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        超聲振動(dòng)作用下鎂-鋼焊縫組織演變及力學(xué)性能研究

        2022-08-26 07:38:02何澤歆王大鵬
        材料科學(xué)與工藝 2022年4期
        關(guān)鍵詞:熔焊釬焊鎂合金

        何澤歆,王大鵬,周 斌

        (1.重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院,重慶401520;2.四川儀表工業(yè)學(xué)校 汽車工程系,重慶400702)

        近年來(lái),環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。通過(guò)提高汽車、飛機(jī)等交通工具的燃油效率,可減少溫室氣體排放,有利于降低碳排放。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),多種輕量化材料的使用被認(rèn)為是滿足這些要求的最有效措施之一。在節(jié)能減排的需求下,異種金屬連接發(fā)展迅速,例如鈦/鋁、鋁/鎂、鋁/鋼、鎂/鋼等[1-3],而在異種接頭中,鎂/鋼接頭具有巨大的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)?,鎂合金是目前世界上最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料,其密度只有鋁合金的2/3,鈦合金的1/3。鎂合金在工業(yè)中的大量使用將有效降低構(gòu)件的質(zhì)量。目前,鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中最常見(jiàn)的金屬材料,其儲(chǔ)量豐富、產(chǎn)量高、且價(jià)格低廉。因此,鎂與鋼的可靠連接對(duì)于制造輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件是非常有潛力的,同時(shí)也能擴(kuò)大鎂合金在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用[4-6]。

        然而鎂合金和鋼的可靠連接難度較大,這主要是因?yàn)閮烧呷埸c(diǎn)相差巨大,且鎂、鐵元素幾乎不互溶[7-8]。文獻(xiàn)表明,用于鎂/鋼異種金屬連接的多種焊接工藝已被研究,如瞬間液相焊、攪拌摩擦焊、冷金屬過(guò)渡焊以及熔釬焊等[9-10]。其中,熔釬焊工藝通過(guò)控制異種金屬熔化范圍,可以提高鎂/鋼接頭焊接質(zhì)量[11-12]。此外,熔釬焊工藝還具有環(huán)境適應(yīng)性好,設(shè)備成本低,適用范圍廣等特點(diǎn)。如Li等[13]采用激光熔釬焊方法對(duì)鎂合金和鍍鋅鋼進(jìn)行焊接,并對(duì)接頭界面反應(yīng)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn):在鎂/鋼熔釬焊過(guò)程中,鋅鍍層可以提高液態(tài)鎂在鋼板表面的鋪展能力,顯著改善接頭潤(rùn)濕性;微觀表征表明,鎂/鋼界面區(qū)域有鎂-鋅金屬間化合物生成,這是實(shí)現(xiàn)鎂/鋼異種金屬連接的關(guān)鍵,其最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到180 MPa。

        近年來(lái),超聲輔助焊接技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)表明,在其他焊接工藝中,已有超聲波振動(dòng)輔助焊接的相關(guān)報(bào)道。如Watanabe等[14]研究了超聲波振動(dòng)對(duì)不銹鋼焊縫微觀組織和力學(xué)性能的影響,研究發(fā)現(xiàn):超聲振動(dòng)促使焊縫金屬中心區(qū)域形成等軸晶,焊接速度越高,超聲振動(dòng)形成的等軸晶就越多;與未施加振動(dòng)的接頭相比,施加超聲振動(dòng)的焊縫抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率顯著提高。

        本文采用熔釬焊工藝對(duì)鎂合金和鍍鋅鋼進(jìn)行焊接,在焊接過(guò)程中對(duì)熔池區(qū)域施加超聲波振動(dòng)。通過(guò)宏觀形貌觀察、顯微組織分析、顯微硬度測(cè)試以及拉伸試驗(yàn),研究超聲波振動(dòng)對(duì)鎂合金/鍍鋅鋼接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響,并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        在本文中,待焊母材為AZ31B鎂合金和HC300鍍鋅鋼板,在焊接前均加工成60 mm×80 mm×1.5 mm的長(zhǎng)方形。填充材料為AZ31鎂合金焊絲,直徑為1.5 mm。待焊母材和焊絲的主要化學(xué)成分如表1所示。焊接實(shí)驗(yàn)前,用無(wú)水乙醇清洗待焊板材以及焊絲表面的油污,隨后用400#和1000#的砂紙進(jìn)行打磨,去除母材表面的氧化皮。將準(zhǔn)備好的母材按圖1所示進(jìn)行裝配,即采用搭接方式(搭接長(zhǎng)度15 mm)將鎂合金板固定在鋼板上表面,焊炬對(duì)準(zhǔn)鎂合金板的邊緣。保護(hù)氣體采用氬氣,流速取10 L/min。焊接時(shí),接通超聲波發(fā)生器(HL-05)和鎢極氬弧焊機(jī)(YD-300WS)的電源,在鎂/鋼焊接過(guò)程中對(duì)熔池區(qū)域引入高頻超聲波振動(dòng)。焊接完成后同時(shí)關(guān)閉焊機(jī)和超聲波發(fā)生器的電源。本文采用的焊接參數(shù)如表2所示。

        表1 待焊母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

        圖1 超聲波振動(dòng)輔助熔釬焊接裝配圖

        表2 超聲波振動(dòng)輔助熔釬焊接參數(shù)

        鎂/鋼熔釬焊實(shí)驗(yàn)完成后,采用線切割設(shè)備沿垂直焊縫方向?qū)讣虚g部分進(jìn)行切割,并清洗、磨光,隨后進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試。將進(jìn)行微觀組織觀察的樣品用1000#和2000#的砂紙進(jìn)行打磨后,浸入苦味酸溶液中腐蝕15 s,隨后沖洗干凈以備觀察。圖2為拉伸樣示意圖。

        圖2 力學(xué)性能測(cè)試樣品示意圖(單位:mm)

        本文通過(guò)拉伸機(jī)(WDW-30E)對(duì)鎂/鋼接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,每個(gè)焊接參數(shù)測(cè)試5個(gè)樣品,最后取平均載荷值作為測(cè)試結(jié)果。采用維氏硬度計(jì)(HV-1000S)對(duì)鎂/鋼焊縫的水平方向和垂直方向分別進(jìn)行硬度檢測(cè),載荷為200 g,保壓時(shí)間為12 s。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 焊件宏觀形貌

        鎂/鋼典型焊縫形貌如圖3所示。對(duì)于鎂/鋼焊件,焊縫被分為兩大區(qū)域。上層區(qū)域定義為熔焊區(qū),這部分主要是由焊絲、鍍鋅層和鎂合金在電弧加熱下熔化、冷卻、凝固形成。下層區(qū)域定義為釬焊區(qū),這部分是由鋼板和液態(tài)熔池發(fā)生冶金反應(yīng)形成的。熔焊區(qū)和釬焊區(qū)的微觀特征和形成機(jī)理是本文研究的重點(diǎn)。

        超聲振動(dòng)工藝對(duì)鎂/鋼焊縫的形貌有明顯影響。圖3(a)是未經(jīng)超聲振動(dòng)輔助的焊縫,可以觀察到焊縫的熔焊區(qū)分布有氣孔。這些氣孔的產(chǎn)生主要是由于鎂合金熔化后析出的氫氣泡未來(lái)得及充分上浮、逸出,最終留在了焊縫內(nèi)。在焊接過(guò)程引入超聲振動(dòng)工藝后,高頻率的振動(dòng)有利于氫氣泡上浮、脫離熔池,最終基本消除焊縫區(qū)的氣孔缺陷,如圖3(b)所示。此外,對(duì)比圖3(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn),超聲振動(dòng)還可以略微增大焊縫寬度,改善焊縫成型。

        圖3 典型鎂合金/鋼焊縫宏觀形貌:(a)無(wú)超聲振動(dòng);(b)超聲振動(dòng)輔助焊接(超聲波功率1 000 W)

        2.2 熔焊區(qū)微觀組織

        超聲振動(dòng)對(duì)焊縫微觀組織的影響主要分為兩部分,一方面是對(duì)熔焊區(qū)的影響,另一方面是對(duì)釬焊區(qū)的影響。圖4是采用不同焊接參數(shù)時(shí),鎂-鋼接頭熔焊區(qū)的微觀組織形貌。

        圖4 鎂合金/鋼接頭微觀組織特征

        由圖4(a)鎂合金母材的金相形貌可以發(fā)現(xiàn),母材基本由等軸晶組成,晶粒細(xì)小,平均晶粒尺寸約為14.3 μm。在焊接過(guò)程中,鎂合金母材和焊絲熔化并形成熔焊區(qū)。在熔焊區(qū)形成過(guò)程中,晶粒變的粗大,形狀不均勻,平均晶粒尺寸約為51 μm,見(jiàn)圖4(b)。同母材相比,此時(shí)熔焊區(qū)的組織變得異常粗大,不利于提高鎂-鋼接頭的力學(xué)性能。圖4(c)是在焊接過(guò)程中引入1 000 W功率超聲振動(dòng)后,接頭熔焊區(qū)的微觀形貌。由圖4(c)可以明顯發(fā)現(xiàn),超聲振動(dòng)工藝顯著改善了熔焊區(qū)的微觀組織特征,晶粒近似等軸晶,平均晶粒尺寸下降到23.2 μm。圖4(d)是不同功率的超聲振動(dòng)對(duì)熔焊區(qū)晶粒尺寸的影響結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率的增大,晶粒尺寸持續(xù)降低,微觀組織的細(xì)化在一定程度上有利于鎂-鋼接頭力學(xué)性能的改善。此外,當(dāng)超聲功率超過(guò)1 000 W后,晶粒尺寸的下降趨勢(shì)有所減小。

        2.3 釬焊區(qū)微觀組織

        超聲振動(dòng)對(duì)焊縫釬焊區(qū)微觀形貌的影響如圖5所示。由圖5(a)可以看到,對(duì)于未引入超聲振動(dòng)輔助的焊縫,焊炬熱輸入使鎂合金母材和焊絲充分熔化,最終使得釬焊區(qū)有連續(xù)的反應(yīng)層出現(xiàn)。對(duì)圖中反應(yīng)層區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)能譜測(cè)試(1#),結(jié)果表明,反應(yīng)層含有大量的Zn元素和Mg元素(圖5(c)),說(shuō)明釬焊區(qū)反應(yīng)層是由MgZn金屬間化合物組成,這是實(shí)現(xiàn)鎂合金/鍍鋅鋼可靠連接的關(guān)鍵。圖5(b)表明,當(dāng)超聲波功率設(shè)置為1 000 W時(shí),焊縫釬焊區(qū)有均勻連續(xù)的反應(yīng)層生成。相比未施加超聲波振動(dòng)的焊縫(圖5(a)),超聲波振動(dòng)改變了反應(yīng)層的形態(tài),使反應(yīng)層厚度更均勻。對(duì)反應(yīng)層進(jìn)行點(diǎn)能譜分析(2#),發(fā)現(xiàn)反應(yīng)層主要含有70.4wt.%Zn元素和29.6wt.%Mg元素,與未施加超聲波振動(dòng)的反應(yīng)層相似。這說(shuō)明超聲波振動(dòng)的引入,可以有效改善反應(yīng)層的形態(tài),但不改變反應(yīng)層的組成。

        圖5 鎂合金/鋼接頭釬焊區(qū)微觀組織特征

        2.4 硬度測(cè)試結(jié)果

        本文分別對(duì)接頭水平方向和垂直方向進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖6。圖6(a)表明,當(dāng)沿接頭的水平方向進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí),接頭不同區(qū)域的硬度值差別較大。對(duì)于未施加超聲波振動(dòng)的接頭,鎂合金母材的硬度值最高,熔焊區(qū)的硬度值最低,熱影響區(qū)的硬度值位于兩者之間。當(dāng)對(duì)接頭施加超聲振動(dòng)后,鎂合金母材、熱影響區(qū)、熔焊區(qū)的硬度分布規(guī)律同未施加超聲振動(dòng)的接頭相似。但值得注意的是,施加超聲振動(dòng)的接頭熔焊區(qū)硬度值要高于未施加振動(dòng)的接頭,且硬度值的波動(dòng)更小。超聲波振動(dòng)的引入,有效改善了熔焊區(qū)的微觀組織,使得晶粒尺寸減小、形狀更加均勻,因此硬度值有所增加。圖6(b)表明,沿垂直方向進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí),由于釬焊區(qū)有MgZn反應(yīng)層生成,其硬度值最高,且略高于母材[14]。但由于超聲波振動(dòng)未改變焊縫反應(yīng)層的組成,因此,超聲波振動(dòng)沒(méi)有對(duì)釬焊區(qū)的硬度值產(chǎn)生影響。同圖6(a)相比,接頭垂直方向的硬度測(cè)試結(jié)果,也說(shuō)明超聲波振動(dòng)有效提高了熔焊區(qū)的硬度值。

        圖6 鎂合金/鋼接頭顯微硬度分布

        2.5 力學(xué)性能

        采用不同焊接工藝及參數(shù)時(shí),鎂合金/鍍鋅鋼接頭的力學(xué)性能如圖7所示。圖7表明,采用傳統(tǒng)熔釬焊工藝獲得的接頭,其最大拉伸載荷是3 270 N,而施加超聲波振動(dòng)的接頭,其力學(xué)性能得到明顯改善。當(dāng)超聲波功率為200 W時(shí),焊件拉伸載荷增加到3 360 N。當(dāng)超聲波功率為1 000 W時(shí),接頭最高拉伸載荷達(dá)到3 735 N,相比未施加超聲波振動(dòng)的接頭(3 270 N),提高了14.2%。這說(shuō)明超聲波振動(dòng)引起的焊縫區(qū)顯微組織細(xì)化以及氣孔消除,有利于改善焊件的力學(xué)性能。此外,圖7還展示了鎂合金/鍍鋅鋼接頭的典型斷裂特征(超聲波功率1 000 W),此時(shí)斷裂發(fā)生在焊件的熔焊區(qū)。

        圖7 鎂合金/鋼接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及典型斷裂位置

        2.6 超聲振動(dòng)機(jī)理分析

        圖8是超聲振動(dòng)外場(chǎng)對(duì)焊接過(guò)程的影響機(jī)理示意圖。

        圖8 超聲振動(dòng)機(jī)理示意圖

        如圖8(a)所示,熔池金屬受到持續(xù)的循環(huán)交變聲場(chǎng)作用。當(dāng)超聲波的負(fù)半周期作用于熔池液體時(shí),熔池液體受到拉伸作用,導(dǎo)致大量空化氣泡生成,并伴隨有部分枝晶出現(xiàn),見(jiàn)圖8(b)??栈瘹馀菪纬珊髸?huì)迅速長(zhǎng)大,在長(zhǎng)大的過(guò)程中空化氣泡大量吸收周圍的熱量,形成局部過(guò)冷,促使液體形核,如圖8(c)所示。文獻(xiàn)表明[15],通過(guò)增加超聲波功率,可以提高空化氣泡數(shù)量,從而提高形核率,實(shí)現(xiàn)焊縫組織晶粒細(xì)化。另一方面,當(dāng)空化氣泡長(zhǎng)大到極限后會(huì)發(fā)生破裂,并產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力。沖擊力的大小與超聲波功率相關(guān),隨著超聲波功率的增大,沖擊力也持續(xù)增大。當(dāng)超聲波功率達(dá)到一定閾值,此時(shí)沖擊力將擊碎初始形成的枝晶,見(jiàn)圖8(d)。破碎的枝晶分布在熔池中,可以作為新的形核點(diǎn),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。在整個(gè)焊接過(guò)程中,熔池液態(tài)金屬中持續(xù)發(fā)生空化氣泡生成-長(zhǎng)大-破碎現(xiàn)象,最終有效改善接頭焊縫的顯微組織,并提高焊接強(qiáng)度。

        3 結(jié) 論

        1)超聲波振動(dòng)輔助焊接工藝可以有效改善鎂/鋼接頭的焊縫成形,消除接頭熔焊區(qū)域的氣孔等缺陷。

        2)對(duì)于未應(yīng)用超聲振動(dòng)輔助焊接工藝的接頭,接頭熔焊區(qū)晶粒變的粗大,形狀不均勻,平均晶粒尺寸約為51 μm;當(dāng)在焊接過(guò)程中引入1 000 W功率的超聲振動(dòng)后,接頭熔焊區(qū)的晶粒近似是等軸晶,平均晶粒尺寸下降到23.2 μm。此外,超聲波振動(dòng)的引入,可以有效改善釬焊區(qū)反應(yīng)層的形態(tài),使其厚度更加均勻。

        3)超聲波振動(dòng)輔助工藝可以提高接頭熔焊區(qū)的顯微硬度。此外,當(dāng)超聲波功率為1 000 W時(shí),接頭力學(xué)性能達(dá)到3 735 N,相比未施加超聲波振動(dòng)的接頭(3 270 N),提高了14.2%。

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