鎂/鋁水下攪拌摩擦搭接焊接頭組織與性能研究

王 璐， 席小鵬

（1. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008；2. 西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司， 西安710201）

隨著機械工業的不斷發展， 節能減排、 機械輕量化受到越來越多的關注。 鎂、 鋁合金作為結構輕量化的首選材料而被廣泛應用于汽車、 電子、 航空航天等領域[1-2]。 鑒于鎂、 鋁合金應用具有廣泛性和交叉性， 兩種金屬進行連接， 不僅可以充分發揮二者各自的優勢， 而且擴大了鋁、 鎂合金的應用領域， 焊接作為現代連接技術， 在先進制造技術中占主導地位[3-4]。 目前鎂、 鋁異種合金焊接的方法主要有氣體保護焊[5-6]、 電阻點焊[7]、激光焊[8]和電子束焊[9]等。 這些傳統的熔化焊接方法溫度高， 焊接時極易產生大量的金屬間化合物 （intermetallic compounds， IMCs）， 甚至產生氣孔、 裂紋等缺陷， 致使焊接質量較低， 接頭性能較差。

攪拌摩擦焊 （friction stir welding， FSW） 是英國焊接研究所 （TWI） 于1991 年發明的一種固相焊接技術[10]。 FSW 克服了傳統熔化焊接接頭強度低、 易變形， 易產生氣孔及夾雜等問題， 且熱輸入量較低， 接頭殘余應力較小， 綜合性能良好。 目前， 國內外許多學者對該技術進行了研究， 主要涉及鋁合金[11-12]、 鎂合金[13-14]、 銅合金[15]等同種材料以及鋁/銅[16-17]、 鋁/鈦[18-19]、 鋁/鋼[20-21]及鋁/鎂[22-27]等異種合金的焊接， 其中在攪拌摩擦搭接焊 （friction stir lap welding， FSLW） 方面的研究較少， 僅集中于研究攪拌頭[26]、 工藝參數[22-26]等對FSLW 焊接接頭組織與性能的影響。 盡管FSLW 相對于傳統熔焊， 焊接溫度低且焊接時間短 ， Mg/Al 界 面 過 渡 層 脆 性IMCs Al12Mg17、Mg2Al3的生成量減少， 但仍然在界面處有一定量的生成， 從而影響Mg/Al 接頭的力學性能。

鑒于Mg/Al 異種金屬在界面處IMCs 生成的不可避免性， 如何抑制IMCs 的生成是改善焊接接頭組織、 力學性能的關鍵。 因此本研究對AZ31 鎂合金和6061 鋁合金進行水下攪拌摩擦搭接 焊 （ submerged friction stir lap welding， SFSLW）， 研究循環冷卻水對Mg/Al 焊接接頭組織與剪切性能的影響， 重點對焊接接頭界面過渡層IMCs 的形成與分布進行分析。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用軋制態AZ31 鎂合金和6061-T6鋁合金板材， 其尺寸均為160 mm×80 mm×4 mm，化學成分見表1。 焊接前， 對被焊板材表面用鋼絲刷打磨去除氧化皮， 并采用丙酮對其進行清洗。 圖1 為試驗Mg/Al 水下攪拌摩擦搭接焊過程示意圖， 圖2 為Mg、 Al 合金及攪拌頭相對位置示意圖。

表1 AZ31 鎂合金和6061 鋁合金化學成分

圖1 Mg/Al 異種金屬水下攪拌摩擦搭接焊示意圖

圖2 Mg、Al 合金及攪拌頭相對位置示意圖

SFSLW 試驗在改造的X5032 型立式升降臺銑床上進行。 攪拌頭采用W18Cr4V 材質， 軸肩尺寸15 mm， 攪拌針為右螺紋錐形， 其中根部直徑6 mm， 頭部直徑5 mm， 長度3.8 mm。 經前期試驗， 本研究所選取焊接參數為： 轉速1 180 r/min，焊接速度47.5 mm/min， 壓下量0.2 mm。

焊后垂直于焊接方向切取金相 （OM） 和掃描電鏡 （SEM） 試樣。 金相試樣經過磨制、 拋光后腐蝕。 首先對AZ31 鎂合金一側采用10 mL 醋酸+10 mL 蒸餾水+4.2 g 苦味酸+100 mL 乙醇的腐蝕劑進行浸蝕， 腐蝕時間為8 s； 然后對6061鋁合金一側采用20 gNaOH+100 mL蒸餾水的腐蝕劑浸蝕， 腐蝕時間為40 s。 腐蝕后分別采用光學顯微鏡 （OM， GX51） 和掃描電鏡 （SEM， OXFORD S-3400N） 對顯微組織進行觀察和能譜分析 （EDS）。

剪切試驗在拉伸試驗機 （Instron8801） 上進行。 試樣垂直于焊縫切取， 尺寸為90 mm×20 mm（ASTM D 3164 標準）， 如圖3 所示。 初始應變速率為1 mm/min， 每組平行試樣為3 個。進行剪切試驗時， 為得到準確的剪切數據， 在Mg 合金和Al 合金板材夾持端分別采用厚度為4 mm 墊板。 斷后采用SEM 和EDS 對剪切試樣的斷口表面形貌及元素分布進行觀察分析。

圖3 剪切試樣尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 組織形貌分析

圖4 為Mg/Al 異種金屬SFSLW 焊接接頭橫截面宏觀照片及對應不同區域的金相組織形貌。從圖4 （a） 可見典型的FSW 形貌——盆狀區域， 這歸因于焊接過程中， 上部金屬受到軸肩和攪拌針旋轉摩擦以及攪拌針攪拌剪切的共同作用， 塑性流動范圍較大； 下部金屬僅受到攪拌針的剪切擠壓作用， 塑性流動范圍相對較小， 因此， 焊接接頭橫截面呈現盆狀形貌[28]。 較后退側（retreating side， RS） 相比， 在前進側 （advancing side， AS） 可見明顯的分界線 （圖4 （f））。這主要是由于在焊接過程中前進側金屬在攪拌針的剪切作用下向前流動， 即向攪拌針后方流動，變形金屬與母材形成強烈的變形差， 導致變形金屬受到的切應力較大， 塑化金屬流動劇烈， 從而形成清晰的界面。 后退側塑性變形金屬流動方向與攪拌針旋轉方向一致， 金屬只發生擠壓變形，變形程度低， 因而過度界面平緩。

圖4 Mg/Al 異種金屬SFSLW 焊接接頭橫截面宏觀照片及對應不同區域的金相組織形貌

圖4 （b）、 圖4 （c） 分別為AZ31 鎂和6061鋁合金母材的原始金相組織形貌， 為典型的軋制態組織， 呈現長條狀。 其中AZ31 鎂合金晶粒大小均勻性較差。 圖4 （e） 為AZ31 鎂合金和6061鋁合金原始搭接界面； 圖4 （d） 為經SFSLW 后的Mg/Al 異種金屬界面OM 圖， 由圖4 （d） 可見， Mg 合金晶粒得到顯著細化， 這主要是由于焊合區 （welded zone， WZ） Mg 合金在受到攪拌針剪切擠壓作用下發生劇烈的塑性變形， 在熱-力共同作用下晶粒發生動態再結晶所致。 為進一步對界面進行研究， 進行了SEM 及EDS 能譜分析 （如圖5 所示）。

圖5 （a） 為低倍數下Mg/Al 界面SEM 圖，圖5 （b） 為圖5 （a） 對應界面處的放大圖。 其中左側為Mg 合金， 右側為Al 合金。 由圖5 可見， 界面處生成了一條明顯的暗灰色帶狀過渡層。對該帶狀組織周圍4 個不同位置 （見圖5 （b））進行了EDS 分析， 分析結果見表2。

圖5 焊合區帶狀結構SEM 圖

表2 焊合區不同位置Mg 和Al 元素EDS 分析

由表2 可以看出， 帶狀過渡層主要由Mg、Al、 Mg+ Al12Mg17以及Al+Mg2Al3組成。 分析認為， 在Mg/Al 異種金屬SFSLW 過程中， 在攪拌頭攪拌摩擦作用下， WZ 區溫度升高， 在熱-力耦合的共同作用下， 界面處Mg、 Al 元素發生互相擴散， 根據Al-Mg 二元合金相圖可知， Mg、 Al 元素固溶度很低， 在溫度達到到437 ℃和450 ℃時將發生共晶反應生成Al12Mg17和Mg2Al3， 從而在界面處形成了IMCs 過渡層。

圖6 不同介質中FSLW 后Mg/Al 界面橫截面SEM 圖和EDS 線掃描分析

此外， 結合圖4 和表2 對Mg/Al 過渡層IMCs 中Al12Mg17和Mg2Al3生成過程及含量進行分析。 一方面， Mg 元素的自擴散系數大于Al 元素的自擴散系數[6]， 因此， 在Mg/Al 焊接過程中，Mg 元素更易于向Al 元素一側發生擴散； 另一方面， 由熱力學分析可知， Al12Mg17的Gibbs 自由能較Mg2Al3低， 即Al12Mg17的結構穩定性優于Mg2Al3， 因此， 在Mg 元素向Al 側擴散過程中，在Mg/Al 界面先形成Al12Mg17晶核， 并逐漸長大， 最終生成大量的Al12Mg17金屬間化合物。 同時， 伴隨Mg 元素繼續向Al 合金一側擴散及溫度的降低， 在界面近Al 基體處生成Mg2Al3薄層組織。 因而在Mg/Al 接頭大量產生Al12Mg17， 生成的Mg2Al3較少。 同樣， 田偉等人[29]通過第一性原理計算也證實了這一結論。

進一步對Mg/Al 搭接界面過渡層進行EDS 線掃描分析， 如圖6 所示。 由圖6 可以看出， 空氣中FSLW 界面過渡層的厚度約為3.84 μm， 在同一試驗參數下， 水下FSLW 界面過渡層厚度僅為2.01 μm。 這歸因于循環水的作用帶走了WZ 區產出的大量摩擦熱以及塑性變形熱， 減小了焊接峰值溫度[30]。 同時， 循環水加快了冷卻速度， 一方面， 減緩了Mg、 Al 元素的擴散速度； 另一方面，也避免了大面積的成分液化， 抑制了Al12Mg17和Mg2Al3金屬間化合物的生成， 從而大大減小了Mg/Al 界面過渡層IMCs 的厚度[29]。

2.2 剪切性能及斷口分析

不同介質中Mg/Al 異種金屬FSLW 焊接接頭的最大失效載荷如圖7 所示， 從圖7 可以看出，SFSLW 焊接接頭最大失效載荷可達5.3 kN， 高出Mg/Al 在空氣介質中FSLW 焊接接頭失效載荷（約1.55 kN）， 大大提高了Mg/Al 搭接焊接頭的剪切性能。 分析認為， 這歸因于SFSLW 有效地降低了焊接溫度， 減少了IMCs 的生成量， 從而改善了Mg/Al 搭接接頭的質量。

對Mg/Al 異種金屬搭接接頭斷口表面進行SEM 分析， 如圖8 所示。 由圖8 可以看出， 斷口表面有大量河流狀解理臺階及撕裂棱， 分析認為是脆性斷裂。 此外， 斷口表面均可見細小分布的亮白色顆粒及不連續條帶， 且Mg 側斷口易見片層狀形貌， 片層中部呈深灰色， 邊部可見撕裂痕跡， 且呈暗灰色， 甚至出現亮白色組織。 經EDS 分析結果可知， 亮白色組織主要由Al12Mg17和Mg2Al3組成。 因此， 通過上述分析可以判斷， 斷裂發生于Mg/Al 界面過渡層IMCs 處。

圖8 Mg/Al 接頭斷口表面形貌

圖7 空氣、水下不同環境下FSLW 焊接接頭失效載荷

圖9 為Mg 側斷口SEM 面掃描圖和主要元素分布圖譜。 Mg 側斷口表面主要由Mg 元素和Al 元素組成； 且由圖9 （b） 可見， Mg 元素呈現條帶狀分布， 這與斷口形貌中深灰色區域一致， 暗灰色區域主要為Al 元素， 進一步說明斷裂發生在Mg/Al 界面過渡層。

圖9 Mg 側斷口SEM 面掃描圖和主要元素分布圖譜

3 結 論

（1） Mg/Al 異種金屬SFSLW 焊接接頭組織無缺陷， 且Mg/Al 搭接界面處生成一層由Mg、 Al、Al12Mg17以及少量的Mg2Al3組成的暗灰色過渡層。

（2） Mg/Al 搭接接頭界面過渡層厚度約為2.01 μm， 顯著小于空氣中Mg/Al 異種金屬FSLW焊接接頭生成的IMCs 厚度 （3.84 μm）。

（3） SFSLW 提高了Mg/Al 異種金屬焊接接頭的剪切性能， 接頭最大失效載荷可達5.3 kN。