摘 要：對(duì)軋制態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)。結(jié)果表明：n/v在10~25范圍內(nèi)，焊縫表面成形良好，n/v過大或過小焊縫中均會(huì)產(chǎn)生缺陷。焊核區(qū)為細(xì)小、均勻的等軸晶；熱力影響區(qū)晶粒局部較細(xì)小，有明顯的變形；熱影響區(qū)晶粒粗大；母材晶粒大小不均勻。焊核區(qū)與前進(jìn)邊熱力影響區(qū)的交匯處，晶粒發(fā)生了扭曲，為接頭的薄弱環(huán)節(jié)。接頭抗拉強(qiáng)度最大值為207.2MPa，達(dá)母材強(qiáng)度的86.2%。隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小。

前言

鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、減震性強(qiáng)、易回收等優(yōu)點(diǎn)，已在汽車、電子通信、國防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。采用鎂合金結(jié)構(gòu)件可以大大減輕結(jié)構(gòu)重量，降低生產(chǎn)成本。但鎂合金的廣泛使用必將面臨連接問題，而焊接無疑是其中的一種。采用傳統(tǒng)的焊接方法, 存在諸多問題，如焊縫及近縫區(qū)金屬易發(fā)生過熱和晶粒長大、易引起較大的熱應(yīng)力和焊件變形、易產(chǎn)生裂紋、晶粒間組織存在過燒的傾向、焊接時(shí)還容易生成氫氣孔等，但已有相應(yīng)的解決措施[2]。

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型的固相連接技術(shù)，鋁合金的連接應(yīng)用相對(duì)較成熟，應(yīng)用于其它金屬的連接也有研究報(bào)道，如鎂合金、鈦合金、銅合金等，并且在異種金屬的連接也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]。目前攪拌摩擦焊已經(jīng)成功焊接的鎂合金包括AZ系（Mg-A1-Zn）、AM系（Mg-A1-Mn）等[4]。張華等[5]對(duì)2.5mm厚熱軋態(tài)AZ31鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明, 焊接參數(shù)的選擇是相互制約的，每一個(gè)參數(shù)在自己的最佳范圍內(nèi)還需考慮與其他焊接參數(shù)的匹配，壓入量適中時(shí)，最佳旋轉(zhuǎn)速度為600~1180r/min，焊接速度為75~150mm/min，可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。邢麗等[6]對(duì)3mm厚的MB8鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊核區(qū)晶粒細(xì)小均勻，而熱影響區(qū)的晶粒粗大，其晶粒尺寸甚至大于母材的晶粒尺寸。熊峰等[7]對(duì)板厚為6mm 的AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的斷裂機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明熱影響區(qū)晶粒粗大且分布不均，顯微硬度最低, 是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，接頭最高拉伸強(qiáng)度可達(dá)到母材的92.7％，斷裂多發(fā)生在熱影響區(qū)。本文對(duì)常用軋制狀態(tài)的AZ31鎂合金沿軋制流線方向進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)，對(duì)接頭的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料選用軋制狀態(tài)的AZ31變形鎂合金，試樣規(guī)格尺寸為：200mm ×70mm×2.8mm，化學(xué)成分和部分力學(xué)性能見表1和表2。

用自制的焊接夾具在X-53K型立式銑床改裝成的攪拌摩擦焊設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用右旋螺紋圓柱型攪拌針，攪拌頭軸肩直徑為13mm，攪拌針直徑為4mm，長度為2.4mm。試板在焊接前，對(duì)待焊位置進(jìn)行嚴(yán)格的去油污清理。在其他條件不變的情況下，通過調(diào)整攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，獲得表面成形良好的焊縫。垂直于焊縫橫截面截取金相試樣，用3%的硝酸溶液進(jìn)行腐蝕, 并進(jìn)行組織觀察。按GB/T2651-2008 《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，制作拉伸試樣，拉伸試樣的尺寸（單位：mm）如圖1所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

圖2（a）、（b）分別是鎂合金焊縫表面形貌和背部形貌，由圖可知焊縫表面成形良好，未見溝槽、飛邊等缺陷。焊接線能量的大小會(huì)影響焊縫的表面成形和內(nèi)部塑性金屬的流動(dòng), 實(shí)驗(yàn)采用焊接參數(shù)如表3所示。

攪拌摩擦焊焊縫的總熱輸入量和塑性金屬的流動(dòng)狀況是決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[8]表明，在攪拌頭不變的情況下，焊縫中的總熱輸入量, 與攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的比值（n/v）成正比。n不變，v過小，焊縫中的產(chǎn)熱量過大，攪拌針周邊焊縫金屬流動(dòng)性增強(qiáng)，大量塑性金屬朝焊縫上部遷移，向下遷移的金屬不足以填充攪拌針后方的空腔，就出現(xiàn)了隧道型孔洞缺陷，如圖3（a）。n不變，v過大，焊縫中的產(chǎn)熱量減小，產(chǎn)生的熱量不能導(dǎo)致足夠的塑性金屬，材料不能被充分?jǐn)嚢瑁嚇拥谋巢砍霈F(xiàn)了未焊透現(xiàn)象，如圖3（b）所示。v不變時(shí)，n越大，單位時(shí)間內(nèi)攪拌頭旋轉(zhuǎn)的次數(shù)增加，有利于塑性金屬在攪拌針軸向間的遷移，可以改善焊縫金屬的流動(dòng)狀況。

2.2 接頭微觀組織形貌

圖4（a）為母材原始組織，晶粒大小不均勻，個(gè)別晶粒非常粗大，大晶粒之間由較小的晶粒填充，這與母材的供貨狀態(tài)有關(guān)。圖4（b）在為熱影響區(qū)組織。由于鎂合金導(dǎo)熱性能很好，晶粒長大明顯，晶粒平均尺寸較母材更加粗大。熱影響區(qū)受來自焊縫摩擦熱連續(xù)循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生再結(jié)晶（再結(jié)晶溫度：0.4Tm=260.4℃）。再結(jié)晶沿原始晶粒晶界形成，使晶粒得到回復(fù)和長大。圖4（c）為熱力影響區(qū)組織。其中初始較粗大的晶粒被拉長，形成一定的流線性，而初始較小的晶粒經(jīng)回復(fù)長大明顯，晶粒尺寸較焊核區(qū)大許多，使整體晶粒尺寸不均勻。靠近焊核部位的熱力影響區(qū)再結(jié)晶程度大，晶粒尺寸不均勻性較小, 而遠(yuǎn)離焊核部位的熱力影響區(qū)再結(jié)晶程度小晶粒尺寸不均勻性較大。圖4 （d）為焊核區(qū)組織。焊核區(qū)晶粒尺寸遠(yuǎn)小于其他區(qū)域的組織，而且分布均勻。該區(qū)域的金屬在攪拌針的摩擦、擠壓作用下，焊核區(qū)的溫度最高、應(yīng)變速率最大，母材原始晶粒經(jīng)歷劇烈的塑性變形和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，粗大的母材晶粒不斷地被打碎，再結(jié)晶晶粒來不及長大，轉(zhuǎn)化為細(xì)小再結(jié)晶等軸晶晶粒。

焊核與熱力影響區(qū)的過渡區(qū)域存在晶粒尺寸突變，雜質(zhì)、氧化物在攪拌針的帶動(dòng)下在該區(qū)域上聚積，從而使該界面顯得非常明顯，如圖4（e）。該界面是一個(gè)連續(xù)的區(qū)域，但該區(qū)域的晶粒發(fā)生了扭曲，形成臺(tái)階，如圖4（f），這往往也是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 接頭力學(xué)性能

接頭的拉伸強(qiáng)度值、延伸率，較母材均有不同程度的減小。旋轉(zhuǎn)速度1180r/min，焊接速度為60mm/min時(shí)，接頭的最大抗拉強(qiáng)度數(shù)值為203.08MPa, 為母材的84.47%；焊縫最大延伸率為8.3%；試樣斷裂位置均出現(xiàn)在前進(jìn)邊熱力影響區(qū)附近，斷口從前進(jìn)邊的軸間外緣一直延伸到接近焊縫中心區(qū)域, 斷口呈45°斷裂，如圖5；隨著焊接速度的增大，抗拉強(qiáng)度數(shù)值是先增加后減小，如圖6。

文獻(xiàn)[9]研究了AZ31鎂合金的斷裂機(jī)制，分析認(rèn)為前進(jìn)邊熱力影響區(qū)與焊核區(qū)交匯處，晶粒發(fā)生了扭曲，造成應(yīng)力集中，并且雜質(zhì)在此處富集，往往作為微裂紋的起源地，在拉力的作用下，試樣發(fā)生斷裂。由n/v比可知, n一定，v較小時(shí)，焊縫中的產(chǎn)熱量大, 易于達(dá)到鎂的再結(jié)晶溫度，另外攪拌針在焊縫中的劇烈攪拌作用，使焊縫金屬發(fā)生較大的應(yīng)變，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于Mg-A1系列鎂合金中，強(qiáng)化相大多為β-Al12Mg17，β-Al12Mg17的熔點(diǎn)較低，只有460℃，當(dāng)焊縫中的溫度超過120~130℃時(shí)，晶界上的β-Al12Mg17 相開始軟化，甚至消失。焊縫中較高的溫度，使鎂合金中的強(qiáng)化相（β-Al12Mg17）溶解，對(duì)位錯(cuò)的移動(dòng)起不到阻礙作用，這樣接頭的抗拉強(qiáng)度得不到提升反而降低；隨著焊接速度的增加，焊縫中的溫度開始下降，強(qiáng)化相的溶解現(xiàn)象減弱，但是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶依然存在，動(dòng)態(tài)結(jié)晶效應(yīng)與強(qiáng)化相的匹配得到增強(qiáng)，并逐漸達(dá)到最佳效果，接頭的抗拉強(qiáng)度得到提高；隨著焊接速度的進(jìn)一步增加，焊縫中的產(chǎn)熱量進(jìn)一步降低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度減弱，晶粒尺寸相比初期變大，由霍爾-佩奇公式可知，接頭的抗拉強(qiáng)度將降低。雖然鎂是密排六方晶體，塑性并行主要是依靠滑移和孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作，并最終受制與孿生，同時(shí)孿生會(huì)促進(jìn)滑移的產(chǎn)生，使其塑性增加，塑性變形能力得到提高。

3 結(jié)束語

3.1 n/v在10~25范圍內(nèi)，焊縫表面成形良好；n/v大于25時(shí)，焊接接頭內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)隧道型孔洞；n/v小于10時(shí)，焊接接頭內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷。

3.2 焊核區(qū)組織為細(xì)小、均勻的等軸晶；熱力影響區(qū)晶粒局部較細(xì)小，有明顯變形；熱影響區(qū)晶粒粗大；母材晶粒大小不均勻。

3.3 參數(shù)為n=1180r/min，v=60mm/min 時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為207.2MPa, 達(dá)母材強(qiáng)度的86.2%，接頭延伸率為8.3 %。隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小。前進(jìn)邊焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的交匯處，晶粒發(fā)生了扭曲，為接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

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