高應(yīng)變率下AZ31鎂合金焊接接頭動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

毛萍莉，席 通，劉 正，董 陽(yáng)，劉遵鑫，邸金南

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

鎂合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度、減震性、導(dǎo)熱性、可切削加工性和可回收性，因而被稱為21世紀(jì)的“綠色”工程材料［1，2］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金需求日益增加，鎂合金結(jié)構(gòu)件、型材、板材的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而鎂合金的連接工藝也隨之越來(lái)越重要。焊接作為金屬材料連接工藝中最普遍的連接方式之一，相對(duì)于鋼鐵材料及鋁合金，鎂合金焊接性能較差，已成為制約其廣泛應(yīng)用的首要問(wèn)題［3，4］。周海等［5］研究了不同電流下AZ31鎂合金鎢極氬弧焊（Argon Tungsten－arc Welding，TIG）焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能；張福全等［6］，彭劍等［7］探討了氬弧焊工藝參數(shù)對(duì) AZ31鎂合金薄板焊接接頭質(zhì)量的影響，并對(duì)3mm厚的AZ61鎂合金薄板采用AZ31，AZ61兩種焊絲進(jìn)行TIG焊，探討焊絲成分對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。Srinivasan等［8］探索了AZ31激光焊接件的力學(xué)性能及應(yīng)力腐蝕斷裂行為；Forcellese等［9］通過(guò)單軸拉伸和半球形穿孔實(shí)驗(yàn)研究了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）AZ31鎂合金的成型性能；Chowdhury等［10］研究了在不同應(yīng)變率下AZ31雙面電弧焊接和攪拌摩擦焊接接頭的微觀組織、拉伸性能以及加工硬化行為。

現(xiàn)階段關(guān)于鎂合金焊接接頭性能的研究，更多地集中在常溫靜態(tài)力學(xué)性能及高溫蠕變性能；近年來(lái)鎂合金的焊接技術(shù)在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其在高應(yīng)變率下的性能顯得尤為重要，因而研究鎂合金焊接接頭在高速?zèng)_擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)于鎂合金在汽車關(guān)鍵部件上的應(yīng)用具有重要意義。

為此，本工作利用Hopkinson壓桿技術(shù)對(duì)AZ31鎂合金TIG焊和FSW焊焊接接頭進(jìn)行了高速壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了在高應(yīng)變率下兩種鎂合金焊接接頭的力學(xué)性能，并分析了其斷裂機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為軋制成型尺寸800mm×800mm×5mm AZ31鎂合金板材，其抗拉強(qiáng)度為240MPa，伸長(zhǎng)率為9.2%，合金化學(xué)成分［11］（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）主要為Al 2.5～3.5，Zn 0.5～1.5，Mn 0.2～0.5，Si 0.1，Cu 0.05，其余為Mg。板材分別采用鎢極氬弧焊和攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接，焊絲成分與母材成分相同。焊接時(shí)采用WSE－500焊機(jī)沿板材軋制方向進(jìn)行平板對(duì)接，如圖1所示。焊接前，使用砂紙將板材正反面打磨光滑。圖2為試樣尺寸及取樣位置示意圖，取樣時(shí)焊縫位于試樣的中部。TIG焊和FSW焊的工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 AZ31鎂合金板材焊接方式 （a）TIG；（b）FSWFig.1 Welding illustration of AZ31 magnesium alloy（a）TIG；（b）FSW

圖2 試樣尺寸（a）及取件位置（b）示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample size（a）and sample position（b）

采用分離式Hopkinson壓桿在高應(yīng)變率下對(duì)兩種焊接接頭進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為900～2500s－1。將實(shí)驗(yàn)后的試樣沿軸線切開(kāi)，經(jīng)過(guò)研磨、拋光和腐蝕后在光學(xué)顯微鏡（ZEISS Axio Observer A1m）下觀察組織變化情況，對(duì)于斷裂的試件利用掃描電鏡（HITACHI S－3400N）進(jìn)行斷口觀察。

表1 TIG和FSW焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters of TIG and FSW

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高應(yīng)變率下不同焊接接頭動(dòng)態(tài)壓縮變形行為

高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)是利用打擊桿打擊，在動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中，由于材料所處的應(yīng)變速率范圍跨度很大，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果中給出的應(yīng)變速率實(shí)際上是平均值［12］。

圖3為AZ31鎂合金TIG和FSW焊接接頭在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力－應(yīng)變曲線。為了對(duì)比不同焊接接頭對(duì)合金動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響，圖4示出了兩種鎂合金焊接接頭在相近應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

圖3 AZ31鎂合金焊接接頭在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力－應(yīng)變曲線 （a）TIG；（b）FSWFig.3 Dynamic true stress－strain curves of AZ31 magnesium alloy welding joints at different strain rates （a）TIG；（b）FSW

圖4 AZ31鎂合金焊接接頭在相近應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamic true stress－strain curves of AZ31 magnesium alloy welding joints at similar strain rate

圖3（a）為AZ31鎂合金TIG焊接接頭應(yīng)變速率分別在 950，1520，2170，2300s－1和 2451s－1時(shí)動(dòng)態(tài)壓縮的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)，曲線表現(xiàn)出連續(xù)屈服的變形特征。隨應(yīng)變速率的增加，真應(yīng)力－應(yīng)變曲線明顯上移，試樣的最大應(yīng)力不斷增大。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到2300s－1時(shí)，試樣發(fā)生斷裂，斷裂強(qiáng)度為349MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?1%。圖3（b）為AZ31鎂合金FSW 焊接接頭應(yīng)變速率分別在940，1838，2253，2343s－1和2763s－1時(shí)動(dòng)態(tài)壓縮的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，曲線呈現(xiàn)連續(xù)光滑變化，表現(xiàn)出連續(xù)屈服的變形特征，未出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折臺(tái)階。隨應(yīng)變速率的增加，試樣的最大應(yīng)力不斷增大。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到2343s－1時(shí)，試樣發(fā)生斷裂，斷裂強(qiáng)度為389MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?2%。

由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，雖然應(yīng)變速率從940s－1增加到2797s－1，幾乎增加了2倍，但是AZ31鎂合金兩種焊接接頭的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化幅度不大，說(shuō)明兩種焊接接頭對(duì)應(yīng)變速率的敏感性較小。本文作者［13］在研究高應(yīng)變速率下擠壓態(tài)AZ31鎂合金壓縮變形組織時(shí)，同樣觀察到這一現(xiàn)象。

圖4為AZ31鎂合金兩種焊接接頭在相近應(yīng)變率下的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，在應(yīng)變率為2300s－1時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線都呈凸形，并且FSW焊接接頭的變形抗力較高，表明在相近應(yīng)變率下FSW焊接接頭的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均優(yōu)于TIG焊接接頭。

圖5為兩種鎂合金焊接接頭的最大應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化，可以看出兩種焊接接頭的最大應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化曲線相似并且在同等應(yīng)變率條件下FSW焊接接頭εmax都略大于TIG焊接接頭，這表明在高應(yīng)變率下FSW焊接接頭的塑形略優(yōu)于TIG焊接接頭。

圖5 AZ31鎂合金焊接接頭的最大應(yīng)變與平均應(yīng)變率的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum strain and average strain rate for AZ31 magnesium alloy welding joints

2.2 掃描分析

圖6為AZ31鎂合金板材焊接接頭在不同應(yīng)變率下的壓縮斷口形貌。AZ31鎂合金兩種焊接接頭在高應(yīng)變率下破壞的宏觀表現(xiàn)都為剪切破壞，但是略有不同：TIG焊接接頭剪切面凹凸不平，F(xiàn)SW焊接接頭剪切面較為平滑。在斷裂前，兩種試樣都發(fā)生了明顯的塑性變形，并且斷裂區(qū)域均位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，兩種焊接接頭的斷裂面上都出現(xiàn)明顯的河流花樣以及較少的二次裂紋，并有清晰的解理面和解理臺(tái)階，可以斷定兩種焊接接頭的斷裂方式均為解理斷裂，都具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂合金的典型斷裂特征。由圖6（a），（b）可以看出，TIG焊接接頭的斷裂面有許多解理臺(tái)階所形成的撕裂棱和“凹坑”，這是發(fā)生剪切破壞時(shí)破壞方向發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的。由圖6（c），（d）可以看出，相對(duì)于 TIG焊接接頭，F(xiàn)SW 焊接接頭解理面和解理臺(tái)階較少。產(chǎn)生這種差異的主要原因如下：FSW所得到的焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)于TIG，F(xiàn)SW焊接接頭內(nèi)晶粒得到細(xì)化，其焊接缺陷少于TIG，并且在高應(yīng)變速率下，整個(gè)試樣的斷裂過(guò)程發(fā)生在幾十微秒的時(shí)間內(nèi)，破壞前沿只能沿最近的裂紋方向發(fā)展，焊接接頭內(nèi)細(xì)小的組織差別，就可造成其剪切面和解理輪廓的不同。

圖6 AZ31鎂合金板材焊接接頭在不同應(yīng)變率下的壓縮斷口形貌 （a）TIG焊接接頭低倍斷口；（b）TIG焊接接頭高倍斷口；（c）FSW焊接接頭低倍斷口；（d）FSW焊接接頭高倍斷口Fig.6 Compression fracture morphology of AZ31 magnesium alloy welding joints at different strain rates（a）low magnification fracture of TIG welding joint；（b）high magnification fracture of TIG welding joint；（c）low magnification fracture of FSW welding joint；（d）high magnification fracture of FSW welding joint

2.3 金相顯微組織分析

圖7為AZ31鎂合金板材原始金相組織形貌，可以發(fā)現(xiàn)合金板材內(nèi)部晶粒大小分布不均，大晶粒尺寸可達(dá)到約20μm，小晶粒尺寸約為5μm，并且在大晶粒內(nèi)部分布著孿晶（見(jiàn)圖7中箭頭所示），這主要是由于板材軋制成型以及軋制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所導(dǎo)致。

圖7 AZ31鎂合金板材原始組織Fig.7 Original metallographic structure of AZ31 magnesium alloy

圖8為兩種焊接接頭的原始組織形貌，可以發(fā)現(xiàn)，原始母材中的孿晶在焊接后已經(jīng)不存在，且TIG焊接接頭焊縫區(qū)組織細(xì)小，屬于鑄造急冷組織，并且由于晶界上的析出相使得腐蝕后焊縫的晶界不明顯。熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）的組織粗大，屬于過(guò)熱組織，主要由于焊接時(shí)熱影響區(qū)吸收熱量較多，使得該區(qū)的晶粒長(zhǎng)大；FSW焊接接頭攪拌區(qū)組織晶粒細(xì)小，這主要是因?yàn)檫@一區(qū)域在攪拌頭的作用下，粗大的晶粒連續(xù)被打碎，再結(jié)晶晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，形成了非常細(xì)小的等軸晶。其熱影響區(qū)的晶粒尺寸遠(yuǎn)大于攪拌區(qū)，但比TIG焊接接頭熱影響區(qū)的晶粒要小。這些粗大晶粒的韌性和塑性都較差，在高速?zèng)_擊下極易發(fā)生斷裂。

圖9為兩種焊接接頭在不同應(yīng)變率沖擊后的金相組織。由高速?zèng)_擊之后的宏觀斷口可以看出，高速?zèng)_擊下合金的斷裂區(qū)域均位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。圖9（a）～（c）為不同應(yīng)變率沖擊后TIG焊接接頭熱影響區(qū)的組織形貌，可以發(fā)現(xiàn)，晶粒中沒(méi)有出現(xiàn)孿晶，并且

圖8 AZ31鎂合金焊接接頭的原始組織形貌 （a）TIG焊接接頭；（b）FSW焊接接頭；（c）TIG焊接接頭熱影響區(qū)；（d）TIG焊接接頭焊縫區(qū)；（e）FSW焊接接頭熱影響區(qū)；（f）FSW焊接接頭攪拌區(qū)Fig.8 Original metallographic structure of AZ31 magnesium alloy welding joints （a）TIG welding joint；（b）FSW welding joint；（c）HAZ of TIG welding joint；（d）weld bead of TIG welding joint；（e）HAZ of FSW welding joint；（f）weld nugget of FSW welding joint

3 結(jié)論

（1）在900～2500s－1應(yīng)變率范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的增加，AZ31鎂合金焊接接頭的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線變化不大，表明AZ31鎂合金兩種焊接接頭對(duì)應(yīng)變速率的敏感性較小。在高應(yīng)變速率下FSW焊接接頭的強(qiáng)度及塑性均優(yōu)于TIG焊接接頭。

（2）掃描分析表明：在高應(yīng)變速率條件下，AZ31兩種焊接接頭的斷裂方式均為解理斷裂，但FSW焊接接頭的斷口更為光滑。

（3）AZ31鎂合金兩種焊接接頭的顯微組織均對(duì)應(yīng)變率不敏感，并且在高應(yīng)變率壓縮下的變形方式相同，主要為滑移。

圖9 AZ31鎂合金焊接接頭在不同應(yīng)變率沖擊后的組織形貌 （a）TIG焊接接頭，1520s－1；（b）TIG焊接接頭，2170s－1；（c）TIG焊接接頭，2300s－1；（d）FSW 焊接接頭，1838s－1；（e）FSW 焊接接頭，2253s－1；（f）FSW 焊接接頭，2797s－1Fig.9 Metallographic structure morphology of AZ31 magnesium alloy welding joints after impact（a）TIG welding joint，1520s－1；（b）TIG welding joint，2170s－1；（c）TIG welding joint，2300s－1；（d）FSW welding joint，1838s－1；（e）FSW welding joint，2253s－1；（f）FSW welding joint，2797s－1

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