焊接能量對Mg/Al 異種金屬接頭組織和性能的影響

胡婧瑤，邢彥鋒，楊帥，蔣程宇，蔣世誼

（201600 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

鎂、鋁合金作為最主要的輕質金屬之一，被廣泛應用于汽車制造業、航天器制造以及其他工業生產制造上。鎂、鋁合金的連接對汽車輕量化發展有著重大的意義。作為輕質金屬，一方面可以減輕汽車行駛過程的能耗與污染，另外一方面材料本身具有易回收的特點，能夠降低汽車制造成本，對汽車輕量化設計具有重大意義[1]。

由于鎂、鋁合金物理性質與化學性質相差較大，且在熔焊時產生的熱量足以使其反應產生脆性的鎂鋁金屬間化合物反應層(IMC 層)[2-3]，而IMC 層過薄或者過厚都會對焊接接頭產生影響[4]，因此需要控制焊接參數，使得IMC 層控制在合適的范圍內，保證焊接接頭質量。現如今的研究主要集中在采用固相連接的方式實現鎂、鋁合金的連接，如電磁脈沖焊[5]、攪拌磨擦焊[6]以及爆炸焊接[7-8]。超聲波焊接作為常用的固相焊接手段之一，由于具有熱輸入小、效率高等優點[9]，可以實現鎂、鋁合金的連接[10-11]。

本文以AZ31B 鎂合金以及5052 鋁合金為研究對象，通過對焊接工藝的研究，研究不同熱輸入下Mg/Al 接頭的接觸界面形貌，探究熱輸入與剪切性能的關系，從而得出了焊接能量對鎂鋁異種金屬接頭的質量影響規律。

1 試驗材料與方法

本文采用的鎂材、鋁材均為60 mm×25 mm、厚度1 mm 的薄板，材料的化學成分如表1 所示。材料搭接示意圖如圖1 所示，其中搭接區域面積為60 mm×25 mm，實際焊接區域面積為60 mm×25 mm。在試焊過程中發現，鎂材放在下方易與砧板相連且鋁材與上砧頭相連，因此搭接順序為鎂材在上，鋁材在下。在焊接實驗前未對材料進行打磨處理，利用超聲波空化作用震碎材料表面氧化膜。

圖1 焊件的尺寸及位置示意圖Fig.1 Workpiece placement and geometry

表1 AZ31B 鎂合金和5052 鋁合金的化學成分含量Tab.1 Chemical composition of AZ31B Mg alloy and 5052 Al alloy

本文采用的超聲波焊機型號為MW-2040，其最大輸出能量E=4 000 J，最高頻率f=20 kHz，焊接壓力P 可調范圍為0～1.0 MPa，焊接振幅A 可調范圍為50%～70%。本次實驗參數設置如表2 所示。焊接上聲極砧頭與材料的接觸面積為4 mm×56 mm，超聲波焊機如圖2 所示。

表2 超聲波焊接實驗參數Tab.2 Ultrasonic welding experiment parameters

圖2 超聲波焊機設備圖Fig.2 Equipment of ultrasonic welding machine

2 試驗結果與分析

2.1 焊接能量對接觸界面成形的影響

實驗采用Leica 金相顯微鏡對焊接接頭放大50 倍，得到如圖3 所示的不同焊接能量接觸界面的微觀形貌。如圖3（a）所示，在焊接能量為700 J 時，Mg 材和Al 材接觸界面為一條平直的曲線，且IMC 層不明顯，兩種金屬有互相嵌入的趨勢；隨著焊接能量的增加，在焊接能量為1 000 J時，接觸界面出現了明顯的IMC 層，如圖3（b）所示，且Mg 材一側的接觸界線呈波浪形的彎曲，說明Mg 材此時發生了超聲變軟，且受砧頭下壓，向Al 側擴散。當能量進為1 300 J 時，接觸界面的IMC 層明顯變寬，如圖（c）所示，且二種材料在接觸界面都發生了變形，咬合明顯；當焊接能量為1 600 J 時，IMC 層分布不均且寬度有所增加，如圖3（d）所示。

圖3 不同焊接能量下的接觸界面微觀形貌Fig.3 Micro morphology of contact interface under different welding energy

對焊接能量為1 300 J 時的焊接接頭接觸界面進行更進一步的觀察，得到如圖4 所示接觸界面的電鏡掃描圖，圖4 中白線為線掃描的軌跡。由圖4 可以明顯看出，在接頭咬合明顯的地方，金屬材料發生了熔融及變形，中間生成的IMC 層產生了裂紋，但這些裂紋沒有進一步惡化接頭質量，而是分散了接頭處的壓力，使得焊接接頭有了更好的力學性能。

圖4 焊接能量為1 300 J 的接頭微觀接觸界面形貌Fig.4 Microscopic contact interface morphology of the joint with welding energy of 1 300 J

對接頭橫截面觀察到的凸起進行線掃描，如圖5 所示。圖5 中中間的橫線為線掃描的軌跡，曲線形狀先平緩后呈波浪式上下起伏的為Mg 元素分布，另一條為Al 元素分布。從圖中可以看出，圖片左邊為Al 材，右邊為Mg 材，Al 材曲線大幅度降低的位置為接觸界面Al材的初界面，而Mg 元素大幅度第一次提高的位置為接觸界面Mg 材的初界面。由SEM 結果可知，IMC 層厚度約為10 μm。

圖5 焊接能量為1 300 J 時接頭的元素分布Fig.5 Element distribution of joints when welding energy is 1 300 J

根據IMC 層厚度計算公式（1）可知：

式中：x——IMC 層厚度；k0——常系數；t——反應時間；Q——原子擴散的激活能；R——氣體常數；T——反應溫度。

由此可知IMC 層的厚度與焊接反應時間以及反應溫度有關。當能量較低時，界面溫度較低，原子擴散速度慢，擴散距離短，導致IMC 層厚度較??；隨著能量的增加，界面溫度也隨之增加，原子擴散變快，擴散距離變大，形成的IMC層較寬[12]。

2.2 焊接能量對接頭力學性能的影響

對焊后樣件進行剪切實驗后，得到如圖6 所示不同焊接能量下的接頭最大剪應力。由圖6 可知，隨著能量的增加，最大剪切力逐漸增大，在能量為1 300 J 時達到最大為1 190 N，但隨著能量的進一步增加，最大剪切值又減小到990 N。

圖6 不同焊接能量下的接頭最大剪切力Fig.6 Maximum shear force of joints under different welding energy

結合圖3 對焊接接頭接觸形貌的研究可知，在能量較低時，材料接觸面發生的塑性變形不明顯，材料流動性能較差；隨著能量的增加，熱輸入隨之增加，材料流動增強，更有利于元素之間的結合。在1 300 J 時，焊接接頭IMC 層已經有裂紋出現，但這些裂紋不足以使得接頭惡化；當焊接能量為1 600 J 時，接頭裂紋進一步擴展，甚至造成了接頭的孔隙，使得剪切力降低。

2.3 焊接能量對材料斷口形貌的影響

使用體式顯微鏡對不同焊接能量下的斷口形貌觀察，得到如圖7 所示結果。在焊接能量為700 J 時，Al 材表面無明顯破壞，焊接區域摩擦痕跡明顯；能量為1 000 J 時，Al 材表面出現了破損，焊接區域邊緣材料裂紋明顯；能量為1 300 J 時，材料表面出現Mg 材粘連，且在焊接區域中心位置出現裂紋；能量為1 600 J 時，焊接材料粘連現象主要發生在焊接區域中心位置，邊緣以裂紋為主。這主要是因為在能量較小時，材料未形成良好的連接，斷裂形式主要體現為脆性斷裂，在能量過高時，應力分布不均，應力主要集中在焊接區域中心的位置，導致接頭斷裂時焊接區域中心的金屬粘連現象比較嚴重。

圖7 不同焊接能量下的Al 材斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of Al material under different welding energy

3 結論

（1）利用超聲波焊接可以實現AZ31BMg/5052-Al 的有效連接，且在壓力為0.3 MPa，振幅為60%，焊接能量為1 300 J 時，有接頭的最大剪切值為1 190 N。

（2）隨著焊接能量的增加，接頭的剪切強度呈現先增加后減小的規律，且在接頭強度最大時的接頭呈現漩渦狀的咬合形貌，此時的材料流動能力最佳，分子間的擴散運動明顯。

（3）在焊接能量較低或較高時，焊接接頭力學性能較差，主要是因為材料之間并未生成穩定且連續分布的IMC 層。