AZ31鎂合金攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊接頭組織和性能研究

李湘寧，焦建強(qiáng)，楊大龍，丁成鋼

（1.中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連116021；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116028）

0 前言

膠接（Bonding）是利用在連接面上產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)合力、物理吸附力和化學(xué)鍵合力而使兩個(gè)膠接件連接起來的工藝方法，是對(duì)焊接的補(bǔ)充，在特定條件下可以提供特殊的功能[1]。攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding，簡(jiǎn)稱FSSW）是在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上新開發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)。與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊相比，攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接熱入量低，工件變形較小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定；節(jié)省能源、降低成本；工藝過程簡(jiǎn)單，只需簡(jiǎn)單的編程即可實(shí)現(xiàn)焊接過程[2]。國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已將FSSW技術(shù)用于汽車生產(chǎn)和制造中鋁合金與鋼的連接，并可實(shí)現(xiàn)雙相不銹鋼與高強(qiáng)馬氏體不銹鋼的連接[3-5]。將膠接技術(shù)與攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)復(fù)合而成的膠焊連接方法（Bongding-FSSW），能實(shí)現(xiàn)有效、統(tǒng)一的機(jī)械結(jié)合、冶金結(jié)合和化學(xué)結(jié)合，是對(duì)傳統(tǒng)的膠接-電阻點(diǎn)焊（膠焊）工藝技術(shù)的繼承和發(fā)展，是一種將攪拌摩擦點(diǎn)焊與膠接相結(jié)合的新穎、高效的復(fù)合連接工藝方法。

研究AZ31鎂合金攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊（Bonding-FSSW）接頭的組織和力學(xué)性能，為Bonding-FSSW方法的應(yīng)用提供必要的工程依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為3mm厚AZ31鎂合金薄板，尺寸200mm×50mm×3mm，化學(xué)成分如表1所示。所有焊點(diǎn)均采用搭接形式，搭接面積50mm×50mm。在自行改裝設(shè)計(jì)的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行FSSW試驗(yàn)，采用圓柱形帶凹槽攪拌頭，其材料為熱作模具鋼，攪拌針螺紋方向?yàn)樽笮S肩直徑18mm，攪拌針直徑4.0mm，攪拌針長度4.5mm。

表1 AZ31鎂合金的主要化學(xué)成分 %

焊前用細(xì)砂紙打磨試樣上下表面，并用酒精擦拭，以去除氧化膜、水及油污。試件制備的工藝路線為：布膠→攪拌摩擦點(diǎn)焊→固化。Bonding-FSSW成型及接頭的宏觀形貌如圖1所示，接頭結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)成型缺陷。

圖1 Bonding-FSSW成型及接頭的宏觀形貌

參照J(rèn)ISZ3136-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加工Bonding接頭、FSSW接頭、Bonding-FSSW接頭拉伸剪切試樣[6]，每種接頭3個(gè)試樣，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切性能試驗(yàn)，測(cè)量焊點(diǎn)的抗剪載荷。

制備接頭金相試樣并分析接頭組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 AZ31鎂合金B(yǎng)onding-FSSW接頭組織

FSSW接頭的微觀組織如圖2所示。母材（BM）的晶粒大小不均勻，組織中存在部分變形孿晶、粗晶（見圖2a）。焊核區(qū)（WN）組織由細(xì)小等軸晶粒組成（見圖2b）。與母材組織相比，焊核區(qū)晶粒變得細(xì)小，且分布較為均勻。在FSSW過程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與焊核區(qū)金屬摩擦生熱，焊核區(qū)金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，同時(shí)攪拌針對(duì)該區(qū)金屬原始晶粒產(chǎn)生機(jī)械破碎作用，焊核區(qū)金屬在攪拌摩擦熱的作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，由于AZ31鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大，散熱較快，晶粒沒有足夠的時(shí)間長大，故焊核區(qū)形成細(xì)小等軸晶。圖2c為熱機(jī)械影響區(qū)（TMAZ）微觀組織，該區(qū)位于攪拌頭作用邊緣，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)摩擦作用下，金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，組織受攪拌頭摩擦和擠壓作用發(fā)生一定程度的變形和破碎，在焊接熱循環(huán)作用下，熱機(jī)影響區(qū)晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶過程，但由于所受攪拌作用和摩擦熱沒有焊核區(qū)劇烈，晶粒在分布上沒有焊核區(qū)的細(xì)小、均勻。圖2d為接頭底部熱影響區(qū)（HAZ）組織，該區(qū)晶粒較粗大，且大小、分布不均勻。在FSSW過程當(dāng)中，熱影響區(qū)金屬?zèng)]有受到攪拌針強(qiáng)烈攪拌作用以及軸肩的摩擦作用，未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒較為粗大。

膠接區(qū)、膠接層與焊核的交界區(qū)的組織如圖3所示。膠接層厚度60～70 μm，且較為均勻，膠接層與母材結(jié)合良好，未出現(xiàn)成型缺陷（見圖3a）。膠接層與焊核界面組織如圖3b所示，界面附近的膠層仍然保留，但厚度有所減少，而且末端出現(xiàn)一些變形，這是因?yàn)樵贔SSW過程中膠層受到熱和力作用，界面未出現(xiàn)氣孔和夾雜缺陷。

2.2 接頭力學(xué)性能

接頭的拉伸剪切試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。用密封膠進(jìn)行膠接點(diǎn)焊，接頭的抗拉伸剪切能力與FSSW接頭相當(dāng)，一方面說明密封膠只起密封作用，不具備承受載荷的能力，另一方面表明，膠接劑對(duì)攪拌摩擦點(diǎn)焊焊核的力學(xué)性能影響較小。使用高強(qiáng)粘結(jié)劑進(jìn)行攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊，接頭的抗拉伸剪切性能明顯優(yōu)于單一的攪拌摩擦點(diǎn)焊、膠接接頭的抗拉伸剪切性能。

攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊接頭在保證密封功能的前提下，具有足夠的抗拉伸剪切性能，其拉伸剪切力大于攪拌摩擦點(diǎn)焊和膠接接頭的拉伸剪切力之和。膠黏劑對(duì)攪拌摩擦點(diǎn)焊焊核的形成和微觀組織影響不大，膠焊接頭未出現(xiàn)成型缺陷。

圖2 FSSW接頭的微觀組織

圖3 膠接區(qū)、膠接層與焊核交界區(qū)的組織

表2 接頭拉伸剪切力 kN

3 結(jié)論

（1）焊核區(qū)形成細(xì)小、均勻的等軸晶粒，而熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)形成較為粗大的晶粒，且晶粒大小不均勻。（2）膠黏劑對(duì)攪拌摩擦點(diǎn)焊焊核的形成和微觀組織影響較小，膠焊接頭未出現(xiàn)成型缺陷。（3）使用高強(qiáng)膠黏劑的Bonding-FSSW接頭抗拉伸剪切性能明顯優(yōu)于Bonding接頭和FSSW接頭的抗拉伸剪切性能。

參考文獻(xiàn)：

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[6]JISZ3136-1999，電阻點(diǎn)焊及凸焊接頭剪切試驗(yàn)的試件尺寸及試驗(yàn)方法[S].