陳建華，張喜燕，任 毅

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

AZ31B鎂合金/PRO500超高強(qiáng)度鋼TIG熔釬連接界面反應(yīng)特性及力學(xué)性能

陳建華，張喜燕，任 毅

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

利用TIG電弧作為熱源開(kāi)展AZ31B鎂合金與超高強(qiáng)度鋼P(yáng)RO500熔釬連接實(shí)驗(yàn)，研究界面反應(yīng)特性及力學(xué)性能。結(jié)果表明：AZ31B鎂合金/PRO500鋼能夠利用TIG電弧熔釬焊實(shí)現(xiàn)有效連接；接頭界面中各基體元素的氧化具有強(qiáng)烈的熱力學(xué)自發(fā)性并在接頭界面中形成氧化物聚集且包含AlFe3相的過(guò)渡區(qū)，其硬度介于兩種基材之間；界面中靠近釬接位置的鋼基體在焊接熱循環(huán)作用下會(huì)出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象；大的焊接熱輸入會(huì)導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)中脆性化合物相增多，結(jié)合強(qiáng)度顯著下降。

界面反應(yīng)；鎂合金；超高強(qiáng)度鋼；熔釬焊；性能

微合金超高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于車輛防護(hù)裝甲制造[1,2]，其中，PRO500超高強(qiáng)度鋼作為高硬防護(hù)材料引入我國(guó)用于特種車輛底盤與車身結(jié)構(gòu)制造[3]。在確保功能的前提下推進(jìn)車輛結(jié)構(gòu)輕量化能夠提高特種車輛的機(jī)動(dòng)性[4]。在目前已被認(rèn)可的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中，鎂合金具有優(yōu)良的綜合性能，在特種車輛結(jié)構(gòu)制造中部分代替鋼有著良好的應(yīng)用前景[5,6]。由于PRO500鋼冷彎性能較差，其構(gòu)件間的固定與連接主要依靠焊接[3]，因此，合適的焊接工藝是保障應(yīng)用的必要措施。

目前采用的焊接方法主要包括攪拌摩擦焊(FSW)[7,8]、點(diǎn)焊[9]、激光-電弧熔化焊與熔釬焊[10-12]等，通過(guò)在結(jié)合界面處形成由氧化物、機(jī)械混合物以及少量金屬間化合物(IMC)組成的微觀組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。由于鎂合金與鋼的物理、化學(xué)性能差異極大，因此這些方法都有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。熔釬連接兼具熔焊與釬焊的特點(diǎn)，在性質(zhì)差異極大的異種金屬間連接中已開(kāi)展了相關(guān)的研究應(yīng)用，如鋁合金/鋼的電弧熔釬連接等[13]。鎂合金與低碳鋼之間的熔釬連接目前也已有相關(guān)研究報(bào)道。Li關(guān)于AZ31B鎂合金與低碳鋼的激光熔釬焊接研究認(rèn)為，AZ31B鎂合金與低碳鋼間連接界面中無(wú)反應(yīng)層，為機(jī)械連接[14]；Miao則認(rèn)為AZ31B鎂合金與Q235鍍鋅鋼板MIG熔釬焊搭接接頭界面中能夠形成少量的Fe-Al相[15]。

截至目前，鎂合金與超高強(qiáng)度鋼異種金屬間連接的相關(guān)研究報(bào)道尚不充分。本工作開(kāi)展了AZ31B鎂合金與PRO500超高強(qiáng)度鋼TIG電弧熔釬連接界面性能及反應(yīng)機(jī)理分析，為鎂合金與超高強(qiáng)度鋼異種金屬間連接進(jìn)行了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用母材分別為AZ31B鎂合金和瑞典SSAB公司生產(chǎn)的PRO500裝甲鋼板，成分分別列于表1和表2；填充焊絲采用AZ31B鎂合金，直徑1.6mm。

表1 鎂合金AZ31B成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)及強(qiáng)度Table 1 Chemical compositions (mass fraction/%) and strength of AZ31B magnesium alloy

表2 PRO500鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)及強(qiáng)度Table 2 Chemical compositions (mass fraction/%) and strength of PRO500 steel

利用YC-300WP5HGN型非熔化極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)覆倪M(jìn)行熔釬連接，保護(hù)氣體為氬氣，焊接速率為0.2m/min，送絲速率為0.6m/min。鎂合金母材試板尺寸為50mm×80mm×1mm，PRO500鋼試板尺寸為50mm×80mm×2mm，焊前均利用機(jī)械清理方法進(jìn)行表面去污和清理氧化膜。接頭為搭接形式，搭接部分寬度20mm，接頭樣品由整塊焊接樣品中部截取，寬度為15mm。利用AGS-X電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為1.5mm/min，利用TMHV-5型顯微硬度計(jì)進(jìn)行接頭界面顯微硬度測(cè)試分析。

利用Quanta 250型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)熔釬焊接頭界面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和斷口形貌觀察；利用X-Max 20X能譜分析儀(EDS)對(duì)特征位置元素分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，金相試樣腐蝕為苦味酸溶液(苦味酸5.5g，無(wú)水乙醇90mL，乙酸5mL，蒸餾水10mL)；采用D/max-2500 PC X射線衍射儀(XRD)對(duì)熔釬焊接頭界面和拉剪斷口進(jìn)行物相分析，其工作參數(shù)為：電壓40kV，電流150mA；2θ角20°～100°，掃描速率4(°)/min，步長(zhǎng)0.02°。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭分析

焊接電流分別為50A和80A時(shí)，AZ31B鎂合金/PRO500鋼TIG電弧熔釬焊接頭宏觀形貌與界面微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊接電流80A時(shí)熔釬焊接頭XRD物相分析譜見(jiàn)圖2。

圖1 AZ31B鎂合金/PRO500鋼TIG熔釬接頭宏觀形貌與界面微觀結(jié)構(gòu) (a)I=50A；(b)I=80AFig.1 Macro profile and interfacial microstructure of the TIG welding-brazing joints of AZ31B magnesium alloy to PRO500 steel (a)I=50A;(b)I=80A

圖2 AZ31B鎂合金/PRO500 TIG熔釬接頭XRD譜(I=80A)Fig.2 XRD spectrum of the TIG welding-brazing joints of AZ31B magnesium alloy to PRO500 steel (I=80A)

由圖1可見(jiàn)，AZ31B鎂合金/PRO500鋼之間能夠利用TIG電弧熔釬焊方法實(shí)現(xiàn)有效連接，熔敷金屬較好地在未熔化的鋼基體上進(jìn)行了鋪展，未出現(xiàn)顯著的未熔合間隙；熔釬焊接頭界面處，熔敷金屬與鋼基體之間形成的反應(yīng)過(guò)渡層主要表現(xiàn)為沿連接界面分布的白色帶狀化合物；焊接電流的增大使得熔點(diǎn)較低且性質(zhì)活潑的鎂合金發(fā)生了顯著的氧化和揮發(fā)，熔融態(tài)填充金屬在基板上的鋪展性能變差，導(dǎo)致熔敷金屬形狀變得不規(guī)則且焊縫余高顯著增加。

異種金屬間由于在成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等方面存在顯著差異，焊接工藝性能具有較多不確定性，為保障連接可靠性，通常需要采用必要的工藝措施以保障異種金屬基材間焊接過(guò)程中形成有效的金屬間化合物、共晶或復(fù)雜機(jī)械混合物結(jié)構(gòu)[7]。由于Fe與Mg之間不能互溶或形成金屬間化合物，結(jié)合接頭界面XRD分析結(jié)果(見(jiàn)圖2)，可以推斷該白色界面層不是由界面間金屬元素相互擴(kuò)散形成，而是由非金屬化合物與界面處基體元素共同形成的復(fù)雜混合物。

2.2 接頭界面反應(yīng)熱力學(xué)分析

已有研究表明，Mg-鋼焊接時(shí)O元素的侵入會(huì)在接頭中形成復(fù)雜的Fe-Mg-O化合物[10]。圖3(a)為900K時(shí)Fe-Mg-O三元系統(tǒng)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)圖[16]，圖3(b)為焊接電流80A時(shí)AZ31B鎂合金/PRO500鋼TIG電弧熔釬焊接接頭界面過(guò)渡區(qū)元素分布EDS線掃描分析結(jié)果。由圖3(b)界面過(guò)渡區(qū)特征元素分布可知，AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊界面存在一個(gè)顯著的O元素聚集區(qū)。由于Mg-Fe之間既不互溶也不發(fā)生反應(yīng)，為分析界面O元素聚集的形成機(jī)理，設(shè)定連接界面區(qū)域基板/熔敷金屬作為一個(gè)孤立系統(tǒng)，對(duì)922K(AZ31B鎂合金熔點(diǎn)溫度)時(shí)熔釬焊界面形成過(guò)程中基體元素與O的作用進(jìn)行熱力學(xué)分析。

圖3 900K時(shí)Fe-Mg-O三元系統(tǒng)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)圖[16](a)及I=80A時(shí)典型界面元素分布(b)Fig.3 Predominance diagram for the growth in the ternary Fe-Mg-O system at 900K[16] (a) and a typical interfacial elements diffusion of a joint I=80A (b)

各反應(yīng)的吉布斯自由能可通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

依據(jù)Kirchhoff公式計(jì)算溫度為T時(shí)的反應(yīng)焓變：

(2)

式中：νB表示物質(zhì)B的計(jì)量數(shù)，反應(yīng)物取負(fù)值，產(chǎn)物取正值；Cp,m為恒壓摩爾熱容；∑BνBCp,m(B)為反應(yīng)體系中反應(yīng)物與產(chǎn)物Cp,m的代數(shù)和。

任意溫度T時(shí)化學(xué)反應(yīng)的熵變?yōu)椋?/p>

(3)

AZ31B鎂合金與PRO500鋼主要基體元素與元素O間可能發(fā)生的反應(yīng)及反應(yīng)焓變、熵變以及吉布斯自由能計(jì)算結(jié)果列于表3。其中，計(jì)算過(guò)程各元素及化合物熱力學(xué)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[17]，元素Mg與O的作用分為兩種情況進(jìn)行了分析。

表3 界面元素間反應(yīng)焓變/熵變/自由能Table 3 ΔγHθ/ΔγSθ/ΔGθ in reaction between interfacial elements

熔釬焊過(guò)程液態(tài)金屬中化合物形成熱力學(xué)分析結(jié)果表明，AZ31B鎂合金與PRO500鋼主要基體元素與元素O間可能發(fā)生的各反應(yīng)吉布斯自由能ΔGθ<0，表明在649℃(922K)時(shí)，界面中氧化物的形成反應(yīng)均能夠自發(fā)進(jìn)行。由于Fe-Mg之間幾乎不互溶且不形成金屬間化合物，結(jié)合Fe-Mg-O三元合金系統(tǒng)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)圖(圖3(a))，可以推測(cè)AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊連接時(shí)元素氧的侵入會(huì)在接頭中形成復(fù)雜的Fe-Mg-O間的二元甚至三元氧化物。

盡管Fe-Mg間不發(fā)生反應(yīng)，但二者均會(huì)發(fā)生向連接界面復(fù)雜Fe-Mg-O化合物中的擴(kuò)散[10]。由于搭接接頭焊接過(guò)程中氧的侵入不可避免，高溫時(shí)Mg極易氧化生成MgO，而有研究表明Fe及其氧化物能夠溶入MgO[16,18]，使得最終在界面區(qū)形成了由Fe-Mg-O化合物和基體Fe元素、熔敷金屬中結(jié)晶與擴(kuò)散的Mg元素共同組成的過(guò)渡區(qū)。

2.3 接頭力學(xué)性能

圖4所示為實(shí)驗(yàn)工藝條件下AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊接頭顯微硬度測(cè)試分析結(jié)果。

圖4所示接頭顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊接頭中形成了一個(gè)硬度介于兩種基材之間的界面連接過(guò)渡區(qū)；靠近釬接位置的鋼基體未發(fā)生熔化，但在焊接熱循環(huán)作用下硬度下降，形成一個(gè)回火軟化區(qū)，較小焊接電流I=50A時(shí)更為明顯；較大焊接電流I=80A時(shí)由于熱輸入較高，能夠起到近似于回火二次硬化的作用，使得靠近焊接區(qū)的鋼基板硬度下降相對(duì)較小。

圖4 AZ31B鎂合金/PRO500 TIG熔釬接頭顯微硬度Fig.4 Microhardness of the TIG welding-brazing joints of AZ31B magnesium alloy to PRO500 steel

對(duì)實(shí)驗(yàn)工藝條件下AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，焊接電流分別為50A與80A時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度分別為162MPa和82MPa(鑄態(tài)AZ31B鎂合金母材抗拉強(qiáng)度為260MPa)，其斷口形貌如圖5所示，焊接電流為50A時(shí)接頭拉伸斷口的XRD物相分析譜見(jiàn)圖6。

圖5 AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊接頭斷口形貌 (a)I=50A；(b)I=80AFig.5 Fracture morphologies of the TIG welding-brazing joints of AZ31B magnesium alloy to PRO500 steel(a)I=50A；(b)I=80A

圖6 AZ31B鎂合金/PRO500 TIG熔釬接頭斷口XRD譜(I=50A) Fig.6 XRD spectrum of the TIG welding-brazing joints fracture of AZ31B magnesium alloy to PRO500 steel (I=50A)

由圖5可知，不同焊接電流工藝條件下，AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊接頭拉伸斷裂呈現(xiàn)為不同程度的準(zhǔn)解理斷裂特征，整體表現(xiàn)為脆性斷裂；焊接電流較小時(shí)，斷口中準(zhǔn)解理面相對(duì)較小且局部區(qū)域形成較多的小撕裂棱(圖5(a))，表明其斷裂模式表現(xiàn)為以準(zhǔn)解理脆性斷裂為主、包含了少量延性斷裂的混合斷裂；焊接電流較大時(shí)，整個(gè)斷口均表現(xiàn)為大面積的準(zhǔn)解理面(圖5(b))，表明其斷裂模式為準(zhǔn)解理斷裂主導(dǎo)的脆性斷裂。

界面化合物的形成是異種金屬間形成互聯(lián)的必要條件。由AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊過(guò)程中界面反應(yīng)熱力學(xué)分析結(jié)果以及接頭結(jié)構(gòu)(圖1)與界面元素分布特性分析結(jié)果(圖2，3)可知，由于Mg的活性，AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬連接過(guò)程中，互聯(lián)界面過(guò)渡區(qū)中能夠形成較多的復(fù)雜Fe-Mg-O脆性化合物；接頭斷口XRD譜(圖6)則表明，盡管Fe-Mg元素間既不互溶也不形成金屬間化合物，AZ31B中的合金元素Al卻能夠與鋼基體中的Fe元素在熔釬連接界面形成AlFe3金屬間化合物。

AZ31B鎂合金/PRO500鋼熔釬焊過(guò)程中界面化合物(包括復(fù)雜氧化物和Al-Fe間IMC)的形成能夠促進(jìn)連接界面層的形成，但界面層中氧化物含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致結(jié)合界面的脆性顯著增大。較大的焊接電流會(huì)顯著降低電弧的穩(wěn)定性，帶來(lái)的劇烈氧化燒損既降低了熔敷金屬在基板上潤(rùn)濕鋪展的有效性和界面處有效反應(yīng)元素(如Al)的含量，也會(huì)促進(jìn)界面脆性氧化物的過(guò)度形成。此外，由于Mg具有密排六方晶格結(jié)構(gòu)，其發(fā)生塑性變形所依賴的滑移與孿生會(huì)受到限制從而導(dǎo)致其室溫塑性較差，由較大焊接電流帶來(lái)的劇烈氧化和界面過(guò)渡區(qū)中脆性化合物相增多則進(jìn)一步對(duì)結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

(1)對(duì)AZ31B鎂合金/PRO500超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行TIG電弧熔釬焊搭接時(shí)，各基體元素的氧化具有強(qiáng)烈的熱力學(xué)自發(fā)性并在接頭界面中形成氧化物聚集的過(guò)渡區(qū)。

(2)AZ31B鎂合金/PRO500超高強(qiáng)度鋼熔釬焊接頭中形成了一個(gè)硬度介于兩種基材之間的界面連接過(guò)渡區(qū)，靠近釬接位置的鋼基體在焊接熱循環(huán)作用下會(huì)出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象。

(3)AZ31B鎂合金/PRO500超高強(qiáng)度鋼TIG電弧熔釬焊接頭界面反應(yīng)層是由復(fù)雜氧化物和Al-Fe IMC等組成的混合組織，較大焊接電流會(huì)導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)中脆性化合物相因元素過(guò)度氧化而增多，在拉應(yīng)力作用下解理面增大，接頭結(jié)合強(qiáng)度顯著下降。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51271208)

2016-05-04；

2017-05-18

張喜燕(1958-)，男，教授/博導(dǎo)，博士，主要從事金屬材料研究，聯(lián)系地址：重慶市沙坪壩區(qū)沙正街174號(hào)重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(400044)，E-mail: kehen888@163.com

(本文責(zé)編：楊 雪)

Interfacial Reaction Characteristics and MechanicalProperties of Welding-brazing Bonding Between AZ31BMagnesium Alloy and PRO500 Ultra-high Strength Steel

CHEN Jian-hua，ZHANG Xi-yan，REN Yi

(College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Experiments were carried out with TIG welding-brazing of AZ31B magnesium alloy to PRO500 steel using TIG arc as heat source. The interfacial reaction characteristics and mechanical properties of the welding-brazing bonding were investigated. The results show that an effective bonding is achieved between AZ31B magnesium alloy and PRO500 steel by using TIG welding-brazing method. Some spontaneous oxidation reactions result in the formation of a transition zone containing AlFe3phase with rich oxide. The micro-hardness value of the interfacial transition zone is between that of the AZ31B and the PRO500. Temper softening zone appears due to the welding thermal cycle nearby the bonding position in the interface. A higher heat input makes an increase of the brittle phases and leads to an obvious decrease of the bonding strength.

interfacial reaction;magnesium alloy;ultra-high strength steel;welding-brazing;property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000518

TG47

A

1001-4381(2017)11-0084-06