純鋁/鎂合金異種金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)軸向摩擦焊接工藝分析

吳 龍

（中國船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司重慶分公司，重慶 401123）

純鋁/鎂合金材料從上世紀(jì)70年代已經(jīng)備受各個(gè)領(lǐng)域重視。但是純鋁/鎂合金自身存在膨脹系數(shù)大、熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容大等諸多特點(diǎn)，傳統(tǒng)焊接工藝在開展施工時(shí)，很容易在焊接接頭上形成大量脆性金屬間化合物，導(dǎo)致焊接熱裂紋、氣孔、和金素?zé)龘p等諸多問題。如何把控異種金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)軸向摩擦焊接工藝各項(xiàng)參數(shù)，強(qiáng)化純鋁/鎂合金焊接質(zhì)量，已經(jīng)成為當(dāng)前焊接領(lǐng)域技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。

1 摩擦焊接內(nèi)涵概述

摩擦焊接是一種當(dāng)前較為流行、先進(jìn)的焊接技術(shù)。摩擦焊接技術(shù)手段相比熔焊、接頭組織為鍛造組織，切實(shí)避免了傳統(tǒng)焊接當(dāng)中出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣等諸多缺陷。摩擦焊接還可以與擴(kuò)散焊、電阻焊等固相焊接技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合使用。在焊接過程當(dāng)中材料發(fā)生劇烈塑性流動(dòng)，這樣較大材料變形可以有效改善金屬之間的化合物分布狀態(tài)。摩擦焊接的焊接時(shí)間較短、焊接效率高等特點(diǎn)，能夠?qū)l-Mg金屬間化合物生產(chǎn)進(jìn)行控制，切實(shí)保障Al-Mg金屬焊接質(zhì)量。

2 純鋁/鎂合金異種金屬摩擦焊接性

純鋁/鎂合金異種金屬在開展摩擦焊接的過程中，因?yàn)橹T多影響因素很容易對(duì)焊接質(zhì)量帶來影響。為了切實(shí)保障摩擦焊接質(zhì)量，需要在開展焊接之前對(duì)材料性能進(jìn)行分析。影響材料擦焊接的因素主要有材料互溶性、材料表面氧化膜、材料力學(xué)性能、材料高溫氧化性、材料生成脆性相、材料摩擦的摩擦系數(shù)、材料脆性。針對(duì)純鋁/鎂合金異種金屬來說，影響摩擦焊接質(zhì)量的因素主要有以下內(nèi)容。①因?yàn)锳l原子和Mg原子之間的晶體結(jié)構(gòu)存在較大差異，并且兩者物理熱以及物理化學(xué)性質(zhì)也不盡相同，導(dǎo)致摩擦焊接過程中容易出現(xiàn)問題。Al-Mg金屬之間溶性相對(duì)較低，兩者最大溶解度為12.7%，并且在室溫的影響下，兩者溶解度變動(dòng)也較大。②Al-Mg金屬氧化性較強(qiáng)，導(dǎo)致焊接難度較高、焊接性較差。冷卻結(jié)晶時(shí)，晶粒之間存在的養(yǎng)護(hù)無更加容易使晶粒之間結(jié)合能力降低[1]。針對(duì)Al、Mg金屬來說，兩者都是金屬性質(zhì)較為活潑的金屬物質(zhì)，那么非常容易在焊接表面形成高熔點(diǎn)、高硬度的氧化膜，并生成三氧化二鋁或者氧化鎂等金屬元素，很難在焊接過程中破碎，容易增加焊接工作困難。③相比鎂元素來說，鋁元素的比熱容相對(duì)較大，并且熱導(dǎo)效率較高、塑性強(qiáng)。但是客觀來說，兩者的熱學(xué)性能存在較大差異，摩擦焊接過程當(dāng)中若不能同步變形，那么會(huì)對(duì)焊接工程帶來較大困難。并且鋁元素與鎂元素之間的溶解度相對(duì)較低，在焊接時(shí)很容易產(chǎn)生金屬化合物。在437℃～450℃之間，容易發(fā)生共晶反應(yīng)，并且焊接界面生成脆性相，導(dǎo)致焊接界面的局部焊接應(yīng)力較大，容易降低焊接接頭性能。

3 純鋁/鎂合金異種金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)軸向摩擦焊接工藝

為了明確純鋁/鎂合金異種金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)軸向摩擦焊接質(zhì)量，文章針對(duì)純鋁/鎂合金異種金屬摩擦焊接過程中，摩擦焊接工藝系數(shù)對(duì)純鋁/鎂合金異種金屬焊接質(zhì)量影響進(jìn)行分析，從微觀層次上把控各項(xiàng)技術(shù)參與對(duì)純鋁/鎂合金異種金屬焊接帶來的影響，分析出保障純鋁/鎂合金異種金屬摩擦焊接質(zhì)量技術(shù)要點(diǎn)。

3.1 焊接參數(shù)對(duì)摩擦焊接頭的影響

結(jié)合焊接測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以明確得出隨著摩擦力壓力與頂鍛壓力的不斷增加，焊接實(shí)驗(yàn)樣本的軸向縮短量也呈現(xiàn)出逐漸增加的情況。詳細(xì)分析焊接樣本可以明確觀察到，不同焊接參數(shù)開展焊接，都并未出現(xiàn)空洞、焊接漏洞等缺陷，展現(xiàn)了摩擦焊接技術(shù)手段優(yōu)勢(shì)。隨著摩擦焊接時(shí)間的增加，對(duì)純鋁/鎂合金異種金屬材料形變影響較高、與軸向縮短量成正比[2]。針對(duì)摩擦?xí)r間、頂鍛壓力、摩擦壓力進(jìn)行比較，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)接頭軸向縮短量的影響相對(duì)較小。在開展摩擦焊接過程中，純鋁側(cè)與鎂合金的變形量會(huì)隨著焊接參數(shù)變化而出現(xiàn)變化。純鋁/鎂合金焊接時(shí)出現(xiàn)較大形變，更加容易促使摩擦界面處塑性材料交換、更加容易發(fā)生元素相互擴(kuò)散，在冶金物理化學(xué)反應(yīng)之下，切實(shí)保障了焊接接頭質(zhì)量。

3.2 焊接壓力對(duì)摩擦焊接頭的影響

在摩擦焊接當(dāng)中，摩擦壓力對(duì)于焊接接頭溫度會(huì)造成影響。在開展實(shí)驗(yàn)的過程中，選擇了兩組摩擦壓力進(jìn)行分析，分別是：30mpa、90mpa；其他參數(shù)固定為：t=10s、n=2200rmp。通過測(cè)試分析，在開展摩擦焊接的過程中，初期階段的摩擦行為，可以促使材料溫度急速上升。

隨后，焊接操作會(huì)使兩側(cè)工件材料出現(xiàn)前塑性形變，這時(shí)界面區(qū)域熱與散熱系數(shù)之間保持平衡，這時(shí)溫度便不會(huì)再持續(xù)增加。當(dāng)摩擦壓力在90mpa時(shí)，鎂合金側(cè)最高溫度可以達(dá)到437℃。隨著摩擦?xí)r間不斷增加，對(duì)于鎂合金材料的溫度不會(huì)有太多影響，而對(duì)于純鋁材料來說，測(cè)溫度影響相對(duì)較大。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相比之下，鎂合金側(cè)溫度最高時(shí)總要大于純鋁材料焊接最高溫度，這表明了兩側(cè)母材的熱物理性質(zhì)相差較大。雖然純鋁材料與鎂合金材料之間的熱擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較近，但是純鋁材料導(dǎo)熱率比鎂合金材料導(dǎo)熱效率較高。

3.3 摩擦壓力與頂鍛壓力對(duì)焊接接頭界面宏觀組織影響

為了切實(shí)有效的分析焊接參數(shù)對(duì)摩擦焊接頭的影響，分別對(duì)不同摩擦壓力、不同頂鍛壓力下的接頭組織進(jìn)行了詳細(xì)分析，三組數(shù)據(jù)分別是a（p1=30mpa、p2=60mpa）；b（p1=30mpa、p2=150mpa）；c（p1=90mpa、p2=150mpa）。通過實(shí)驗(yàn)分析得出，隨著摩擦壓力與頂鍛壓力的不斷增加，焊接接頭的形變更加明顯，并且軸向縮短量更。在焊接接頭當(dāng)中高溫區(qū)域熱塑性金屬，在較高摩擦壓力之下，會(huì)產(chǎn)生加劇塑性流動(dòng)，在高摩擦壓力之下塑性形變的厚度也相對(duì)較高，頂鍛壓力很容易造成對(duì)熱塑性材料二次擠出。頂鍛壓力較大，鎂合金側(cè)的飛邊體積則會(huì)比純鋁材料一側(cè)飛邊體積更大[3]。但是將摩擦力從30mpa提升到90mpa之后，那么兩邊的隨性形變區(qū)域厚度也會(huì)發(fā)生變化，純鋁材料一側(cè)的飛邊體積則會(huì)大于鎂合金一側(cè)飛邊體積。

為了進(jìn)一步對(duì)飛邊擠出現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)摩擦界面邊緣開展了SEM二次電子像形貌特征分析，發(fā)現(xiàn)在摩擦界面形成了一層化合物，主要成分是Al12Mg17和Al3Mg2。在實(shí)際開展焊接的過程中，因?yàn)榧冧X材料和鎂合金的形變，會(huì)造成摩擦邊界處形成一定壓力，在界面處金屬之間化合物的影響很容易造成飛邊不能順利向反方向流動(dòng)與形變，造成摩擦界面母材出現(xiàn)流動(dòng)方式變化，不會(huì)出現(xiàn)卷邊、飛邊問題。

4 結(jié)語

總而言之，摩擦焊接工藝作為一種具備科學(xué)性的焊接技術(shù)，可以切實(shí)滿足純鋁/鎂合金異種金屬的焊接加工需求，確保純鋁/鎂合金異種金屬焊接質(zhì)量。異種金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)軸向摩擦焊接工藝，作為一種具備科學(xué)性、高效性的焊接技術(shù)，可以切實(shí)滿足純鋁/鎂合金焊接需求，但是受到工件結(jié)構(gòu)等諸多因素影響，很容易造成工件自身等諸多因素限制，導(dǎo)致工件焊接出現(xiàn)質(zhì)量問題。

在實(shí)際開展焊接的過程中，必須要明確各項(xiàng)影響焊接質(zhì)量因素，并有針對(duì)性的把控摩擦焊接工藝和焊接參數(shù)，確保純鋁/鎂合金異種金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)軸向摩擦焊接水平，促進(jìn)我國金屬加工領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。