陳玉華,謝吉林,戈軍委,曹文明
(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院,南昌 330063)
鋁合金耐蝕性好、比強(qiáng)度高,同時(shí)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,被廣泛地應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中[1]。鎂合金是一種比鋁合金更輕的有色金屬,具有較高的比強(qiáng)度和比剛度,同時(shí)還具有良好的抗震性能和電磁屏蔽性能[2]。鋁/鎂異種金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮兩種金屬的優(yōu)良性能,揚(yáng)長(zhǎng)避短,具有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。然而,由于鎂和鋁在晶體結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)性能方面存在巨大的差異,兩者之間容易生成各種脆性金屬間化合物,導(dǎo)致兩者的焊接存在較大的問(wèn)題,難以獲得理想的焊接接頭[3]。攪拌摩擦焊(FSW)是由英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的新型固相連接技術(shù),焊接過(guò)程中,母材不熔化,能夠有效地避免如氣孔、裂紋、夾雜等缺陷,對(duì)于異種金屬的焊接具有較大的優(yōu)勢(shì)[4]。許多學(xué)者對(duì)鋁/鎂異種金屬的攪拌摩擦焊接進(jìn)行了深入地研究,文中從異種金屬的攪拌摩擦焊接的工藝角度,包括焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭的影響、接頭的顯微組織與金屬間化合物,以及接頭的力學(xué)性能、改進(jìn)的新型工藝介紹等幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。
攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)通常包括焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度。同時(shí),對(duì)于異種金屬焊接,材料相對(duì)攪拌針?biāo)幍奈恢靡约皵嚢栳樀钠疲矔?huì)影響焊接接頭的成形以及承載能力[5]。焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭的熱輸入、溫度分布以及材料流動(dòng)有直接的影響,異種材料的焊接過(guò)程中,由于材料性能的差異,導(dǎo)致對(duì)焊接工藝參數(shù)的敏感性高于同種材料的焊接,特別是材料的位置以及攪拌針的偏移。隨著研究的深入,Malarvizhi[6]發(fā)現(xiàn)攪拌頭軸肩的尺寸與板厚的比值(D/t)也會(huì)對(duì)接頭的性能有較大影響,認(rèn)為當(dāng)D/t值為3.5時(shí)能獲得承載能力最優(yōu)的接頭。
李達(dá)等人[7]研究了攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)7075鋁合金與AZ31鎂合金異種材料攪拌摩擦焊對(duì)接接頭成形質(zhì)量的影響,結(jié)果表明:當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí),焊縫的熱輸入不足,焊縫底部金屬塑化不足,焊縫存在明顯的界線;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度過(guò)大時(shí),焊縫的熱輸入過(guò)大,焊縫局部出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,焊縫容易開(kāi)裂(圖1為旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊縫表面的成形影響)。Yan等人[8]在研究AZ31鎂合金與1060鋁合金攪拌摩擦焊接時(shí)獲得了相同的結(jié)論。對(duì)于7075鋁合金與AZ31鎂合金異種材料攪拌摩擦焊,較為合適的焊接工藝參數(shù)是焊接速度為30 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度為 780 r/min[7]。Firouzdor等人[9]采用38 mm/min和254 mm/min的焊接速度,1400 r/min的旋轉(zhuǎn)速度,對(duì)6061-T6鋁合金和AZ31B-H24鎂合金進(jìn)行了焊接,當(dāng)焊接速度為254 mm/min時(shí),接頭產(chǎn)生較大的隧道缺陷(如圖2所示),難以成功地獲得接頭,作者認(rèn)為是由于速度過(guò)大,對(duì)接頭的熱輸入不足,導(dǎo)致塑化金屬的量較少,從而產(chǎn)生隧道缺陷。
圖1 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊縫表面成形[7]Fig.1 Surface appearance of different rotation speed
圖2 不同焊接速度下接頭橫截面成形[9]Fig.2 Transverse macrograph of dissimilar metals weld made at different welding speed
Morishige等人[10]獲得了焊縫表面成形的工藝窗口圖(如圖3所示),結(jié)果表明:獲得成形質(zhì)量較好的工藝參數(shù)范圍較窄。Fu[11]也通過(guò)研究獲得了6061鋁合金/AZ31異種金屬攪拌摩擦焊焊縫表面成形與橫截面成形的工藝窗口(如圖4所示),從圖4可知,在中等旋轉(zhuǎn)速度(600~800 r/min)及中等焊接速度(30~60 mm/min)下,能獲得沒(méi)有缺陷的焊縫表面和橫截面成形。焊接速度與旋轉(zhuǎn)速度會(huì)直接影響接頭的成形,通常采用二者的比值(n/v)來(lái)描述。當(dāng)該數(shù)值過(guò)大時(shí),表示對(duì)焊縫的熱輸入過(guò)大;當(dāng)該數(shù)值較小時(shí),攪拌頭對(duì)焊縫的熱輸入小,二者都難以獲得無(wú)缺陷的接頭。
圖3 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成形的影響[10]Fig.3 Effect of welding parameters on the Surface appearance
圖4 焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭成形和焊縫成形的影響[11]Fig.4 Effect of welding parameters on the transverse macrograph weld made and surface appearance[11]
攪拌摩擦焊接是一種非對(duì)稱的焊接方法,焊縫兩側(cè)的溫度分布和金屬流動(dòng)不同。對(duì)于異種金屬的攪拌摩擦焊接,攪拌針的偏移以及材料相對(duì)位置,對(duì)接頭的影響同樣是一個(gè)重要的研究點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,材料的熔點(diǎn)是決定材料所處位置的因素;但也有研究者認(rèn)為,材料的硬度對(duì)于材料的位置及攪拌針的偏移有決定作用。李達(dá)等人[7]認(rèn)為,攪拌針偏向鎂合金或者鋁合金時(shí)都能獲得比攪拌針不偏移時(shí)成形好的焊縫。當(dāng)鋁合金置于返回邊,鎂合金置于前進(jìn)邊時(shí),焊縫表面及接頭的橫截面成形較好。王快社等人[12]研究了MB3鎂合金和1060鋁合金的攪拌摩擦焊接,焊接過(guò)程中如果將鎂合金置于前進(jìn)側(cè),攪拌針置于中間時(shí),焊縫容易出現(xiàn)空洞和隧道等缺陷,當(dāng)將攪拌針偏向鎂合金時(shí),焊縫成形良好。王快設(shè)與李達(dá)的研究表明在焊接過(guò)程中,材料的相對(duì)位置和攪拌針的偏移對(duì)接頭成形的影響是相互的,而不是單獨(dú)、獨(dú)立影響的。
康舉等人[13]將鎂合金置于前進(jìn)側(cè),攪拌針向鋁合金偏0.3 mm,對(duì)7075鋁合金和AZ31鎂合金焊接,獲得了焊縫成形良好,接頭抗拉強(qiáng)度為112 MPa的異種金屬接頭,而不偏移時(shí)的接頭強(qiáng)度僅為78 MPa。而Fu研究發(fā)現(xiàn),將鎂合金置于前進(jìn)側(cè),攪拌針偏向鎂合金0.3 mm時(shí),接頭強(qiáng)度最高,達(dá)到了鎂合金母材的70%。將鋁合金置于前進(jìn)側(cè),攪拌針偏向鋁合金時(shí),接頭強(qiáng)度減小。
對(duì)于攪拌針的偏移量的大小,Jagadeesha[14]通過(guò)連續(xù)改變攪拌針的偏移量,研究了其對(duì)接頭性能以及金屬間化合物厚度的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)攪拌針的偏移量為偏向返回邊鎂合金側(cè)0.66 mm時(shí),接頭的性能最好,抗拉強(qiáng)度達(dá)到106.86 MPa,此時(shí)金屬間化合物的厚度最小,約為 1.2 μm。
Firouzdor等人[9]在研究材料位置及攪拌頭偏移時(shí)發(fā)現(xiàn),不同的焊接速度與旋轉(zhuǎn)速度對(duì)結(jié)果也有較大的影響,焊接速度較小時(shí),接頭的成形較好。并且,鎂合金置于前進(jìn)側(cè)、攪拌頭偏向鎂合金時(shí),接頭的焊接工藝窗口最大。分析認(rèn)為,鎂合金置于前進(jìn)側(cè)、攪拌針偏向鎂合金時(shí),能夠降低焊縫的熱輸入,從而提高接頭的抗拉強(qiáng)度。接頭強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在鎂合金置于前進(jìn)側(cè),攪拌針偏向鎂合金,焊接速度為38 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度為1400 r/min時(shí)。如圖5所示為材料位置、攪拌針的偏移以及不同的焊接參數(shù)下焊縫橫截面的形貌。
圖5 不同焊接工藝下的接頭橫截面形貌[9]Fig.5 Transverse macrograph of dissimilar metals weld made at different welding parameters
表1 鋁/鎂異種金屬典型攪拌摩擦焊工藝Table1 Typical welding process parameters of Al/Mg dissimilar joint
表1為部分學(xué)者在鋁鎂異種金屬攪拌摩擦焊接中所采用的工藝參數(shù)的總結(jié)。從表1中可以看到,研究人員對(duì)鋁鎂異種金屬進(jìn)行了全面深入地研究,焊接速度從低速(20 mm/min)到高速(384 mm/min),旋轉(zhuǎn)速度從低速(200 r/min)到高速(2700 r/min),并且對(duì)于材料的放置位置以及攪拌針的偏移都進(jìn)行了研究。
鋁/鎂異種金屬接頭的拉伸性能相比于鋁合金或者鎂合金母材來(lái)說(shuō)有較大的差距,目前最高的抗拉強(qiáng)度為鎂合金同種材料攪拌摩擦焊接頭的80%[9]、鎂合金母材的76%[20]。并且,由于接頭中存在金屬間化合物,導(dǎo)致接頭的斷后伸長(zhǎng)率也很小,呈現(xiàn)脆性斷裂。文獻(xiàn)[18]研究結(jié)果表明,焊接接頭中存在的殘余應(yīng)力也是影響接頭性能的一個(gè)因素,通過(guò)將異種金屬接頭進(jìn)行焊后320℃熱處理1 h,可以提高接頭的強(qiáng)度。
鋁/鎂異種金屬的接頭的承載能力與金屬間化合物的量有密切的關(guān)系[21]。當(dāng)焊接熱輸入增大時(shí),金屬間化合物的形核和長(zhǎng)大的速度隨之增大,從而在鋁鎂的連接界面處產(chǎn)生了更多的金屬間化合物,致使接頭強(qiáng)度下降;厚板鋁/鎂異種材料的焊接過(guò)程中產(chǎn)生的界面孔洞同樣會(huì)降低接頭的強(qiáng)度[16]。同時(shí),焊接過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)對(duì)于提高異種金屬的強(qiáng)度有幫助[21]。
異種金屬攪拌摩擦焊接頭的斷裂方式以脆性斷裂為主,斷裂經(jīng)常發(fā)生在焊核區(qū)或者界面處,主要原因就是焊核區(qū)層狀結(jié)構(gòu)中、界面處產(chǎn)生的脆性金屬間化合物以及界面孔洞導(dǎo)致接頭在該區(qū)域最薄弱。然而文獻(xiàn)[17]指出,鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊接頭在拉伸斷裂過(guò)程中,在接頭的下部會(huì)出現(xiàn)塑性斷裂特征,其原因是由于焊接接頭下部的溫度相對(duì)較低,產(chǎn)生的金屬間化合物量較少,在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)塑性斷裂。
鋁/鎂異種金屬接頭硬度分布有較大的起伏,整體不均勻,如圖6所示。如圖6a[18],由于在鎂合金和鋁合金兩側(cè)存在熱影響區(qū)和熱力影響區(qū),從而會(huì)使得該區(qū)域的硬度小于母材,而焊核區(qū)由于有層狀結(jié)構(gòu)和流線結(jié)構(gòu)存在,其中的金屬間化合物會(huì)產(chǎn)生波峰尖點(diǎn),而其中的母材則會(huì)產(chǎn)生波谷點(diǎn),導(dǎo)致焊核區(qū)內(nèi)的硬度分布也不均勻。
采用的鋁合金母材及其熱處理狀態(tài)也對(duì)接頭的硬度分布有較大影響,如圖6b[22]所示,母材硬度較小,硬度分布呈現(xiàn)尖峰形,并且焊縫上部硬度要高于焊縫下部。由于上部受熱較大,金屬間化合物量和尺寸都大,從而導(dǎo)致該處的硬度也相對(duì)更大。
圖 6 鋁/鎂異種金屬接頭硬度分布[18,20—22]Fig.6 Microhardness profiles of microstructure from Mg to Al
攪拌摩擦焊接鋁/鎂異種金屬的接頭一般可以類比同種金屬接頭,將其分為4個(gè)區(qū)域即焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)。不同的區(qū)域在焊接過(guò)程中所受的熱-力復(fù)合作用不同,同時(shí),其組織的變化也不同。又由鎂鋁二元相圖可知,在攪拌摩擦焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Al12Mg17以及少量的Al3Mg2金屬間化合物。
在鋁/鎂異種金屬焊接過(guò)程中,由于攪拌針周期性旋轉(zhuǎn),在焊核區(qū)會(huì)存在類似同質(zhì)材料攪拌摩擦焊接的復(fù)雜的流線型結(jié)構(gòu)[18]。與同種材料焊接不同的是,流線型結(jié)構(gòu)由兩種材料相互穿插而成,其中富鋁相與富鎂相相互疊加,形成焊合區(qū)域的層狀結(jié)構(gòu)。在焊核區(qū)兩種材料的晶粒都非常的細(xì)小,平均晶粒尺寸為2.5 ~4.5 μm(如圖 7 所示)。這是由于焊核區(qū)的材料經(jīng)歷了較大的塑性變形和較高的焊接溫度而產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,從而獲得了晶粒細(xì)小的組織。在熱影響區(qū)以及熱機(jī)械影響區(qū)則和同種材料攪拌摩擦焊接接頭相同。陳影[26]研究了鋁鎂搭接攪拌摩擦焊接發(fā)現(xiàn),鋁合金側(cè)的晶粒與母材相比較細(xì)小,而鎂合金側(cè)的則只有輕微變化,這與其他研究人員的結(jié)論有差別。
圖7 鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊接頭EBSD圖[22]Fig.7 EBSD IPF maps for BM and SZ of AA6061 and AZ3
金屬間化合物的產(chǎn)生,是由于焊接峰值溫度超過(guò)了Mg-Al相的共晶溫度而在焊縫中形成液相,液相在冷卻過(guò)程中發(fā)生了L→Al12Mg17+Mg轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生了Al12Mg17金屬間化合物,同時(shí),由Al12Mg17包析轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了Al3Mg2金屬間化合物,還有就是焊接過(guò)程中2種元素相互擴(kuò)散,最后形成了金屬間化合物。Choi[21]通過(guò)XRD以及TG-DSC證明在鋁鎂異種金屬接頭中存在金屬間化合物Al12Mg17和Al3Mg2。Mohammadia等人[25—26]還發(fā)現(xiàn)金屬間化合物的分布有一定的規(guī)律,Al12Mg17大量分布在靠近鎂合金的一側(cè),而Al3Mg2則是少量的,并且分布在靠近鋁合金一側(cè)。這一規(guī)律在文獻(xiàn)[9,12]中也有闡述。Firouzdor[27]的研究還發(fā)現(xiàn),金屬間化合物層中不完全是金屬間化合物,Al12Mg17的區(qū)域內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了晶粒細(xì)小的鎂合金,在Al3Mg2層內(nèi)則觀察到了有納米尺寸的鋁顆粒存在,如圖8所示。并且他認(rèn)為這是由于液化的材料在凝固過(guò)程中被攪拌針的剪切作用產(chǎn)生的。
圖8 鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊接頭中的金屬間化合物[27]Fig.8 Intermediat componts in dissimilar joints
從以上綜述可以看出,在采用傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接鋁/鎂異種金屬時(shí),接頭中存在的金屬間化合物對(duì)接頭的強(qiáng)度以及焊縫成形有較大的影響。研究人員通過(guò)各種焊接新工藝的研究,嘗試控制焊接過(guò)程中的峰值溫度以及在接頭中添加第3種元素,從而嘗試控制金屬間化合物的量,以此來(lái)提高異種金屬的接頭強(qiáng)度,還有學(xué)者嘗試通過(guò)增加焊縫的有效承載面積,來(lái)提高接頭的疲勞性能。
Mofid 等人[28—30]在液氮、水以及空氣中分別對(duì)鋁合金和鎂合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊接,研究了焊接過(guò)程中熱循環(huán)曲線以及對(duì)接頭中的脆性金屬間化合物進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)在空氣中進(jìn)行焊接時(shí),接頭所經(jīng)歷的峰值溫度為410℃,而在水中進(jìn)行時(shí)峰值溫度為367℃,在液氮中時(shí)溫度為377℃。如圖9和10所示,在液氮中的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最高,其次是在水中的,最低的在大氣中。接頭的伸長(zhǎng)率則以水中的最高,其次是在液氮中的。接頭的組織分析發(fā)現(xiàn),在空氣中焊接的接頭出現(xiàn)了大量的金屬間化合物,接頭組織混合較多,而在液氮和在水中的則要顯著減少,同時(shí),在液氮和在水中的接頭再結(jié)晶區(qū)的組織粗化也不顯著,而在空氣中的則出現(xiàn)了明顯的晶粒長(zhǎng)大。在空氣中的接頭硬度分布出現(xiàn)了較大的變化,而在液氮中和水中獲得的則沒(méi)有出現(xiàn)顯著波動(dòng)。
Zhao等人[31]對(duì)鋁鎂異種金屬水下攪拌摩擦焊接接頭的組織性能進(jìn)行了分析,認(rèn)為在攪拌區(qū)內(nèi)有層片狀的再結(jié)晶鋁合金和鎂合金組成。水下攪拌摩擦焊接頭中界面產(chǎn)生的金屬間化合物層要比在大氣中焊接的焊縫要薄,但是接頭斷裂也發(fā)生在產(chǎn)生金屬間化合物的鋁鎂界面處。異種金屬接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了鎂合金母材的63.3%,同時(shí),在斷口處通過(guò)XRD檢測(cè)到了Al12Mg17和Al3Mg2金屬間化合物。
圖9 空氣中獲得的鋁/鎂異種金屬接頭界面組織[30]Fig.9 Microstructure of Al/Mg interface for friction-stir welded specimen in air
圖10 鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊接頭的界面[30]Fig.10 Interface of Mg alloy and Al alloy in stir zone for submerged friction-stir weld,performed in(a)water;(b)liquid nitrogen;(c)X-ray diffraction pattern in the stir zone of submerged friction stir welded
Chang[32]等人采用激光束作為輔助熱源,在焊縫中添加0.5 mm純Ni薄片作為調(diào)控金屬間化合物的中間金屬,對(duì)4 mm的6061鋁合金和AZ31鎂合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊接,如圖11所示。當(dāng)激光功率為2 kW的時(shí)候,獲得了無(wú)缺陷的焊縫。研究發(fā)現(xiàn),添加了Ni薄片的激光輔助攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度為鎂合金母材的66%,要高于直接采用攪拌摩擦焊接的接頭,并且Ni在接頭中的分布也比直接采用FSW的接頭分布更加均勻。作者認(rèn)為是由于Ni的加入以及激光的引入,減少了接頭中的脆性金屬間化合物Al12Mg17的含量。
圖11 激光輔助攪拌摩擦焊接示意圖[32]Fig.11 Schematics of the laser-FSW hybrid process
陳崢等人[33]通過(guò)紅外熱源輔助攪拌摩擦焊接了厚板鋁/鎂異種金屬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合焊接能夠顯著地細(xì)化接頭組織,改善接頭性能。采用復(fù)合焊接方法獲得的接頭抗拉強(qiáng)度增加了25.4%、屈服強(qiáng)度增加了20.3%、接頭伸長(zhǎng)率增加了2.3%。接頭中只有極少量的Al12Mg17,并且未生成Mg2Al3。
為了減少焊縫中兩種材料的混合量,從而控制金屬間化合物的量,研究人員嘗試通過(guò)無(wú)攪拌針的工具進(jìn)行焊接。Simoncinia[34]采用帶攪拌針和不帶攪拌針的攪拌頭(如圖12所示)對(duì)1 mm的薄板鋁/鎂異種材料進(jìn)行焊接。研究發(fā)現(xiàn),采用不帶針的攪拌頭能獲得比帶針攪拌頭更優(yōu)質(zhì)的異種異種金屬接頭(抗拉強(qiáng)度高,塑性好)。采用無(wú)針工具獲得的焊縫表面成形良好,沒(méi)有裂紋等宏觀缺陷;而采用帶針工具容易獲得成形較差的接頭。分析認(rèn)為,是由于薄板在焊接過(guò)程中材料受到攪拌針的作用更多地被混合,以及材料位置對(duì)接頭的影響,導(dǎo)致了有針工具焊接接頭比無(wú)針工具接頭承載力更低。
圖12 實(shí)驗(yàn)采用的有針和無(wú)針攪拌頭[35]Fig.12 "Pin"and"pinless"tool configurations in the experiment
通過(guò)上述近5年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋁/鎂異種攪拌摩擦焊技術(shù)研究成果的分析和總結(jié),可以得出結(jié)論:通過(guò)選擇合適的工藝參數(shù),改變攪拌針的偏移,鋁鎂異種金屬攪拌摩擦焊接可以獲得強(qiáng)度較高的、焊縫成形良好的接頭;焊縫中存在的金屬間化合物是影響接頭力學(xué)性能的主要原因;研究人員通過(guò)嘗試不同的焊接新工藝來(lái)控制接頭所經(jīng)歷的峰值溫度或者引進(jìn)中間元素,從而減少金屬間化合物的生成和細(xì)化焊縫晶粒,達(dá)到提高接頭承載能力的目的,已經(jīng)取得了一定的研究成果。但是,對(duì)于焊接過(guò)程中金屬間化合物的產(chǎn)生、分布規(guī)律的深層次研究,特別是對(duì)于金屬間化合物的控制措施,仍然有待進(jìn)一步的探索。
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