王 璐， 席小鵬

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008；2. 西安菲爾特金屬過(guò)濾材料股份有限公司， 西安710201）

隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展， 節(jié)能減排、 機(jī)械輕量化受到越來(lái)越多的關(guān)注。 鎂、 鋁合金作為結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料而被廣泛應(yīng)用于汽車、 電子、 航空航天等領(lǐng)域[1-2]。 鑒于鎂、 鋁合金應(yīng)用具有廣泛性和交叉性， 兩種金屬進(jìn)行連接， 不僅可以充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢(shì)， 而且擴(kuò)大了鋁、 鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域， 焊接作為現(xiàn)代連接技術(shù)， 在先進(jìn)制造技術(shù)中占主導(dǎo)地位[3-4]。 目前鎂、 鋁異種合金焊接的方法主要有氣體保護(hù)焊[5-6]、 電阻點(diǎn)焊[7]、激光焊[8]和電子束焊[9]等。 這些傳統(tǒng)的熔化焊接方法溫度高， 焊接時(shí)極易產(chǎn)生大量的金屬間化合物 （intermetallic compounds， IMCs）， 甚至產(chǎn)生氣孔、 裂紋等缺陷， 致使焊接質(zhì)量較低， 接頭性能較差。

攪拌摩擦焊 （friction stir welding， FSW） 是英國(guó)焊接研究所 （TWI） 于1991 年發(fā)明的一種固相焊接技術(shù)[10]。 FSW 克服了傳統(tǒng)熔化焊接接頭強(qiáng)度低、 易變形， 易產(chǎn)生氣孔及夾雜等問(wèn)題， 且熱輸入量較低， 接頭殘余應(yīng)力較小， 綜合性能良好。 目前， 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究， 主要涉及鋁合金[11-12]、 鎂合金[13-14]、 銅合金[15]等同種材料以及鋁/銅[16-17]、 鋁/鈦[18-19]、 鋁/鋼[20-21]及鋁/鎂[22-27]等異種合金的焊接， 其中在攪拌摩擦搭接焊 （friction stir lap welding， FSLW） 方面的研究較少， 僅集中于研究攪拌頭[26]、 工藝參數(shù)[22-26]等對(duì)FSLW 焊接接頭組織與性能的影響。 盡管FSLW 相對(duì)于傳統(tǒng)熔焊， 焊接溫度低且焊接時(shí)間短 ， Mg/Al 界 面 過(guò) 渡 層 脆 性IMCs Al12Mg17、Mg2Al3的生成量減少， 但仍然在界面處有一定量的生成， 從而影響Mg/Al 接頭的力學(xué)性能。

鑒于Mg/Al 異種金屬在界面處IMCs 生成的不可避免性， 如何抑制IMCs 的生成是改善焊接接頭組織、 力學(xué)性能的關(guān)鍵。 因此本研究對(duì)AZ31 鎂合金和6061 鋁合金進(jìn)行水下攪拌摩擦搭接 焊 （ submerged friction stir lap welding， SFSLW）， 研究循環(huán)冷卻水對(duì)Mg/Al 焊接接頭組織與剪切性能的影響， 重點(diǎn)對(duì)焊接接頭界面過(guò)渡層IMCs 的形成與分布進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選用軋制態(tài)AZ31 鎂合金和6061-T6鋁合金板材， 其尺寸均為160 mm×80 mm×4 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。 焊接前， 對(duì)被焊板材表面用鋼絲刷打磨去除氧化皮， 并采用丙酮對(duì)其進(jìn)行清洗。 圖1 為試驗(yàn)Mg/Al 水下攪拌摩擦搭接焊過(guò)程示意圖， 圖2 為Mg、 Al 合金及攪拌頭相對(duì)位置示意圖。

表1 AZ31 鎂合金和6061 鋁合金化學(xué)成分

圖1 Mg/Al 異種金屬水下攪拌摩擦搭接焊示意圖

圖2 Mg、Al 合金及攪拌頭相對(duì)位置示意圖

SFSLW 試驗(yàn)在改造的X5032 型立式升降臺(tái)銑床上進(jìn)行。 攪拌頭采用W18Cr4V 材質(zhì)， 軸肩尺寸15 mm， 攪拌針為右螺紋錐形， 其中根部直徑6 mm， 頭部直徑5 mm， 長(zhǎng)度3.8 mm。 經(jīng)前期試驗(yàn)， 本研究所選取焊接參數(shù)為： 轉(zhuǎn)速1 180 r/min，焊接速度47.5 mm/min， 壓下量0.2 mm。

焊后垂直于焊接方向切取金相 （OM） 和掃描電鏡 （SEM） 試樣。 金相試樣經(jīng)過(guò)磨制、 拋光后腐蝕。 首先對(duì)AZ31 鎂合金一側(cè)采用10 mL 醋酸+10 mL 蒸餾水+4.2 g 苦味酸+100 mL 乙醇的腐蝕劑進(jìn)行浸蝕， 腐蝕時(shí)間為8 s； 然后對(duì)6061鋁合金一側(cè)采用20 gNaOH+100 mL蒸餾水的腐蝕劑浸蝕， 腐蝕時(shí)間為40 s。 腐蝕后分別采用光學(xué)顯微鏡 （OM， GX51） 和掃描電鏡 （SEM， OXFORD S-3400N） 對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察和能譜分析 （EDS）。

剪切試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī) （Instron8801） 上進(jìn)行。 試樣垂直于焊縫切取， 尺寸為90 mm×20 mm（ASTM D 3164 標(biāo)準(zhǔn)）， 如圖3 所示。 初始應(yīng)變速率為1 mm/min， 每組平行試樣為3 個(gè)。進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)， 為得到準(zhǔn)確的剪切數(shù)據(jù)， 在Mg 合金和Al 合金板材夾持端分別采用厚度為4 mm 墊板。 斷后采用SEM 和EDS 對(duì)剪切試樣的斷口表面形貌及元素分布進(jìn)行觀察分析。

圖3 剪切試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 組織形貌分析

圖4 為Mg/Al 異種金屬SFSLW 焊接接頭橫截面宏觀照片及對(duì)應(yīng)不同區(qū)域的金相組織形貌。從圖4 （a） 可見(jiàn)典型的FSW 形貌——盆狀區(qū)域， 這歸因于焊接過(guò)程中， 上部金屬受到軸肩和攪拌針旋轉(zhuǎn)摩擦以及攪拌針攪拌剪切的共同作用， 塑性流動(dòng)范圍較大； 下部金屬僅受到攪拌針的剪切擠壓作用， 塑性流動(dòng)范圍相對(duì)較小， 因此， 焊接接頭橫截面呈現(xiàn)盆狀形貌[28]。 較后退側(cè)（retreating side， RS） 相比， 在前進(jìn)側(cè) （advancing side， AS） 可見(jiàn)明顯的分界線 （圖4 （f））。這主要是由于在焊接過(guò)程中前進(jìn)側(cè)金屬在攪拌針的剪切作用下向前流動(dòng)， 即向攪拌針后方流動(dòng)，變形金屬與母材形成強(qiáng)烈的變形差， 導(dǎo)致變形金屬受到的切應(yīng)力較大， 塑化金屬流動(dòng)劇烈， 從而形成清晰的界面。 后退側(cè)塑性變形金屬流動(dòng)方向與攪拌針旋轉(zhuǎn)方向一致， 金屬只發(fā)生擠壓變形，變形程度低， 因而過(guò)度界面平緩。

圖4 Mg/Al 異種金屬SFSLW 焊接接頭橫截面宏觀照片及對(duì)應(yīng)不同區(qū)域的金相組織形貌

圖4 （b）、 圖4 （c） 分別為AZ31 鎂和6061鋁合金母材的原始金相組織形貌， 為典型的軋制態(tài)組織， 呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀。 其中AZ31 鎂合金晶粒大小均勻性較差。 圖4 （e） 為AZ31 鎂合金和6061鋁合金原始搭接界面； 圖4 （d） 為經(jīng)SFSLW 后的Mg/Al 異種金屬界面OM 圖， 由圖4 （d） 可見(jiàn)， Mg 合金晶粒得到顯著細(xì)化， 這主要是由于焊合區(qū) （welded zone， WZ） Mg 合金在受到攪拌針剪切擠壓作用下發(fā)生劇烈的塑性變形， 在熱-力共同作用下晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所致。 為進(jìn)一步對(duì)界面進(jìn)行研究， 進(jìn)行了SEM 及EDS 能譜分析 （如圖5 所示）。

圖5 （a） 為低倍數(shù)下Mg/Al 界面SEM 圖，圖5 （b） 為圖5 （a） 對(duì)應(yīng)界面處的放大圖。 其中左側(cè)為Mg 合金， 右側(cè)為Al 合金。 由圖5 可見(jiàn)， 界面處生成了一條明顯的暗灰色帶狀過(guò)渡層。對(duì)該帶狀組織周圍4 個(gè)不同位置 （見(jiàn)圖5 （b））進(jìn)行了EDS 分析， 分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 焊合區(qū)帶狀結(jié)構(gòu)SEM 圖

表2 焊合區(qū)不同位置Mg 和Al 元素EDS 分析

由表2 可以看出， 帶狀過(guò)渡層主要由Mg、Al、 Mg+ Al12Mg17以及Al+Mg2Al3組成。 分析認(rèn)為， 在Mg/Al 異種金屬SFSLW 過(guò)程中， 在攪拌頭攪拌摩擦作用下， WZ 區(qū)溫度升高， 在熱-力耦合的共同作用下， 界面處Mg、 Al 元素發(fā)生互相擴(kuò)散， 根據(jù)Al-Mg 二元合金相圖可知， Mg、 Al 元素固溶度很低， 在溫度達(dá)到到437 ℃和450 ℃時(shí)將發(fā)生共晶反應(yīng)生成Al12Mg17和Mg2Al3， 從而在界面處形成了IMCs 過(guò)渡層。

圖6 不同介質(zhì)中FSLW 后Mg/Al 界面橫截面SEM 圖和EDS 線掃描分析

此外， 結(jié)合圖4 和表2 對(duì)Mg/Al 過(guò)渡層IMCs 中Al12Mg17和Mg2Al3生成過(guò)程及含量進(jìn)行分析。 一方面， Mg 元素的自擴(kuò)散系數(shù)大于Al 元素的自擴(kuò)散系數(shù)[6]， 因此， 在Mg/Al 焊接過(guò)程中，Mg 元素更易于向Al 元素一側(cè)發(fā)生擴(kuò)散； 另一方面， 由熱力學(xué)分析可知， Al12Mg17的Gibbs 自由能較Mg2Al3低， 即Al12Mg17的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)于Mg2Al3， 因此， 在Mg 元素向Al 側(cè)擴(kuò)散過(guò)程中，在Mg/Al 界面先形成Al12Mg17晶核， 并逐漸長(zhǎng)大， 最終生成大量的Al12Mg17金屬間化合物。 同時(shí)， 伴隨Mg 元素繼續(xù)向Al 合金一側(cè)擴(kuò)散及溫度的降低， 在界面近Al 基體處生成Mg2Al3薄層組織。 因而在Mg/Al 接頭大量產(chǎn)生Al12Mg17， 生成的Mg2Al3較少。 同樣， 田偉等人[29]通過(guò)第一性原理計(jì)算也證實(shí)了這一結(jié)論。

進(jìn)一步對(duì)Mg/Al 搭接界面過(guò)渡層進(jìn)行EDS 線掃描分析， 如圖6 所示。 由圖6 可以看出， 空氣中FSLW 界面過(guò)渡層的厚度約為3.84 μm， 在同一試驗(yàn)參數(shù)下， 水下FSLW 界面過(guò)渡層厚度僅為2.01 μm。 這歸因于循環(huán)水的作用帶走了WZ 區(qū)產(chǎn)出的大量摩擦熱以及塑性變形熱， 減小了焊接峰值溫度[30]。 同時(shí)， 循環(huán)水加快了冷卻速度， 一方面， 減緩了Mg、 Al 元素的擴(kuò)散速度； 另一方面，也避免了大面積的成分液化， 抑制了Al12Mg17和Mg2Al3金屬間化合物的生成， 從而大大減小了Mg/Al 界面過(guò)渡層IMCs 的厚度[29]。

2.2 剪切性能及斷口分析

不同介質(zhì)中Mg/Al 異種金屬FSLW 焊接接頭的最大失效載荷如圖7 所示， 從圖7 可以看出，SFSLW 焊接接頭最大失效載荷可達(dá)5.3 kN， 高出Mg/Al 在空氣介質(zhì)中FSLW 焊接接頭失效載荷（約1.55 kN）， 大大提高了Mg/Al 搭接焊接頭的剪切性能。 分析認(rèn)為， 這歸因于SFSLW 有效地降低了焊接溫度， 減少了IMCs 的生成量， 從而改善了Mg/Al 搭接接頭的質(zhì)量。

對(duì)Mg/Al 異種金屬搭接接頭斷口表面進(jìn)行SEM 分析， 如圖8 所示。 由圖8 可以看出， 斷口表面有大量河流狀解理臺(tái)階及撕裂棱， 分析認(rèn)為是脆性斷裂。 此外， 斷口表面均可見(jiàn)細(xì)小分布的亮白色顆粒及不連續(xù)條帶， 且Mg 側(cè)斷口易見(jiàn)片層狀形貌， 片層中部呈深灰色， 邊部可見(jiàn)撕裂痕跡， 且呈暗灰色， 甚至出現(xiàn)亮白色組織。 經(jīng)EDS 分析結(jié)果可知， 亮白色組織主要由Al12Mg17和Mg2Al3組成。 因此， 通過(guò)上述分析可以判斷， 斷裂發(fā)生于Mg/Al 界面過(guò)渡層IMCs 處。

圖8 Mg/Al 接頭斷口表面形貌

圖7 空氣、水下不同環(huán)境下FSLW 焊接接頭失效載荷

圖9 為Mg 側(cè)斷口SEM 面掃描圖和主要元素分布圖譜。 Mg 側(cè)斷口表面主要由Mg 元素和Al 元素組成； 且由圖9 （b） 可見(jiàn)， Mg 元素呈現(xiàn)條帶狀分布， 這與斷口形貌中深灰色區(qū)域一致， 暗灰色區(qū)域主要為Al 元素， 進(jìn)一步說(shuō)明斷裂發(fā)生在Mg/Al 界面過(guò)渡層。

圖9 Mg 側(cè)斷口SEM 面掃描圖和主要元素分布圖譜

3 結(jié) 論

（1） Mg/Al 異種金屬SFSLW 焊接接頭組織無(wú)缺陷， 且Mg/Al 搭接界面處生成一層由Mg、 Al、Al12Mg17以及少量的Mg2Al3組成的暗灰色過(guò)渡層。

（2） Mg/Al 搭接接頭界面過(guò)渡層厚度約為2.01 μm， 顯著小于空氣中Mg/Al 異種金屬FSLW焊接接頭生成的IMCs 厚度 （3.84 μm）。

（3） SFSLW 提高了Mg/Al 異種金屬焊接接頭的剪切性能， 接頭最大失效載荷可達(dá)5.3 kN。