GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》[4]，采用三思CMT-5105型材料試驗機進行測試，測試溫度為室溫，拉伸速度1mm/min。

2 試驗結果與分析

當攪拌頭旋轉速度在800～1200 r/min、焊接速度在120～360 mm/min范圍時，Mg-Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭都較為光亮，飛邊較少，表面無明顯的溝槽、孔洞等缺陷，接頭成型性較好。經過X光無損檢測發現，所有焊接接頭的內部也無缺陷，較為致密。我們可以認為在較寬的焊接工藝參數范圍內，可以獲得無缺陷的Mg-Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭。

經過室溫拉伸試驗，發現Mg-1Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭的室溫抗拉強度在190～217 MPa之間，接頭效率（即焊接接頭抗拉強度與被焊母材抗拉強度的百分比）達到80.5～91.9%。拉伸試樣結果進一步說明，可以在較寬的工藝參數范圍內，Mg-Al-3Sn鎂合金獲得較高性能的攪拌摩擦焊接頭，可以成功實現Mg-1Al-1Sn鎂合金無缺陷的對接焊。對于Mg-Al-3Sn鎂合金而言，攪拌摩擦焊接是一種較為適用的焊接方法。作為一種新型的固相焊接技術，攪拌摩擦焊接對于鎂合金等輕質有色金屬及其合金的焊接極具應用價值。在攪拌摩擦焊接過程中，旋轉速度、焊接速度、軸肩直徑、攪拌頭傾角、攪拌針長度等參數都會對攪拌摩擦焊接頭性能產生影響[5]。其中攪拌頭旋轉速度和焊接速度是兩個極其重要的焊接工藝參數。

攪拌頭旋轉速度對于攪拌摩擦焊接過程中的產熱有著極其重要的影響。在其它工藝參數不變的情況下，適當提高旋轉速度，有利于增大攪拌摩擦焊過程中產生的摩擦熱，從而促進被焊母材內部的熱塑性流動，提高焊接接頭的性能；但是如果旋轉速度過高，可能導致被焊母材的內部溫度過高，引起組織粗化、焊核區局部軟化等問題[6-7]。但是，我們需要注意的是攪拌頭旋轉速度對于焊接接頭性能的影響不是單一或者獨立的。

因為即便是相同的材料，當我們采用焊接設備不一樣、或者采用的攪拌頭不一樣，都有可能使得最佳攪拌頭旋轉速度不一樣。

所以，在實際的工藝參數選擇過程中，我們需要綜合考慮攪拌摩擦焊接設備、攪拌頭、旋轉速度、焊接速度等因素來考慮焊接過程的產熱。

確保被焊母材在焊接過程中有足夠的熱輸入，同時還要避免發生過熱情況，只有這樣才能獲得較佳的焊接接頭，獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭。

焊接速度對于攪拌摩擦焊接過程中的生產效率有著極其重要的影響。

在其它工藝參數不變的情況下，適當提高焊接速度，有利于提高生產效率；但是如果焊接速度過快，可能導致摩擦熱不夠，不能形成有效的熱塑性流動層，導致孔洞等缺陷的產生。

另一方面，過快的焊接速度對焊接設備和操作人員都會提出更高的要求[8]。與攪拌頭旋轉速度一樣，焊接速度對于焊接接頭性能的影響也不是單一或者獨立的。因為即便是相同的材料，當我們采用焊接設備不一樣、或者采用的攪拌頭不一樣，都有可能使得最佳焊接速度不一樣。

所以，在實際的工藝參數選擇過程中，我們需要綜合考慮攪拌摩擦焊接設備、攪拌頭、旋轉速度、焊接速度等因素來考慮焊接過程的產熱，從而確保獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭。

3 結論

鎂合金焊接是一個極其重要的技術課題，有著極其重要的應用研究價值。如何獲得高性能的鎂合金焊接接頭，是鎂合金商業化應用過程中面臨的一個重要問題。通過不同工藝參數下的Mg-1Al-3Sn鎂合金平板對接攪拌摩擦焊接試驗，知道Mg-1Al-3Sn鎂合金在較寬的焊接工藝參數范圍內都可以獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭，接頭效率高達91.9%。

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[4]GB/T2651-2008.焊接接頭拉伸試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2008.

[5]王國慶,趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊接[M].北京:中國宇航出版社,2010:145-167.

[6]劉國光,徐韋鋒,姬浩,等.旋轉速度對鋁合金攪拌摩擦焊接頭彎曲性能的影響[J].電焊機,2015,45(5):112-116.

[7]姬書得,孟祥晨,黃永憲,等.攪拌頭旋轉頻率對靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響規律[J].焊接學報,2015,36(1):51-54.

[8]魏寶華,李寶華,唐眾民,等.焊接速度對攪拌摩擦焊縫組織及性能的影響[J].兵器材料科學與工程,2013,36(4):68-70.