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        焊接速度對Mg/Cu異種合金攪拌摩擦焊接接頭成形的影響

        2018-09-12 09:14:18
        精密成形工程 2018年5期
        關(guān)鍵詞:混合區(qū)成形力學(xué)性能

        (南昌航空大學(xué) 焊接工程系,南昌 330063)

        隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展,對零部件的綜合性能提出了越來越高的要求,既要有高強度、高硬度及高耐磨性等特點,又要具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等多方面的性能。通常情況下,一種金屬材料難以滿足所有使用要求,因此,將不同性能的金屬連接成復(fù)合結(jié)構(gòu)件,已經(jīng)成為一種快速發(fā)展的新工藝方案[1—2]。

        鎂/銅合金具有低密度、高比強度及良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電等特性,已經(jīng)在交通、電子、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3—5]。然而,由于兩種合金的物理特性相差太大,導(dǎo)致在兩種合金焊接過程中面臨著許多問題[6—7]。采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接時,焊接熱輸入太大,焊縫內(nèi)部很容易產(chǎn)生氣孔、夾雜以及大量的脆性金屬間化合物,導(dǎo)致接頭開裂,接頭成形困難[8—10]。攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù),焊接過程中母材金屬不熔化,可以避免傳統(tǒng)熔焊過程中出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷,且焊接熱輸入較低,可有效減少異種材料焊接時所形成的脆性金屬間化合物,提高接頭力學(xué)性能,因此被認為是異種輕金屬最理想的焊接方法[11—12],然而,目前關(guān)于Mg/Cu異種合金攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究極為少見。

        基于此,文中以 Mg/Cu異種合金攪拌摩擦焊接為研究對象,通過改變焊接速度來改變焊接過程中的熱輸入量,分析焊接速度對 Mg/Cu異種合金攪拌摩擦焊接接頭宏觀成形、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。借此研究結(jié)果來揭示 Mg/Cu異種合金攪拌摩擦焊接接頭的成形機理,以期為 Mg/Cu異種合金攪拌摩擦焊接技術(shù)研究提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

        1 試驗方法及過程

        采用圓錐形左螺紋攪拌頭進行焊接試驗。攪拌頭夾持柄和軸肩的加工材料選用熱處理狀態(tài)的 H13模具鋼,而攪拌針則選用固溶時效態(tài)GH4169鎳基高溫合金。其中,軸肩端面形狀為三螺旋槽形,螺旋槽深度為0.5 mm,軸肩直徑為21 mm;攪拌針表面加工成左螺紋,螺距為1 mm;攪拌針根部直徑為6 mm,端部直徑為5 mm,長度為4.8 mm。

        試驗基材選用厚度為5 mm的銅合金(T2)和鎂合金(AZ31),待焊件尺寸加工成150 mm×45 mm。焊前使用水砂紙進行打磨,并用丙酮對待焊工件表面進行清理。焊接設(shè)備選用X35K型立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機,焊接時攪拌頭作順時針旋轉(zhuǎn),焊接工藝參數(shù)選取:保持 950 r/min的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度不變;采用75, 95, 118 mm/min這3種焊接速度;傾斜角為2°;下壓量為 0.2 mm。此外,為了獲得良好的接頭,焊接時攪拌針向鎂合金側(cè)偏移1 mm,焊接示意圖見圖1。

        圖1 Mg/Cu合金攪拌摩擦焊接示意圖Fig.1 Schematic of friction stir welding Mg/Cu alloys

        焊后,沿著垂直于焊接方向截取金相試樣和拉伸試樣。金相試樣經(jīng)過粗磨、細磨、拋光后,配比不同的腐蝕劑對試樣進行腐蝕。其中,用來腐蝕銅合金的腐蝕劑為50 mL的NH4OH+20 mL的H2O2+50 mL的H2O的混合溶液,而用來腐蝕鎂合金的腐蝕劑則為體積分數(shù)為 4%的硝酸酒精溶液(4 mL的 HNO3+96 mL的C2H5OH)。隨后,采用4cxe型金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對試樣組織進行分析。為了分析焊接速度對接頭力學(xué)性能的影響,采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機對拉伸試樣進行測試,其拉伸試樣尺寸見圖2。

        圖2 接頭拉伸試樣尺寸Fig.2 Sizes of tensile sample of joint

        2 結(jié)果與分析

        2.1 焊縫表面宏觀成形

        保持攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950 r/min不變、改變焊接速度條件下獲得的焊縫表面成形形貌見圖3??梢姡S著焊接速度的提高,焊縫表面成形質(zhì)量呈現(xiàn)先變好后變差的趨勢。其中,當(dāng)焊接速度為75 mm/min時,焊縫中心表面出現(xiàn)了明顯的起皮現(xiàn)象,兩側(cè)有少量的飛邊;隨著焊接速度增加至95 mm/min時,焊縫表面變得良好,表面較光滑,焊縫兩側(cè)無明顯飛邊;繼續(xù)增加焊接速度至118 mm/min時,焊縫表面較粗糙,兩側(cè)的飛邊明顯增多。

        分析認為,在一定范圍內(nèi),當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度不變時,隨著焊接速度減小,焊接熱輸入量增加[13]。由此可知,當(dāng)焊接速度較大時,焊接熱輸入較小,焊縫金屬的塑化程度不夠,金屬的流動能力較差,導(dǎo)致焊縫表面成形較粗糙,兩側(cè)飛邊較大,如圖 3a所示。適當(dāng)減小焊接速度,焊接熱輸入顯著增大,焊縫金屬的塑化程度較高,流動充分,使得焊縫表面成形較光滑,兩側(cè)沒有飛邊形成,如圖3b所示。然而,當(dāng)焊接速度較低時,攪拌頭與焊縫金屬接觸界面的摩擦狀態(tài)可能由黏著摩擦向滑動摩擦轉(zhuǎn)變[14],焊接熱速度降低,反而不利于焊縫成形,如圖3c所示。

        圖3 焊縫表面成形形貌Fig.3 Macrostructures of weld surface

        2.2 焊縫橫截面形貌

        為了分析焊接速度對焊縫內(nèi)部成形質(zhì)量的影響,對不同焊接速度下的橫截面形貌進行觀察,焊縫橫截面形貌見圖4??梢姡诒3中D(zhuǎn)速度不變的情況下,適當(dāng)減小焊接速度可改善焊縫內(nèi)部成形質(zhì)量。其中,當(dāng)焊接速度為118 mm/min時,焊縫中心混合區(qū)呈“鉤狀”型分布,少量的銅合金嵌入鎂合金側(cè),且靠近銅側(cè)還存在明顯的孔洞缺陷,表明焊核區(qū)內(nèi)鎂、銅兩合金的混合程度較差,如圖 4c所示。隨著焊接速度減小至95 mm/min時,混合區(qū)內(nèi)鎂、銅合金的混合程度顯著增大,混合區(qū)形狀由之前的“鉤狀”型向球型轉(zhuǎn)變,其內(nèi)部主要由交替疊加的鎂、銅層片結(jié)構(gòu)組成,內(nèi)部孔洞缺陷消失,如圖4b所示,但是,當(dāng)焊接速度繼續(xù)降低至75 mm/min時,混合區(qū)兩合金金屬混合程度反而有所降低,且內(nèi)部出現(xiàn)了細小的孔洞缺陷,如圖4a所示。

        攪拌摩擦焊接過程中,焊接速度對焊接熱輸入量具有決定性的影響[15]。在相同的旋轉(zhuǎn)速度條件下,隨著焊接速度的減小,單位長度內(nèi)的焊縫熱輸入量增加[16]。由此可知,當(dāng)焊接速度從118 mm/min減小至95 mm/min時,焊縫熱輸入量得到顯著增加,焊縫內(nèi)部的金屬塑化程度增加,周邊冷金屬的約束力減小,焊核區(qū)內(nèi)的塑化金屬向周圍的遷移程度增大,導(dǎo)致混合區(qū)內(nèi)兩合金金屬的混合程度增大,孔洞缺陷消失,但是,當(dāng)焊接速度低于某一范圍值時,焊縫金屬的升溫速率太快,攪拌頭與焊縫金屬接觸界面的摩擦狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ粒炊鴷档秃附訜彷斎肓?,焊縫金屬流動能力下降,混合區(qū)內(nèi)金屬混合程度不夠,內(nèi)部易形成孔洞缺陷。

        圖4 焊縫橫截面形貌Fig.4 Cross sections of welds

        2.3 微觀結(jié)構(gòu)

        圖5 接頭各區(qū)域內(nèi)的顯微組織Fig.5 Microstructures of different zones of joint

        旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min、焊接速度為95 mm/min的條件下獲得的焊縫橫截面形貌及顯微結(jié)構(gòu)見圖5。其中,圖5a為焊縫的橫截面形貌,圖5b和5c為焊縫鎂側(cè)熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)的顯微組織,圖5d和5e為焊縫銅側(cè)熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)的顯微組織。由圖5可見,焊縫主要由母材、熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)和焊核區(qū)組成,其中混合區(qū)位于焊核區(qū)中心。此外,在攪拌頭的攪拌力作用下,焊縫鎂、銅兩側(cè)熱力影響區(qū)內(nèi)均形成了細小的、拉長的顯微組織;而熱影響區(qū)內(nèi)的組織發(fā)生了明顯的粗化;而混合區(qū)主要由鎂銅兩合金金屬層片交替疊加組成。

        為了分析混合區(qū)內(nèi)不同位置處的化學(xué)成分,對圖5a中的局部區(qū)域 5區(qū)進行掃面電鏡分析,如圖 6所示。由圖6可見,混合區(qū)內(nèi)組織較為復(fù)雜,主要由板條狀(灰色長條)和顆粒狀(白色顆粒)組織組成;此外,在板條狀組織邊界處由白色的產(chǎn)物生成。

        圖6 焊核區(qū)內(nèi)局部區(qū)域的SEM圖Fig.6 SEM image of local area in the nugget zone

        為了確認不同位置處的產(chǎn)物,對各位置進行EDS點掃描,結(jié)果見表1。由表1可知,A點位置主要含Cu元素,表明混合區(qū)內(nèi)灰色條狀物主要為層片狀的銅合金;B點位置主要為Mg元素,表明混合區(qū)內(nèi)的白色顆粒主要為破碎的鎂合金顆粒;而C點位置處的Mg∶Cu約為2∶1,表明層片狀銅合金邊緣有少量的金屬間化合物Mg2Cu生成。

        表1 焊核區(qū)中不同位置處的元素含量(原子數(shù)分數(shù))Tab.1 Element content of different points in the nugget zone (fraction of number of atoms) %

        2.4 力學(xué)性能

        不同焊接速度條件下獲得的接頭力學(xué)性能變化趨勢見圖 7。由圖 7可知,隨著焊接速度的減小,接頭的抗拉強度先增大后減小,其中,當(dāng)焊接速度為 118 mm/min時,接頭抗拉強度最低,僅為39.8 MPa。隨著焊接速度減小至95 mm/min時,接頭抗拉速度得到顯著提高,達81.5 MPa。繼續(xù)減小焊接速度至75 mm/min時,接頭抗拉強度反而降低,達53.5 MPa。

        圖7 不同焊接速度下接頭的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of joints produced at different welding speeds

        結(jié)合圖4中接頭橫截面形貌可以發(fā)現(xiàn),由于焊接速度較大,焊接熱輸入較低,導(dǎo)致焊縫內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的孔洞缺陷,且兩金屬的混合程度較差,接頭的力學(xué)性能最差。隨著焊接速度的減小,焊接熱輸入明顯增大,焊縫金屬的塑化程度提高,流動能力增強,使得焊縫成形質(zhì)量得到顯著提高,但焊接速度太低時,反而由于攪拌頭與金屬的摩擦界面狀態(tài)發(fā)生改變,焊接熱輸入反而較低,接頭力學(xué)性能變差。

        3 結(jié)論

        1)采用工藝參數(shù)為 950 r/min的旋轉(zhuǎn)速度、95 mm/min的焊接速度焊接時,可以獲得表面成形良好,內(nèi)部無孔洞缺陷的接頭。

        2)隨著焊接速度的增加,焊縫中心混合區(qū)由鉤狀型向球型轉(zhuǎn)變,混合區(qū)主要由層片狀銅合金、顆粒狀鎂合金和金屬間化合物Mg2Cu組成。

        3)接頭力學(xué)性能隨著焊接速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中,當(dāng)焊接速度為 95 mm/min時,接頭的抗拉強度最大,達81.5 MPa。

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