AZ91D鎂合金接觸反應(yīng)釬焊試驗(yàn)

陳夢成，楊廣建，徐道榮

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

AZ91D鎂合金接觸反應(yīng)釬焊試驗(yàn)

陳夢成，楊廣建，徐道榮

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

將AZ91D鎂合金作為研究對(duì)象，采用Al-Si-Mg釬料和Zn箔對(duì)兩種鎂合金進(jìn)行真空釬焊，采用金相顯微鏡、顯微硬度機(jī)及能譜儀等表征方法對(duì)焊接接頭的微觀組織、力學(xué)性能以及擴(kuò)散情況進(jìn)行了分析，探討不同工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響，導(dǎo)求AZ91D鎂合金釬焊的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用Al-Si-Mg釬料作為中間層進(jìn)行釬焊時(shí)，能得到良好冶金結(jié)合的焊縫，但宏觀焊縫表面會(huì)出現(xiàn)溶蝕溝槽；使用Zn箔作為中間層進(jìn)行釬焊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的孔洞缺陷，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的擴(kuò)散效果不明顯，且焊縫表面出現(xiàn)釬縫堆高和未焊合，Zn箔不適宜作為鎂合金釬焊的釬料。

AZ91D；中間層；真空釬焊；焊縫

0 前言

作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色工程材料，鎂合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、力學(xué)性能好、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的理想結(jié)構(gòu)材料，在交通及航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

目前應(yīng)用的鎂合金部件主要是利用其良好的鑄塑性生產(chǎn)的壓鑄件。如采用合理的焊接工藝，可以加工結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、尺寸更大的鎂合金部件，進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍。由于鎂合金的熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱率高，線膨脹系數(shù)大，與氧、氮的親和力大，焊接時(shí)容易形成氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，焊縫質(zhì)量較低，使焊接接頭質(zhì)量下降。因此，要想實(shí)現(xiàn)可靠的連接，焊接方法的選擇尤為重要[2]。釬焊作為材料連接方法中的一種，是當(dāng)今高技術(shù)中一項(xiàng)精密的連接技術(shù)，在許多行業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。與熔焊方法不同，其采用了比母材熔化溫度低的釬料，釬焊時(shí)釬料熔化為液態(tài)而母材保持為固態(tài)，依靠液態(tài)釬料與固態(tài)母材間的相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，獲得牢固的接頭。因此，有不少用其他焊接方法難以甚至無法進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)，采用釬焊卻可以解決[3]。本研究對(duì)AZ91D鎂合金進(jìn)行爐中釬焊試驗(yàn)，分析不同中間層、溫度、保溫時(shí)間對(duì)焊縫成形、接頭組織及力學(xué)性能的影響，為以后鎂合金釬焊的研究提供有效的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用的母材為常用的AZ91鑄造鎂合金，AZ91D是最典型的Mg-Al-Zn合金，其壓鑄組織是由α相和在晶界析出的β相（MgxZnyAlz）組成。Mg-Al-Zn合金組織成分常常出現(xiàn)晶內(nèi)偏析現(xiàn)象，先結(jié)晶部分含Al量較多，后結(jié)晶部分含Mg量較多。晶界含Al量較高，晶內(nèi)含Al較低；表層Al含量較高，里層Al含量較低。AZ91D鎂合金的化學(xué)成分見表1，物理性能見表2[4]。使用線切割機(jī)將母材切割成20 mm× 10 mm×4 mm的試樣，再使用銼刀去除邊角毛刺。

表1 AZ91D鎂合金的化學(xué)成分％

表2 AZ91D鎂合金的物理性能

中間層選擇的基本原則是中間層材料與母材之間必須能發(fā)生低熔點(diǎn)共晶反應(yīng)?？紤]到中間層太厚生成的液相量太多，對(duì)母材的溶蝕嚴(yán)重，中間層太薄形成的液相量太少，不易得到致密的接頭。綜合實(shí)際情況，本試驗(yàn)選擇了厚度分別為100 μm和50 μm的Zn箔與BAl88SiMg釬料作為中間層材料。其中鋁硅鎂釬料材料的化學(xué)成分見表3。

表3 BAl88SiMg的化學(xué)成分及固液相線溫度

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前先用400號(hào)及800號(hào)砂紙打磨試樣，直至焊接接觸面光滑平整。采用1000號(hào)砂紙輕微打磨Zn箔與Al-Si-Mg釬料表面，除去其表面氧化膜層。最后使用丙酮超聲波清洗試樣20 min，除去表面油污。將中間層箔片放置于兩塊鎂合金試樣之間組成搭接接頭，然后使用自制夾具加緊接頭并確保接觸面緊密貼合（試樣裝夾方法如圖1所示），放入真空鉬絲爐中（真空度約為5.0×10-3Pa）進(jìn)行擴(kuò)散釬焊。加熱保溫后隨爐冷卻至室溫后取出，共進(jìn)行了6組試樣焊接，試驗(yàn)條件及工藝參數(shù)見表4。

圖1 試樣裝夾示意

表4 實(shí)驗(yàn)條件及工藝參數(shù)

沿焊縫橫截面切開試樣，取樣后研磨、拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的檸檬酸溶液浸蝕20 s后制成金相試樣，使用金相顯微鏡觀察焊縫顯微組織并采集照片；采用附有能譜分析（EDS）的掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行釬焊接頭的顯微組織及元素行為分析。利用MH-3L顯微硬度計(jì)測量顯微硬度，加載50 g，加載時(shí)間15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 釬焊接頭的宏觀分析

釬焊試樣外觀照片如圖2所示，圖中1#、2#、3#試樣使用的中間層材料為BAl88SiMg，峰值溫度逐漸升高，分別為440℃、450℃、和460℃。保溫時(shí)間均為40 min。由圖2可知，焊縫邊界處母材被溶蝕，且隨著釬焊峰值溫度的升高溶蝕越嚴(yán)重。這是由于母材與中間層發(fā)生共晶反應(yīng)，母材AZ91向中間層溶解而使共晶反應(yīng)層熔點(diǎn)進(jìn)一步下降，這勢必導(dǎo)致母材發(fā)生過量溶解。又因?yàn)殁F焊的溫度較高，試樣在釬焊峰值溫度下的保溫時(shí)間較長，而中間層材料BAl88SiMg的合金元素較多，合金化作用很強(qiáng)，在靠近中間層材料的小范圍內(nèi)造成母材的固液相線溫度降低，這些原因也造成了母材向中間層的過度溶解，而BAl88SiMg的固液相線溫度較高，母材溶解后又得不到液態(tài)中間層材料的補(bǔ)充，所以出現(xiàn)了母材被溶蝕的現(xiàn)象。溶蝕是釬焊時(shí)的一種特殊缺陷，會(huì)降低釬焊接頭的性能。

圖2 釬焊試樣外觀照片

4#、5#、6#三個(gè)試樣采用Zn作為中間層，釬焊峰值溫度均為360℃，保溫時(shí)間逐漸縮短，分別為50 min、40 min和30 min。由圖2可知，三組試樣均出現(xiàn)了不同程度地釬縫堆高和未焊著缺陷，且保溫時(shí)間越長焊縫出現(xiàn)堆高的傾向越大。釬縫堆高是由于Zn箔的厚度偏大，加上夾緊力過大，釬焊時(shí)的保溫時(shí)間過長，處在兩相區(qū)的中間層在夾緊力的作用下流出并在釬縫處堆積形成，同時(shí)Zn在釬縫處發(fā)生了偏析和偏聚，這也加劇了釬縫的堆高。未焊牢主要是由于Zn的潤濕性較差以及Zn的固液收縮率較大，保溫時(shí)釬料流出，降溫時(shí)原本液相充滿的地方冷卻后發(fā)生了收縮，出現(xiàn)了未焊合缺陷。

2.2 接頭顯微組織分析

圖3為BAl88SiMg作為中間層材料時(shí)釬焊溫度對(duì)接頭形貌的影響，三個(gè)不同溫度下的焊合情況均良好。由圖3可知，能清晰地分辨焊縫、母材和焊接熱影響區(qū)，形成了良好的冶金連接。焊縫界面組織為典型的局部交互結(jié)晶組織（所謂交互結(jié)晶組織是指焊縫內(nèi)的液態(tài)釬料以基體表面凹凸點(diǎn)為形核質(zhì)點(diǎn)，隨著凝固過程的進(jìn)行從基體晶粒表面直接向液態(tài)金屬內(nèi)生長的結(jié)晶過程。這種結(jié)晶方式突出的特點(diǎn)是，結(jié)晶完畢后焊縫與基體間沒有明顯的界面）：先析出的固溶體由基體晶粒表面直接向液相中心生長結(jié)晶，最后凝固的是共晶體。釬焊界面參差不齊，有利于接頭強(qiáng)度的提高。

圖3 BAl88SiMg作中間層時(shí)釬焊溫度對(duì)接頭組織的影響

從三個(gè)試樣的接頭形貌可以看出，1#試樣中母材與釬料的反應(yīng)進(jìn)行得較理想，母材向釬料的溶解以及釬料向母材的擴(kuò)散進(jìn)行得充分，2#試樣中母材和中間層的界線很明顯，熱影響區(qū)較寬，熱影響區(qū)還有向母材延伸的尖角狀存在，母材和熱影響區(qū)的界線不規(guī)則，有大量的尖角形狀存在。3#試樣的熔合很好，熱影響區(qū)在三個(gè)試樣中是最寬的，這主要是由于保溫時(shí)間較長，母材與釬料的冶金反應(yīng)得很充分，在熱影響區(qū)中，可以看到釬料向母材中擴(kuò)散后與母材反應(yīng)留下的共晶產(chǎn)物，同時(shí)母材向釬料中溶解后與之發(fā)生冶金反應(yīng)后的生成的顆粒物非常細(xì)小，分布均勻細(xì)密。

圖4為Zn作中間層時(shí)釬焊溫度對(duì)接頭形貌的影響，由圖4可知，Zn作為中間層材料時(shí)的焊合情況不理想，冶金效果不明顯。5#和6#金相圖中，中間層與母材的界線很清晰，沒有發(fā)生冶金反應(yīng)，焊縫中組織均為較大的塊狀晶，保持原來組織的晶粒狀況。Zn在鎂中的固溶度只有6.2％，固溶度較小，又由于溫度較低，連接界面之間的原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不夠充分，溫度和成分上的限制使得Zn-Mg釬焊反應(yīng)進(jìn)行的不徹底。

圖4 Zn作中間層時(shí)釬焊溫度對(duì)接頭組織的影響

4#試樣相對(duì)于5#和6#來說，保溫時(shí)間較長，中間層和母材的冶金反應(yīng)較為充分，Zn向母材一側(cè)進(jìn)行了一定的擴(kuò)散，但少量的擴(kuò)散沒有與母材中的Mg發(fā)生冶金反應(yīng)，故沒有晶粒形成。另外，4#試樣的連接界面不規(guī)則，晶粒分散，還可以看到粗大的共晶相里還存在一些較小的沉淀相，Zn與Mg共晶反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量的共晶沉淀物Mg51Zn20和與之相應(yīng)的Mg7Zn3，5#試樣中粗大的共晶相是Mg51Zn20，而較小的沉淀相是與MgZn2拉弗斯相相同的晶體結(jié)構(gòu)[5]。

2.3 接頭元素行為分析

圖5為釬焊峰值溫度為460℃、保溫40 min時(shí)，BAl88SiMg作為中間層釬焊接頭SEM二次電子像圖及其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分析位置。結(jié)合表5中點(diǎn)能譜分析結(jié)果可知:靠近界面的1、2點(diǎn)處主要為Mg（Al）的固溶體，釬縫區(qū)中的Si原子并沒有向母材區(qū)擴(kuò)散。釬縫中灰色顆粒狀組織3、4點(diǎn)處的成分分析結(jié)果分別為：56.19Mg+28.90Si、65.46Mg+33.81Si，原子百分比都接近2:1，結(jié)合Mg-Si的二元相圖可推測出灰色顆粒狀組織為金屬間化合物Mg2Si，由于Mg2Si具有比較嚴(yán)重的晶間脆裂傾向，單相Mg2Si在室溫到450℃之間具有本征脆性，使其室溫延展率幾乎為零，卻具有較高的硬度，因此焊縫區(qū)中Mg2Si的出現(xiàn)降低了接頭的韌性，但提高了其硬度[6]。由5點(diǎn)的成分分析可知，在該處檢測到少量的Mn元素，這說明母材中的Mn原子向液相區(qū)有一定的擴(kuò)散。

圖5 3#/BAl88SiMg/460℃/40 min接頭形貌及能譜分析

表5 圖5中測試點(diǎn)成分能譜分析結(jié)果％

峰值釬焊溫度360℃、保溫50 min時(shí)Zn中間層釬焊接頭的SEM二次電子像圖及其對(duì)應(yīng)的成分線分析結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，在釬縫側(cè)金屬化合物處Mg的含量下降，在基體內(nèi)Mg含量高于金屬間化合物的Mg含量，與母材側(cè)的Mg含量基本相當(dāng)，說明母材側(cè)的Mg在釬焊過程中已經(jīng)向釬縫側(cè)的液態(tài)釬料溶解[7]。Zn在整個(gè)元素線掃描圖中分布比較集中，主要集中于釬縫區(qū)，但在母材與釬縫結(jié)合處含量明顯上升，但在母材側(cè)含量又陡然降低，這說明Zn原子只是在母材與釬縫結(jié)合處形成了金屬間化合物，擴(kuò)散到母材中的Zn元素很少[8]。

圖6 4#/Zn/360℃/50 min接頭線掃描分析結(jié)果

3 接頭顯微硬度

試驗(yàn)選取了2#和3#試樣進(jìn)行了顯微硬度測試。BAl88SiMg作中間層時(shí)釬縫區(qū)域的硬度分布如圖7所示，由圖7可知，釬縫中心（X=0）硬度高于釬縫兩端（X=10）硬度，這是因?yàn)樵阝F縫中心，有高硬度脆性相生成，同時(shí)冶金反應(yīng)生成的共晶產(chǎn)物非常細(xì)小，在釬縫中心處分布彌散，起到了一定的細(xì)晶強(qiáng)化作用，所以釬縫中心處硬度更高。由圖7還可知，2#試樣的釬縫區(qū)硬度要略高于3#試樣，在保溫相同時(shí)間的情況下，3#試樣的釬焊峰值溫度比2#試樣高，細(xì)小的晶粒在較高的溫度下就會(huì)以更快的速度生長，細(xì)晶強(qiáng)化的作用就會(huì)減弱，所以2#試樣的釬縫就表現(xiàn)出比3#試樣的釬縫更高的硬度。

圖7 BAl88SiMg作中間層時(shí)釬縫區(qū)域的顯微硬度分布

4 結(jié)論

（1）采用Zn箔、BAl88SiMg作為中間層金屬，在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下均可以實(shí)現(xiàn)接頭界面區(qū)的有效連接。

（2）當(dāng)采用BAl88SiMg作中間層材料時(shí)，宏觀上母材會(huì)出現(xiàn)了較大的溶蝕；微觀上在釬縫處晶粒清晰可見，熱影響區(qū)明顯，接頭區(qū)能實(shí)現(xiàn)較好的冶金結(jié)合。釬縫界面為明顯的交互結(jié)晶組織，釬縫上有細(xì)小彌散的共晶物，這些共晶物對(duì)釬縫有強(qiáng)化作用，使得釬縫的顯微硬度升高。

（3）當(dāng)采用Zn箔作為中間層釬焊時(shí)雖然母材中的Mg原子有向焊縫區(qū)擴(kuò)散的趨向，但Zn原子幾乎不能向母材中擴(kuò)散，這使得釬焊過程中不能發(fā)生良好的冶金作用，沒有生成足夠的液相，進(jìn)而難以得到交互結(jié)晶組織，不能得到微觀組織結(jié)構(gòu)致密的焊接接頭。

（4）Zn箔作為中間層材料時(shí)，母材宏觀上會(huì)出現(xiàn)焊縫堆高和未焊合缺陷。焊縫堆高一般出現(xiàn)在下側(cè)母材表面。

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3 結(jié)論

（1）隨著加熱溫度的提高，不銹鋼材料SUS301LHT室溫下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低，700℃和900℃為材料強(qiáng)度突變點(diǎn)。

（2）加熱處理溫度的變化，不影響SUS301LHT不銹鋼材料的室溫彎曲性能。

（3）不銹鋼母材在450℃～850℃敏化溫度區(qū)間加熱處理后，SUS301L-HT不銹鋼以階梯組織為主但局部存在混合組織，抗晶間腐蝕性能有所降低。

（4）為保證不銹鋼材料SUS301L-HT的強(qiáng)度和抗晶間腐蝕性能，應(yīng)控制調(diào)修溫度不大于550℃，并采用水冷等方式快速冷卻。

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Experimental research on contact reaction of brazing on AZ91D magnesium alloy

CHEN Mengcheng，YANG Guangjian，XU Daorong
（Hefei University of Technology School of Material Science and Engineering，Hefei 230009，China）

In this paper，brazing of AZ91D magnesium alloy is done in vacuum furnace，and Al-Si-Mg and Zn foil are selected as intermediate 1ayer.The microstructure，mechanical properties and diffusion of welded joint are analyzed by optical microscopy，micro-hardness and EDS Characterization methods.In order to identify the optimal process parameters of brazing for AZ91D magnesium alloy，the effect of different process parameters on welded joint is discussed.The results show that Al-Si-Mg brazing filler as intermediate layer realizes the brazing seam with good metallurgical combination，but the macroscopic surface of brazing seam will appear erosion groove;while taking Zn foil as intermediate layer，brazing seam will appear serious holes defect，the diffusion of brazing seam zone and heat effected zone is not obvious，and brazing seam piles high and brazing joints are not welded on the surface of brazing seam，so Zn foil is not suitable as the brazing filler metal for magnesium alloy brazing.

AZ91D；intermediate layer；vacuum brazing；brazing seam

TG454

B

1001-2303（2015）08-0043-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.10

2014-12-31；

2015-02-20

陳夢成（1989—），男，碩士，主要從事鎂合金釬焊技術(shù)方面的研究工作。