鎂合金AZ31/Zn-7Al/鋁合金6061接觸反應釬焊研究

耿 明，張臨琳，張 力，隋燕都

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

隨著科技和社會的不斷進步，軌道交通行業正朝著高速、綠色、舒適和安全方向發展。車輛輕量化是節能減排、優化性能的最有效方法，因此輕型材料逐漸應用于軌道車輛工業中。鋁、鎂合金材料是現有金屬材料密度最低的輕金屬材料，是車輛輕量化的首選材料。其中，鋁合金材料因其密度低、耐腐蝕性好、易成型、可回收等一系列優良性能得到廣泛應用，特別是在高速列車領域，車體結構已全面采用鋁合金材料。而鎂合金與其他結構材料相比，具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優異、易成型可回收等優點，被譽為“21世紀的綠色工程材料”，越來越受到人們的青睞[1]，已應用于汽車、航空航天等高新技術領域。

隨著鎂合金在工業領域的推廣應用，鎂合金與其他金屬的連接問題成為鎂合金的前沿課題[2]，特別是鎂合金與鋁合金的焊接結構，既能進一步減輕構件質量，又能發揮兩種金屬不同的使用性能，具有廣闊的應用前景，成為研究的重點。目前，國內外學者采用不同的焊接方法（激光焊[3]、TIG焊[4]、脈沖鎢極氬弧焊[5]、激光氬弧焊[6]、真空擴散焊[7-9]、攪拌摩擦焊[10-11]）對鎂、鋁合金進行焊接研究，取得一定的成果。釬焊作為材料連接的一種重要手段，應用范圍獨特，能實現較大面積的搭接和形狀不規則結構之間的焊接，具有其他焊接方法無法比擬的優點。目前，對釬焊在鎂、鋁合金連接方面研究較少，尚處于初步研究階段。本研究主要針對AZ31、6061兩種合金，通過填加Zn-7Al金屬中間層的方法對其接觸反應釬焊進行研究，并著重進行接頭微觀組織分析及力學性能檢測。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 基體實驗材料

選擇6061鋁合金和AZ31鎂合金作為基體實驗材料，合金板條厚度3.0 mm，化學成分見表1、表2。實驗前采用線切割方法將6061鋁合金、AZ31鎂合金加工成尺寸13mm×60mm×3.0mm的樣品。

表1 6061鋁合金化學成分%Table 1 Chemical composition of 6061 aluminium alloy

1.2 中間層制備材料

選擇過共晶成分的Zn-7Al作為中間層材料，化學成分為 w（Zn）=93%，w（Al）=7%。

采用熱浸鍍方法將中間層材料浸鍍到6061鋁合金基體表面，熱浸鍍溫度415℃（略高于熔化溫度410℃）

1.3 接觸反應釬焊

打磨去除鎂試樣表面和鋁試樣鍍層表面氧化膜，用丙酮擦拭干凈。然后搭接兩試樣，搭接方法如圖1所示。用自制不銹鋼夾具夾緊以確保表面緊密接觸。實驗中采用霞普氣火焰作為熱源進行AZ31/Zn-6Al/6061的接觸反應釬焊。焊接過程中，用火焰加熱鋁側的夾具，當接頭處出現小液滴時停止加熱，并迅速將試樣水冷至室溫。

圖1 填加中間層的AZ31/6061接觸反應釬焊示意Fig.1 Diagram of the contact-reaction brazing of AZ31/6061 by adding the middle layer

1.4 微觀組織觀察

對熱浸鍍完的鋁合金板樣品和焊接完成的試樣的截面進行組織分析，顯像劑選擇5%的苦味酸酒精溶液，采用Keyence VHX-1000E三維數碼視頻顯微鏡觀察接頭組織。

1.5 接頭力學性能實驗

采用WE-100型液壓萬能試驗機檢測接頭拉剪強度。

2 實驗結果與分析

2.1 Zn-7Al中間層組織形貌

使用Zn-7Al鍍液對6061鋁合金基體表面進行熱浸鍍后的顯微組織形貌如圖2所示。中間層金屬與鋁合金板結合致密，質量良好，無未熔合等缺陷，表明熱浸鍍工藝合理。同時可以看到該鍍層由兩部分組成，即緊鄰鋁基體側通過鋅鍍液與鋁基體相互擴散形成的過渡層和過渡層上殘留的鍍液凝固形成的外部層。

圖2 6061鋁合金表面熱浸鍍Zn-7Al后的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of 6061 aluminium alloy surface which is hot-dip-coated by Zn-7Al alloy

2.2 接觸反應釬焊接頭微觀形貌

AZ31/Zn-7Al/6061接觸反應釬焊接頭顯微組織形貌如圖3所示，上面為鎂基體，下面為鋁基體。可以看出，靠近鋁基體位置與靠近鎂基體位置明顯形成了不同組織的反應層，靠近鎂側區域，緊鄰鍍層過渡區的區域以及兩區之間的一層細晶區域，靠近中間層的包含Al基固溶體的Mg-Zn組織，靠近鋁基體區域中尺寸較大的鋁基固溶體柱狀晶。

圖3 AZ31/Zn-7Al/6061接觸反應釬焊接頭顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the contact-reaction brazing joint of AZ31/Zn-7Al/6061

互擴散區某些位置的Mg、Zn濃度達到共晶成分要求時在共晶溫度出現Mg-Zn共晶液相。先析出的較大柱狀晶粒和橢球狀晶粒在液相溶蝕作用下形成枝晶狀鋁基固溶體，并在Mg-Zn液相作用下向Mg-Zn共晶成分中流布。由于表面不平，界面接觸的時間長短不同，使得各處高低不同從而產生液相的量也不同。中間層與鋁基體界面的過渡層在接觸反應釬焊前后未發生變化。由于鋁基固溶體是韌性相，對接頭的組織性能具有一定的加強作用。

根據上述組織分析可知，整個接頭在連接過程中經歷了復雜的擴散及反應過程，接頭界面區由靠近鎂基體側及心部的共晶組織和靠近鋁基體側的粗大柱狀晶組成。由于Mg元素較活潑，接頭反應生成的共晶液相量較多，且有較充分的時間在接頭流布，因此所形成的接頭連接區域共晶組織所占的比例較大且界面平直，組織均勻。

2.3 AZ31/Zn-7Al/6061接頭力學性能

AZ31/Zn-7Al/6061接頭的剪切強度值為：1號試樣 32.3 MPa，2 號試樣 32.7 MPa，3 號試樣 35 MPa，平均33.3 MPa；Mg/Al直接接觸反應獲得的接頭剪切強度值為：1號試樣 12.3 MPa，2號試樣11.7 MPa，3號試樣10.4 MPa，平均11.5 MPa。這表明中間層Zn-7Al的填加提高了接頭的力學性能。

3 結論

（1）鋅和鋁能夠生成性能良好的固溶體相，鋅與鎂能夠生成共晶液相。Zn作為AZ31/6061的中間層基體金屬進行接觸反應釬焊十分可行。

（2）AZ31/Zn-7Al/6061釬焊搭接接頭反應層的組織分別為靠近鎂側的Zn擴散進入Mg基體形成的Mg-Zn共晶組織，反應層中Mg擴散進入到Zn中形成的Mg-Zn共晶組織，靠近鋁基體的尺寸較大的殘留的先析出Al基固溶體。鋁基固溶體是韌性相，對接頭的組織性能具有一定的加強作用。

（3）AZ31/Zn-7Al/6061接觸反應釬焊接頭強度高于Mg/Al直接進行接觸反應釬焊接頭強度，加入Zn-7Al可提高接頭的力學性能。

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