喬汝旺，蔣舒斐，苗玉剛，徐 萌，郭立杰，封小松，吳斌濤

（1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245；2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

0 前言

隨著全球制造業(yè)的發(fā)展，對環(huán)境的壓力與日俱增，能源消耗也日趨緊張，減少環(huán)境污染、節(jié)約資源已成為世界性的課題。鎂及鎂合金導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、電磁屏蔽和抗輻射能力強(qiáng)、易切削加工等優(yōu)點[1-2]，使其具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。鋁及其合金同樣具有密度小、比強(qiáng)度高和耐蝕性能強(qiáng)等特點，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用[3-4]。鎂、鋁具有廣泛的交叉性，因此，鎂/鋁復(fù)合材料作為綠色的工程材料之一在未來必將具有更廣闊的前景。

與傳統(tǒng)熔焊相比，攪拌摩擦焊（FSW）[5]無焊接飛濺和金屬蒸汽溢出，是一種環(huán)保的焊接方法。另外，在焊接過程中，焊縫還不易出現(xiàn)氣孔、裂紋和元素?zé)龘p等缺陷，可形成良好焊接接頭，對此特別適合鎂鋁異質(zhì)金屬的焊接[6]。

采用FSW對5A06鋁合金與AZ31B鎂合金板進(jìn)行了焊接試驗，利用金相顯微鏡、電鏡掃描及能譜分析、拉伸試驗機(jī)分析接頭界面層組織和力學(xué)性能，研究結(jié)果將為深刻理解鎂/鋁異種金屬填充式摩擦點焊過程提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，并為該項技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗材料采用常用的5A06鋁合金板和AZ31鎂合金板材進(jìn)行搭接點焊，尺寸規(guī)格均為200 mm×50 mm×1.5 mm，其化學(xué)成分見表1。焊接前使用化學(xué)清洗和丙酮擦拭方法除去材料表面的油污和氧化膜。

表1 5A06和AZ31的化學(xué)成分 %

采用德國Riftec公司的標(biāo)準(zhǔn)填充型摩擦點焊設(shè)備（設(shè)備型號為RPS100）進(jìn)行點焊實驗，如圖1所示。采用的焊接工具內(nèi)套環(huán)直徑為9 mm、中心軸直徑為5.2 mm。采用圓錐帶螺紋的攪拌頭，軸肩直徑22 mm，攪拌針根部直徑6.4 mm，長度5.4 mm，旋轉(zhuǎn)速度2 400 r/min。

圖1 FSW點焊示意

焊后沿垂直點焊縫方向進(jìn)行線切割，經(jīng)打磨、拋光后制作金相試樣和拉伸試樣。采用OLYPUSSZX12型金相顯微鏡觀察焊接接頭的宏觀組織，采用VHX-1000型金相顯微鏡和美國FEI公司Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察接頭微觀組織并進(jìn)行成分分析。利用電子萬能拉伸試驗機(jī)進(jìn)行點焊接頭抗剪切力和疲勞性能測試。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 接頭形貌組織

采用鎂板在上方、鋁板在下方的搭接形式進(jìn)行填充式摩擦點焊實驗，將焊接試件切割的金相試樣用腐蝕劑擦拭，接頭成形及宏觀形貌如圖2所示。

圖2 焊點形貌

由圖2a可知，鎂/鋁填充式摩擦點焊形成的焊點外觀成形質(zhì)量較好，表面平整光滑、無匙孔缺陷，也無飛邊現(xiàn)象。由圖2b可知，填充式填充式摩擦點焊焊接接頭可以分為三個區(qū)域，即焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。焊點焊縫區(qū)位于接頭中部，呈U型“碗狀”，由探針和袖筒下方的材料組成，包括搭接上部板材（AZ31B鎂合金）和下部板材（5A06鋁合金）的一部分。分析認(rèn)為，在填充式摩擦點焊過程中，探針底面和袖筒底面與被搭接板材上表面摩擦產(chǎn)熱，使其附近材料達(dá)到塑性狀態(tài)，并且呈塑性狀態(tài)的材料在探針與袖筒旋轉(zhuǎn)作用下在水平方向上具有一定的旋轉(zhuǎn)速度，從而形成點焊接頭。另外，鋁合金的粘度比鎂合金的大，采用鎂合金板在上，使鋁合金不易吸附在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭上，不形成匙孔缺陷，從而提高接頭質(zhì)量。

2.2 接頭界面層微觀組織

圖3為接頭界面（圖2b中的A區(qū)域）微觀組織形態(tài)。由圖3a可知，在焊縫和鋁母材之間的豎直界面上存在較明顯的分界層。為深入分析摩擦點焊接頭的界面層特征，對其進(jìn)行元素能譜（EDS）掃描分析。由圖3b可知，Mg、Al元素互相向?qū)Ψ交w擴(kuò)散發(fā)生共晶反應(yīng)從而造成在界面層兩種元素有明顯的漸變過程，Mn、Si兩種元素含量極少，因此變化較少，也不易與Mg、Al元素形成金屬間化合物。由圖3c的元素含量分布可知，經(jīng)Mg-Al二元金相圖推測，焊縫界面間易形成Mg17Al12、Al3Mg2等金屬間化合物，金屬間化合物的成形量是影響界面層厚度的關(guān)鍵，同時也是保證接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵。另外分析發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行鎂、鋁填充式摩擦點焊的過程中，由于鎂元素的擴(kuò)散系數(shù)要小于鋁元素的擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)致鎂、鋁金屬間化合物更易在偏鋁母材一側(cè)形成。

圖3接頭界面層微觀形貌

2.3 接頭力學(xué)性能

將填充式摩擦點焊得到的鎂/鋁異種金屬點焊接頭制成拉伸試樣，利用型號為CSS-44300的電子萬能材料拉伸試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min。鎂/鋁異種金屬點焊接頭的拉伸力-位移曲線如圖4所示，曲線中接頭的剪切拉斷力為1 865N，可以看出鎂/鋁異種金屬摩擦點焊接頭具有較好的抗剪強(qiáng)度。

圖4 鎂/鋁異種金屬接頭拉伸力-位移曲線

鎂/鋁異種金屬焊點拉伸后的斷裂形貌如圖5所示?？梢钥闯?，該摩擦點焊的斷裂方式是沿焊點周圍拉脫斷裂。這說明相對于搭接界面的連接強(qiáng)度，焊點與母材的豎直界面成為連接的薄弱區(qū)域[7]。

圖5 焊點剪切拉伸后的典型斷裂形貌

另外，對鋁/鎂異種金屬填充式摩擦點焊接頭拉伸試樣進(jìn)行了剪切疲勞破壞的試驗，分析了接頭疲勞行為的變化。試驗加載的循環(huán)應(yīng)力的頻率為15Hz，平均應(yīng)力為σm=1 kN，應(yīng)力半幅為σa=0.5 kN。結(jié)果顯示，焊點在循環(huán)應(yīng)力的作用下疲勞壽命達(dá)到66 000次，疲勞破壞發(fā)生在熔合線靠熔核的一側(cè)，疲勞斷口基本可以判斷為脆性疲勞斷裂，且具有多個疲勞源，屬多源疲勞斷裂。

3 結(jié)論

（1）采用填充式摩擦點焊在旋轉(zhuǎn)速度2400r/min的工藝條件下實現(xiàn)了鋁/鎂異種金屬的良好連接，接頭表面平整光滑，成形美觀，內(nèi)部無明顯缺陷。

（2）接頭界面層間Mg、Al元素互相擴(kuò)散發(fā)生共晶反應(yīng)形成Mg17Al12、Al3Mg2等金屬間化合物，更易在偏鋁母材一側(cè)形成。金屬間化合物的成形量是影響界面層厚度的關(guān)鍵，也是決定力學(xué)性能的主要因素。

（3）鎂/鋁填充式摩擦點焊接頭的剪切拉斷力可達(dá)1 865 N，具有較好的抗剪強(qiáng)度。另外，接頭斷裂方式是沿焊點周圍拉脫斷裂。

（4）焊點在循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞壽命達(dá)66 000次，疲勞破壞發(fā)生在熔合線靠近熔核的一側(cè)，斷裂方式為脆性疲勞斷裂。

[1]劉柞時，謝旭紅.鎂合金在汽車工業(yè)中的開發(fā)與應(yīng)用[J].輕金屬，1999（1）：55-58.

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[3]欒國紅，郭德倫，張?zhí)飩}，等.鋁合金的攪拌摩擦焊[J].焊接技術(shù)，2003（1）：1-4.

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[5]Jiang M.Effect of Welding Time on the Joining Phenomena of Diffusion Welded Joint between Aluminum Alloy and Stainless Steel[J].Materials and Manufacturing processes，2013，27(12)：1366-1369.

[6]王丙軍，康 博，朱西偉，等.鋁合金攪拌摩擦焊異焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2013，43（9）：69-72.

[7]封小松，郭立杰，苗玉剛，等.鎂/鋁異種金屬填充式摩擦點焊接頭特性[J].焊接學(xué)報，2013，34（11）：41-44.