鄭 彬

（山東理工大學(xué)，淄博 255000）

0 引言

鋅鋁合金是一種常用的有色金屬合金系，在航空、汽車、電力、印制板等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和科技水平的提升，鋅鋁合金的應(yīng)用更加廣泛[1,2]。在鋅鋁合金的實際應(yīng)用過程中，焊接是一個非常重要的連接方式。攪拌摩擦點(diǎn)焊是在攪拌摩擦焊技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型焊接技術(shù)。與其他焊接技術(shù)相比，攪拌摩擦點(diǎn)焊具有接頭質(zhì)量高、工藝過程簡單、連接工具壽命長、工作環(huán)境清潔衛(wèi)生、節(jié)省能源、降低能耗、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，備受業(yè)界的關(guān)注。目前，攪拌摩擦點(diǎn)焊的研究主要集中在鋁合金、鎂合金方面，在鋅鋁合金焊接上的應(yīng)用還鮮有報道[3～5]。本文以數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金為研究對象，進(jìn)行了攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝的研究，并對接頭的顯微組織、物相組成、力學(xué)性能和耐腐蝕性能進(jìn)行了測試與分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金為焊接母材，其尺寸為500mm×50mm×3mm，采用EDX4500型能量彌散X射線熒光分析儀對數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果如表1所示。在自行改裝設(shè)計的攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備上進(jìn)行數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金的攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝試驗。試驗的主要過程，如圖1所示。數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金的攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝參數(shù)，如表2所示。

表1 ZA35合金試樣的化學(xué)成分

圖1 攪拌摩擦點(diǎn)焊的主要試驗過程

表2 攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

顯微組織分析：采用DM 2700M型金相顯微鏡，對數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的顯微組織進(jìn)行觀察與分析。

物相分析：采用D/max-rB型X射線衍射儀，對數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的物相組成進(jìn)行分析。

力學(xué)性能測試：采用CMT4000型電子萬能試驗機(jī)，對數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的抗拉強(qiáng)度、延伸率和抗剪力進(jìn)行測試，測試溫度為室溫，并用JSM6510型掃描電子顯微鏡對拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。

耐腐蝕性能測試：采用CHI660B型電化學(xué)工作站，對數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的耐腐蝕性能進(jìn)行測試，測試時采用三電極體系，即參比電極為甘汞電極、輔助電極為鉑黑電極、工作電極為接頭試樣制備的電極。電化學(xué)腐蝕液為5wt.%NaCl溶液、試驗溫度為室溫、掃描速度為0.001V/s。為了有效避免測試面表面氧化物的影響，測試Tafel曲線前，先在1.0V恒電位下極化3分鐘。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織分析結(jié)果及討論

數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的顯微組織，如圖2所示。從圖2可以看出，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊上板與下板交界處的顯微組織差異較大，上下板交界處的晶粒尺寸明顯不同；上板一側(cè)的ZA35鋅鋁合金晶粒粗大，而下板一側(cè)的晶粒明顯更為細(xì)小。這主要是因為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金上板與下板，在軸肩和攪拌針的共同作用下二者的熱輸入存在差異，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金上板獲得的熱量較多，為晶粒的行核、長大提供了條件，使得上板的晶粒出現(xiàn)異常性長大；然而數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金上板的熱量難以有效傳遞到合金下板，從而使得上板與下板在交界處承受的熱量明顯不同，從而導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金上板與下板形成了明顯差異的顯微組織形貌。

圖2 接頭的顯微組織照片

2.2 物相分析結(jié)果及討論

數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的XRD圖譜，如圖3所示。從圖3可以看出，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭由η-Zn相、α-Al相和少量的Mg12Al47Cu7相組成。

圖3 接頭的XRD圖譜

2.3 力學(xué)性能測試結(jié)果及討論

數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能測試結(jié)果，如圖4所示。從圖4可以看出，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到321.4MPa、為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金母材（342.5MPa）的93.84%；延伸率達(dá)到1.21%、為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金母材（1.42%）的85.21%；抗剪力達(dá)到7.78kN、為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金母材（8.94kN）的87.02%。由此可以看出，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭具有較佳的力學(xué)性能。這主要是因為攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝的實施，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金接頭的焊接質(zhì)量較高，無明顯的孔洞、夾雜等焊接缺陷。

圖4 接頭的力學(xué)性能測試結(jié)果

圖5是數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的拉伸斷口形貌SEM照片。從圖5可以看出，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的拉伸斷口由較多的等軸韌窩和少量的撕裂棱組成，呈現(xiàn)較為明顯的塑性斷裂特征。因此，我們可以認(rèn)為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭具有較好的拉伸性能，與數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率測試結(jié)果一致。綜上所述，我們可以認(rèn)為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭具有較好的力學(xué)性能。

圖5 接頭拉伸斷口形貌的SEM照片

2.4 耐腐蝕性能測試結(jié)果及討論

數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金母材以及ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭，分別在室溫的5wt.%NaCl溶液中，以0.001V/s掃描速度獲得的Tafel曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，與數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金母材相比，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的腐蝕電位稍有負(fù)移，從-0.647V負(fù)移至-0.661V，僅負(fù)移了14mV。眾所周知，當(dāng)其它條件都相同的情況下，金屬材料的腐蝕電位愈負(fù)，材料的電化學(xué)腐蝕性能越弱；腐蝕電位愈正，則材料的電化學(xué)腐蝕性能越差[6]。由此可以看出，與數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金母材相比，數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭保持了較好的耐腐蝕性能。這主要是因為數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金在攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中獲得了組織較為致密的、無明顯焊接缺陷的焊接接頭，具有較強(qiáng)的抵抗腐蝕能力。

圖6 試樣的Tafel曲線

3 結(jié)論

1）采用攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝，可以實現(xiàn)較佳力學(xué)性能和耐腐蝕性能的數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金焊接。

2）數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭，由η-Zn相、α-Al相和少量的Mg12Al47Cu7相組成。

3）數(shù)控機(jī)床用ZA35鋅鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到321.4MPa、延伸率達(dá)到1.21%、抗剪力達(dá)到7.78MPa，分別為合金母材的93.84%、85.21%和87.02%；腐蝕電位較母材僅負(fù)移14mV。

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[2] 劉敬福,李榮德,宋建,白彥華.Zr對ZA35合金電化學(xué)腐蝕行為的影響[J].鑄造,2012,03:308-311.

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