機(jī)械輕量化用輕合金的FSSW接頭組織與性能

于 穎

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林長春130033）

機(jī)械輕量化用輕合金的FSSW接頭組織與性能

于 穎

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林長春130033）

采用攪拌摩擦點(diǎn)焊進(jìn)行了機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的搭接焊試驗(yàn)，測試和分析接頭的顯微組織、物相組成、硬度分布和力學(xué)性能。結(jié)果表明，與母材相比，F(xiàn)SSW接頭焊核區(qū)只發(fā)現(xiàn)α-Mg基體而未發(fā)現(xiàn)Mg17Al12相，F(xiàn)SSW接頭焊核區(qū)硬度與母材相當(dāng)，硬度最低值位于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)；接頭系數(shù)達(dá)到90％。

攪拌摩擦點(diǎn)焊；輕合金；Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V合金；機(jī)械輕量化；FSSW

0 前言

攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir SpotWelding，簡稱FSSW）是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型焊接方法，在機(jī)械、汽車、輪船、航空航天等輕合金焊接方面有著極具前途的市場化應(yīng)用[1]。目前，隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械輕量化的呼聲越來越高，輕合金是機(jī)械輕量化的首選材料。為了滿足機(jī)械輕量化的需求，本研究在前期工作基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的FSSW試驗(yàn)，并進(jìn)行接頭的顯微組織、物相組成、硬度分布和力學(xué)性能的測試與分析，為機(jī)械輕量化用輕合金的焊接提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試樣材料

被焊母材為機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的擠壓板材，擠壓溫度320℃、擠壓比20∶1，母材尺寸300mm×100mm×6mm。母材的化學(xué)成分采用SEA-1000A型X射線熒光光譜儀進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。被焊母材的室溫拉伸性能如表2所示。

表1 母材的化學(xué)成分Tab.1 Chem ical com position of the basematerial％

1.2 試驗(yàn)方法

采用StirSpot型攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)，以搭接方式進(jìn)行機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的試驗(yàn)，搭接長度250mm。試驗(yàn)流程如圖1所示。攪拌頭材質(zhì)為H13鋼，攪拌頭軸肩直徑13mm、攪拌針直徑6mm、攪拌針長5.75mm，攪拌頭為平面加細(xì)螺紋型。FSSW的工藝參數(shù)如表3所示。

表2 母材的室溫力學(xué)性能Tab.2 M echanical properties of the basematerialat room tem perature

圖1 焊接工藝流程Fig.1 Process of the welding

表3 FSSW的工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of FSSW

采用GX15型光學(xué)顯微鏡（OM）和EVO18型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察接頭的顯微組織。采用Rigaku D/max2500/PC型號(hào)X射線衍射儀分析接頭的物相組成，掃描范圍20°～80°、掃描速度4°/min，測試電壓40 kV、電流30mA。采用HVS-1000Z型顯微硬度計(jì)測試接頭的硬度分布。采用HY-932型拉伸試驗(yàn)機(jī)測試接頭的力學(xué)性能，測試溫度為室溫，并采用EVO18型掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 顯微組織

機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金FSSW接頭的顯微組織OM照片如圖2所示。由圖2可知，與母材相比，F(xiàn)SSW接頭焊核區(qū)晶粒明顯細(xì)化，這是因?yàn)樵贔SSW過程中焊核區(qū)晶粒同時(shí)承受劇烈的機(jī)械攪拌和溫度場作用而發(fā)生了徹底的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，表現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶組織；而熱機(jī)械影響區(qū)晶粒由于承受的機(jī)械攪拌和溫度場作用均小于焊核區(qū)，所以一些晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而一些晶粒只發(fā)生了塑性變形；熱影響區(qū)晶粒由于離攪拌針較遠(yuǎn)，只承受溫度場作用而未受到機(jī)械攪拌作用，所以晶粒只是較母材稍有增大[2-5]。這與之前報(bào)道的AZ31、AZ91等鎂基輕合金的顯微組織變化一致[6]。

2.2 XRD分析

機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金母材及其FSSW接頭焊核區(qū)的XRD圖譜如圖3和圖4所示。對(duì)比圖3和圖4可知，母材由α-Mg基體和Mg17Al12第二相組成；而FSSW接頭焊核區(qū)則只有α-Mg基體，未發(fā)現(xiàn)表征Mg17Al12化合物的衍射峰。這是因?yàn)樵跀嚢枘Σ梁高^程中，焊核區(qū)溫度一般約為400℃，而Mg17Al12化合物相在370℃開始溶入α-Mg基體中[7-8]。因此，在Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的FSSW接頭焊核區(qū)僅有α-Mg基體相。

2.3 硬度分布

機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金FSSW接頭的硬度分布如圖5所示。粗略地講，攪拌針直徑表征的是焊核區(qū)，而攪拌頭軸肩直徑表征的是絕大部分溫度場作用區(qū)域。從圖5可以看出，接頭焊核區(qū)硬度與母材相當(dāng)，硬度最低值位于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)。這是因?yàn)殡m然焊核區(qū)晶粒較母材明顯細(xì)化促使硬度提高，但是另一方面，焊核區(qū)由于第二相Mg17Al12溶入α-Mg基體中，導(dǎo)致硬度下降，二者的共同作用使焊核區(qū)硬度與母材相當(dāng)。

2.4 力學(xué)性能

機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金母材及其FSSW接頭的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，與母材相比，F(xiàn)SSW接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均有所下降；但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的下降較少，延伸率下降較多；FSSW接頭的抗拉強(qiáng)度從334MPa減小至301MPa，接頭系數(shù)（即接頭抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度的比值）達(dá)到90％；接頭屈服強(qiáng)度從206MPa減小至184MPa，達(dá)到母材的89％；接頭的延伸率從14％減小至8％，達(dá)到母材的57％。這是因?yàn)樵贔SSW過程中，雖然焊核區(qū)晶粒較母材得到了顯著細(xì)化，但是FSSW接頭的熱影響區(qū)，尤其是前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)是接頭最為薄弱的區(qū)域。

3 結(jié)論

（1）機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的FSSW接頭焊核區(qū)晶粒由于同時(shí)承受劇烈的機(jī)械攪拌和溫度場作用而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶組織；熱機(jī)械影響區(qū)晶粒由于承受的機(jī)械攪拌和溫度場作用均小于焊核區(qū)，一些晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得到細(xì)化，另一部分晶粒只發(fā)生了塑性變形；熱影響區(qū)晶粒由于離攪拌針較遠(yuǎn)，只承受溫度場作用，故晶粒較母材稍有增大。

圖2 接頭顯微組織OM照片F(xiàn)ig.2 OM photograph ofm icrostructure for the weld

圖3 母材XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of the basematerial

圖4 FSSW接頭XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of the friction stir spot weld

（2）Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金母材由α-Mg基體和Mg17Al12第二相組成；而FSSW接頭焊核區(qū)則只有α-Mg基體，未能發(fā)現(xiàn)表征Mg17Al12化合物的衍射峰。這主要是因?yàn)樵跀嚢枘Σ梁高^程中，Mg17Al12化合物相溶入到α-Mg基體中。

圖5 接頭硬度分布Fig.5 Hardness distribution of the weld

圖6 試樣室溫力學(xué)性能測試結(jié)果Fig.6 Test resultsofmechanicalproperties for the sam ples at room temperature

（3）機(jī)械輕量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型輕合金的FSSW接頭焊核區(qū)硬度與母材相當(dāng)，硬度最低值位于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)；接頭系數(shù)達(dá)到90％。

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M icrostructure and properties of friction stir spotweld of light alloy for lightweightmachine

YU Ying
（Changchun Vocational Institute of Technology，Changchun 130033，China）

Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V new-type light alloy for lightweightmachine was welded by the method of friction stir spot welding，and the microstructure，phase composition，microhardness and mechanical properties were tested and analyzed.The results showed that compared with the basematerial，the NZ of friction stir weld composed ofα-Mgmatrix without Mg17Al12phase，besides，the microhardness in the NZ was commensurate with the BM，and the lowest microhardness was in the heat-affected zone of advancing side.Furthermore，the weld efficiency could reach by 90％.

friction stir spotwelding；lightalloy；Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V alloy；lightweightmachine；FSSW

TG456.9

A

1001-2303（2015）07-0140-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.30

2014-11-02

于穎（1962—），女，吉林公主嶺人，副教授，學(xué)士，主要從事機(jī)械工程，焊接技術(shù)的教研工作。