呂建剛 陳曦 張磊

摘要：采用攪拌摩擦焊對(duì)Mg-3Zn-0.5Y合金板材進(jìn)行焊接，獲得了成型較好、無(wú)缺陷的焊縫，研究了工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)焊速為110 mm/min時(shí)，轉(zhuǎn)速在600～1 300 r/min范圍內(nèi)能夠得到成型良好的焊縫，隨著轉(zhuǎn)速的升高，接頭強(qiáng)度先升高后減小;當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，焊接速度在90～110 mm/min范圍內(nèi)能夠獲得成型良好的焊縫，隨著焊接速度的提高，接頭強(qiáng)度先提高后減小。拉伸斷裂方式主要為韌脆混合斷裂。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度為1 100 r/min、焊速為110 mm/min時(shí)，Mg-3Zn-0.5Y合金焊縫綜合力學(xué)性能較優(yōu)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到222.5 MPa。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;Mg-Zn-Y合金;微觀組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG453+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0022-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.05

0 前言

準(zhǔn)晶是介于晶體和非晶體之間的一種同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和準(zhǔn)周期性平移序的固態(tài)物質(zhì)[1]，其具有導(dǎo)電[2-3]、導(dǎo)熱性好[4-5]，硬度高[6]，耐磨性好[7]等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)之一。羅治平等[8]首次在緩冷Mg-Zn-Y合金中發(fā)現(xiàn)Ⅰ相（穩(wěn)定二十面體準(zhǔn)晶相）;Lee等[9]發(fā)現(xiàn)Mg-Zn-Y合金中當(dāng)w（Zn）/w（Y）為6時(shí)，增強(qiáng)相為力學(xué)性能較好的單一準(zhǔn)晶相。目前對(duì)準(zhǔn)晶增強(qiáng)的制備方法以軋制、擠壓等塑性加工工藝研究較多，如Bae[10]、Su等[13]均獲得了綜合力學(xué)性能良好的Mg-Zn-Y軋制態(tài)合金。Singh等人[11]等研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ相在擠壓態(tài)合計(jì)中能有效釘扎位錯(cuò)，促進(jìn)再結(jié)晶形核，有利于合金力學(xué)性能的提升。Tong等[12]發(fā)現(xiàn)500 ℃熱處理后再進(jìn)行熱擠壓能有效提高M(jìn)g-Y-Zn合金的抗拉強(qiáng)度。但對(duì)于準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y系合金，目前較少研究其焊接工藝。

由于常規(guī)鎂合金易高溫氧化、高溫易吸氫、熱膨脹系數(shù)較大，采用傳統(tǒng)熔化焊工藝易產(chǎn)生夾雜、氣孔、裂紋等缺陷[14]。攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接技術(shù)[15]，焊接溫度低、熱影響區(qū)小，因此可有效減少傳統(tǒng)熔焊缺陷的產(chǎn)生。尤其是對(duì)于鎂、鋁及其他低熔點(diǎn)合金，F(xiàn)SW優(yōu)勢(shì)明顯[16-18]。目前，關(guān)于鎂合金的攪拌摩擦焊研究主要集中于Mg-Al系、Mg-Zn-Zr系合金，如AZ31[19]、AZ91[20]、ZK60[21]等多種商用鎂合金的FSW均取得了較好的結(jié)果。Yaobin Wang等[22]發(fā)現(xiàn)Mg-Zn-Y系合金攪拌摩擦加工能夠細(xì)化鑄態(tài)Mg-6Zn-1Y-0.5Zr的晶粒，并且改善延伸率。Chang-Yong Lee等[23]發(fā)現(xiàn)Mg-3Zn-1Y的攪拌摩擦焊焊核區(qū)接頭硬度大于母材。G. M. Xie等[24]在焊速80～110 mm/min下得到了拉伸性能達(dá)到母材性能90%的Mg-Zn-Y-Zr合金焊接接頭。

文中針對(duì)Mg-3Zn-0.5Y三元合金，研究FSW工藝參數(shù)對(duì)其接頭組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為擠壓態(tài)Mg-3Zn-0.5Y合金板，板厚5 mm，主要化學(xué)成分如表1所示，主要力學(xué)性能為：拉伸強(qiáng)度275.0 MPa，斷后延伸率14.9%，維氏硬度61 HV。焊前經(jīng)打磨、酒精擦拭及干燥處理。

采用二維攪拌摩擦焊機(jī)對(duì)焊Mg-3Zn-0.5Y合金板，攪拌頭采用內(nèi)凹式軸肩形式，軸肩直徑20 mm，錐形攪拌針長(zhǎng)4.78 mm，如圖1所示。焊接過(guò)程中攪拌頭傾角統(tǒng)一為2.5°，攪拌頭轉(zhuǎn)速范圍600～1 300 r/min，焊接行進(jìn)速度90～130 mm/min。焊后進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌，使用X射線衍射儀（Cu靶和Kα靶）分析物相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形特點(diǎn)

轉(zhuǎn)速 100 r/min時(shí)，不同焊接速度下（90 mm/min、110 mm/min、130 mm/min）FSW焊接接頭宏觀形貌照片如圖2所示?？梢钥闯?，焊縫表面均成型良好，無(wú)明顯溝槽、起皮等缺陷，當(dāng)焊速上升到130 mm/min時(shí)，產(chǎn)生少量飛邊。

焊速為110 mm/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的FSW接頭宏觀形貌如圖3所示。在600～1 100 r/min轉(zhuǎn)速下，焊接接頭表面基本平整，光滑，無(wú)明顯飛邊、溝槽和未焊合等缺陷;由圖3d可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 300 r/min時(shí)，焊縫周圍開(kāi)始產(chǎn)生少量的飛邊。

2.2 焊接接頭的組織特征

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min、焊速為110 mm/min時(shí)，Mg-3Zn-0.5Y合金FSW焊接接頭的橫截面宏觀形態(tài)如圖4所示。接頭組織為典型的FSW焊接接頭組織，由軸肩區(qū)（SAZ）、焊核區(qū)（WN）、熱機(jī)發(fā)展影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材區(qū)（BM）組成，接頭內(nèi)部無(wú)缺陷。

在轉(zhuǎn)速為1 100 r/min、焊速110 mm/min時(shí)，Mg-3Zn-0.5Y合金FSW焊接接頭橫截面微觀組織如圖5所示。其中圖5a為母材BM微觀組織，為明顯的擠壓變形組織，主要由α-Mg等軸晶粒及晶間沉淀相組成，沉淀相為Ⅰ相。圖5b為典型受熱長(zhǎng)大的HAZ微觀組織，因只受到攪拌頭摩擦生熱的熱循環(huán)作用，α-Mg晶粒未受攪拌頭機(jī)械攪拌作用發(fā)生塑性變形，因此，平均晶粒尺寸與母材相比略有增長(zhǎng)。圖5c為TMAZ微觀晶粒組織，TMAZ受攪拌頭的機(jī)械攪拌力作用，α-Mg晶粒沿著金屬流動(dòng)方向向上伸長(zhǎng)，同時(shí)受熱循環(huán)作用，α-Mg晶粒受熱發(fā)生再結(jié)晶，兩者共同作用使α-Mg晶粒尺寸減小。圖5d為WN區(qū)細(xì)小等軸晶微觀組織，該區(qū)同時(shí)受劇烈的攪拌頭機(jī)械攪拌作用及摩擦生成較高溫度的熱作用，所以晶粒在發(fā)生劇烈塑性變形的同時(shí)也發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大而被機(jī)械力作用打碎，形成一個(gè)細(xì)小的等軸晶，α-Mg平均晶粒結(jié)構(gòu)尺寸約為3.34 μm。

2.3 不同參數(shù)下FSW接頭顯微組織

不同F(xiàn)SW工藝參數(shù)下Mg-3Zn-0.5Y合金接頭的微觀組織如圖6所示。當(dāng)焊接速度為110 mm/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的焊接接頭均無(wú)明顯顯微缺欠，WN平均晶粒尺寸分別為2.79 μm、3.27 μm、3.34 μm和3.74 μm，WN平均晶粒尺寸與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速1 100 r/min，焊速分別為90 mm/min、110 mm/min和130 mm/min時(shí)的WN平均晶粒結(jié)構(gòu)尺寸分別為3.80 μm、3.34 μm、3.21 μm，WN平均晶粒尺寸與焊速成反比。根據(jù)熱力學(xué)公式[25]：

=k

α（1）

式中 k、α為常數(shù);T為熔核溫度;ω為轉(zhuǎn)速;v為焊接速度?？梢钥闯?，當(dāng)w增加時(shí)，T升高;當(dāng)v減小時(shí)，T升高。又根據(jù)晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)公式

Dr=A0exp

-tn（2）

式中 A0和R為常數(shù);T為溫度;Dr為在一定溫度下保溫時(shí)間t之后的平均晶粒尺寸?？梢钥闯?，隨著T的上升，Dr也在逐漸增大;在一定參數(shù)范圍內(nèi)，WN的Dr與v成反比，與w成正比。理論公式的推演與圖6微觀組織變化規(guī)律相一致。

不同焊接參數(shù)時(shí)Mg-3Zn-0.5Y合金XRD圖譜如圖7所示。由圖7可知，擠壓態(tài)Mg-3Zn-0.5Y合金母材及接頭WN區(qū)均主要由α-Mg、Mg3Zn6Y、Mg3Zn3Y2三種物相組成，即在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，合金的相組成沒(méi)有變化。

2.4 接頭力學(xué)性能

圖8a為在相同焊速110 mm/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的力學(xué)性能變化。隨著轉(zhuǎn)速的提升，焊接接頭的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率）先增大后減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)到最大值，為222.5 MPa和4.55%。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，焊接熱輸入降低，焊縫接頭處金屬塑性流動(dòng)不充分，焊縫成型相對(duì)較差，導(dǎo)致焊接接頭塑性較差。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，熱輸入增加，接頭處金屬塑性流動(dòng)充分，焊接接頭接頭力學(xué)性能增強(qiáng)，但是如果旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)增大，熱輸入不斷增加，WN區(qū)晶粒長(zhǎng)大，力學(xué)性能降低。

圖8b為在相同轉(zhuǎn)速1 100 r/min時(shí)，不同焊速下的力學(xué)性能變化。當(dāng)焊接速度由90 mm/min增大至130 mm/min時(shí)，焊接接頭力學(xué)性能的變化趨勢(shì)均是先增大后減小。焊速越低，焊接接頭的熱輸入越大，焊核區(qū)晶粒尺寸越粗大，降低接頭力學(xué)性能。隨著焊速的增加，在一定范圍內(nèi)焊接接頭的熱輸入逐漸減小，接頭力學(xué)性能隨著焊核區(qū)晶粒尺寸的減小逐漸增強(qiáng)，而當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，又會(huì)造成熱輸入不足導(dǎo)致的焊縫上下層的受熱不均勻等，影響焊接過(guò)程中金屬的塑性流動(dòng)性，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。由圖8還可以看出，不同工藝參數(shù)下焊接接頭的力學(xué)性能都不如母材，主要原因是熱影響區(qū)受熱輸入影響，平均晶粒尺寸隨熱輸入增大而增大，且TMAZ區(qū)存在較高的殘余應(yīng)力，這些都會(huì)造成接頭力學(xué)性能下降。

不同參數(shù)下Mg-3Zn-0.5Y合金FSW接頭的室溫拉伸斷裂形貌如圖9所示。由圖9可知，斷口主要由韌窩、撕裂棱及解理臺(tái)階組成，能夠判斷焊接接頭的主要斷裂模式為韌脆混合斷裂。

3 結(jié)論

（1）采用FSW成功焊接了厚度5 mm的Mg-3Zn

-0.5Y合金擠壓態(tài)板材，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 100 r/min、焊速110 mm/min時(shí)，可得到綜合力學(xué)性能較優(yōu)且表面良好無(wú)缺陷的焊縫，抗拉強(qiáng)度222.5 MPa，延伸率4.55%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材性能的80.9%，但屈服強(qiáng)度和延伸率性能降低較大。

（2）Mg-3Zn-0.5Y合金FSW焊接接頭室溫拉伸的斷裂方式主要為韌脆混合斷裂，且斷口處韌窩底部存在第二相顆粒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 范長(zhǎng)增. 準(zhǔn)晶研究進(jìn)展（2011～2016）[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，?2016，40（2）：95-107.

[2] Xu M，Teng X Y，Geng J W. Effect of cooling rateson sol-?idification and microstructure of rapidly solidified Mg57-?Zn37Y6 quasicrystal alloy[J]. Journal of Materials Research，?2015，30（21）：3324-3330.

[3] Nagle T D，Cardoso Kátia Regina，Witor W，et al. The for-?mation of quasicrystal phase in Al-Cu-Fe system by mec-?hanical alloying[J]. Materials Research，2012，15（5）：749-?752.

[4] 李雪辰，鄧輝，遲志艷，等. 準(zhǔn)晶材科的結(jié)構(gòu)特征和材料?特性的研究[J]. 裝備制造技術(shù)，2009（3）：9-11.

[5] 張利明，董闖. 準(zhǔn)晶材料性能及應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 材料導(dǎo)?報(bào)，2000（1）：22-24.

[6] 孟祥敏，佟百運(yùn)，吳玉混. Al65Cu20Co15準(zhǔn)晶體的力學(xué)?性能[J]. 金屬學(xué)報(bào)，1994（2）：61-64.

[7] 朱先勇，于思榮，劉兆政. 普通凝固Mg-Zn-Y準(zhǔn)晶材料?的摩擦磨損特性[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）：152-156.

[8] Luo Z P，Zhang S Q，Tang Y L，et al. On the Stable Qua-?sicrystals in Slowly Cooled Mg-Zn-Y Alloys[J]. Scripta?Metallurgica Et Materialia，1995（32）：1411-1416.

[9] Lee J Y，Kim D H，Lim H K，et al. Effects of Zn/Y ratio on?microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y al-?loys[J]. Materials Letters，2005，59（29-30）：3801-3805.

[10] Bae D H，Kim S H，Kim D H，et al. Deformation behavior?of Mg-Zn-Y alloys reinforced by icosahedral quasicrysta-?lline particles[J]. Acta Materialia，2002，50（9）：2343-2356.

[11] Singh A，Osawa Y，Somekawa H，et al. Ultra-fine grain size?and isotropic very high strength by direct extrusion of chill-?cast Mg-Zn-Y alloys containing quasicrystal phase[J]. Sc-?ripta Materialia，2011，64（7）：661-664.

[12] Tong L B，Li X H，Zhang H J. Effect of long period stack-?ing ordered phase on the microstructure，texture and mec-?hanical properties of extruded Mg-Y-Zn alloy[J]. Materials?Science & Engineering A，2013（563）：177-183.

[13] Su Z G，Li R G，An J，et al. Effect of Rolling Temperature?on the Microstructures and Mechanical Properties of Mg97-?Zn1-Y2 Magnesium Alloy[J]. Journal of Materials Engine-?ering & Performance，2010，19（1）：70-76.

[14] Zhang H，Lin S B，F(xiàn)eng J C，et al. Defects formation pro-?cedure and mathematic model for defect free frictionstir?welding of magnesium alloy[J]. Materials and Design，2006?（27）：805-809.

[15] 王國(guó)慶，趙衍華. 鋁合金的攪拌摩擦焊接[M]. 北京：中國(guó)?宇航出版社，2010.

[16] London B，Mahoney M W，Bingel B，et al. Experimental?methods for determining material flow in friction stir welds?[J]. Proceedings of the Third International Symposium on?Friction Stir Welding，2001（9）：27-28.

[17] 欒國(guó)紅，關(guān)橋. 高效固相焊接新技術(shù)-攪拌摩擦焊[J]. 電?焊機(jī)，2005，35（9）：258-263.

[18] 楊素媛，劉冬冬. 鎂合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與展望?[J]. 稀有金屬，2014（5）：896-903.

[19] LI W Y，F(xiàn)U T，HUTSCH L，et al. Effects of tool rotational?and welding speed on microstructure and mechanical pro-?perties of bobbin-tool friction-stir welded Mg-AZ31[J]. Ma-?terials & Design，2014（64）：714-720.

[20] Nakata KInoka，Inoki S，Nagano Y，et al. Weld ability off-?riction stir welding of AZ91D magnesium alloy thixomold-?edsheet[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals，2001，?51（10）：528-533.

[21] Xie G M，Ma Z Y，Geng L. Effect of microstructural evol-?ution on mechanical properties of friction stir welded ZK60?alloy[J]. Materials Science and Engineering：A，2008，486?（1-2）：49-55.

[22] Xie G M. Microstructural evolution and mechanical prop-?erties of friction stir welded Mg-Zn-Y-Zr alloy[J]. Materials?Science and Engineering A，2007（471）：63-68.

[23] Wang Y. Microstructural evolution and mechanical proper-?ties of Mg-Zn-Y-Zr alloy during friction stir processing[J].?Journal of Alloys and Compounds，2017（696）：875-883.

[24] Lee C Y，Lee W B，Yeon Y M，et al. The Joint Character-?istics of Friction Stir Welded Mg-Zn-Y Alloy[J]. Materials?Science Forum，2005（475-479）：555-558.

[25] Commin L，Dumont M，Masse J E，et al. Friction stir welding?of AZ31 magnesium alloy rolled sheets：influence of proce-?ssing parameters[J]. Acta Materialia，2009（57）：326-334.