冷金屬過渡條件下AZ61鎂合金在兩種鋼板上的潤濕行為

曾承宗，林巧力，曹 睿，陳劍虹

(蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

冷金屬過渡條件下AZ61鎂合金在兩種鋼板上的潤濕行為

曾承宗，林巧力，曹 睿，陳劍虹

(蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

采用動態(tài)座滴法研究冷金屬過渡條件下，AZ61鎂合金分別在Q235鋼板和鍍鋅鋼板表面的潤濕行為及其界面微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：潤濕行為與焊接工藝參數(shù)中的送絲速率密切相關(guān)；無論基板采用鍍鋅鋼還是Q235鋼在界面處均觀察到Al-Fe金屬間化合物層，其形成符合熱力學(xué)形成條件；在Q235鋼表面潤濕時(shí)，送絲速率增加，界面反應(yīng)變得劇烈，因而潤濕性變好，在鍍鋅鋼表面潤濕時(shí)，送絲速率增加，加劇鋅的揮發(fā)，使裸露的表面顯金屬性，因而潤濕性變好；當(dāng)送絲速率≤10.5m·min-1時(shí)，鎂在Q235鋼板上的潤濕性要好于鍍鋅鋼板，且后者鋅的揮發(fā)將導(dǎo)致工藝不穩(wěn)定。

冷金屬過渡；鎂-鋼異種金屬；潤濕性；界面結(jié)構(gòu)

鎂合金是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高，比剛度高，密度低，阻尼性高及較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，無磁性，無毒性和易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天等領(lǐng)域[1,2]。鋼是目前應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料。

由于鎂合金與鋼材應(yīng)用的廣泛性和交叉性，使得鎂-鋼異種金屬連接的混合結(jié)構(gòu)在減輕車輛自重及節(jié)能減排方面具有突出的潛在優(yōu)勢。然而，鎂與鋼的物理性質(zhì)相差較大，并且熱力學(xué)上顯示Mg-Fe之間的相互作用非常弱，在表觀上表現(xiàn)為鎂和鋼較差的焊接性。盡管點(diǎn)焊[2]、攪拌摩擦焊[3]、激光-電弧復(fù)合焊[4,5]等方法可以實(shí)現(xiàn)鎂/鋼異種金屬的連接，但這些方法易受工件形狀和尺寸的限制，成本高昂，焊接過程復(fù)雜等因素難以滿足大批量生產(chǎn)的需求。

近來，F(xiàn)ronius公司基于MIG/MAG焊的基礎(chǔ)開發(fā)了冷金屬過渡技術(shù)(Cold Metal Transfer, CMT)，此技術(shù)獨(dú)特的專家系統(tǒng)尤其適用于異種金屬以熔釬焊的方式實(shí)現(xiàn)連接。另一方面，當(dāng)液態(tài)釬料與鋼板接觸時(shí)，潤濕鋪展和界面反應(yīng)是決定接頭可靠連接的關(guān)鍵因素[6]。通常液態(tài)金屬在固態(tài)金屬上的本征潤濕為較小的接觸角(<90°，由于它們之間以金屬鍵結(jié)合)和快速的鋪展動力學(xué)(惰性鋪展特性)[7]。但是潤濕對周圍環(huán)境因素十分敏感，例如：溫度，氣氛，母材的表面粗糙度和液滴的沖擊等都不同程度地影響著液滴的潤濕行為。尤其對于CMT焊接工藝，電弧力以及保護(hù)氣的壓力和焊絲的回抽力都有可能影響潤濕和鋪展。在CMT熔釬焊中，潤濕和界面結(jié)構(gòu)又與工藝參數(shù)中的送絲速率密切相關(guān)，因此研究鎂-鋼CMT條件下不同送絲速率的潤濕行為是獲得鎂-鋼可靠連接的前提。

目前，熔融鎂合金液滴與鋼板在焊接條件下的潤濕已有一些研究基礎(chǔ)，例如：Li等[8]利用激光釬焊的方法研究鎂在鍍鋅鋼上潤濕，發(fā)現(xiàn)鍍鋅層熔化后會形成液膜，與液滴接觸從而起到促進(jìn)潤濕的作用。Liu等[9]用電阻點(diǎn)焊方法研究鎂-鍍鋅鋼焊接，指出Mg與Zn形成Mg-Zn共晶被排擠到兩側(cè)，Mg在新鮮的鋼表面發(fā)生潤濕從而推斷Zn起到了促進(jìn)潤濕的作用。Wahba等[10]在用AZ31B鎂合金和鍍鋅鋼板激光焊的研究中同樣發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。綜上，在鎂-鋼異種金屬連接中，鍍鋅層是否必不可少和鋅的作用機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。因此，冷金屬過渡條件下AZ61鎂合金在兩種鋼板上的潤濕行為研究具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為直徑1.2mm的AZ61鎂焊絲，Q235鋼板和規(guī)格為60g·m-2的鍍鋅鋼板(尺寸為200mm×100mm×1mm)。鍍鋅鋼板以Q235鋼板為基底，通過熱浸鍍鋅的方法獲得。AZ61鎂焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 AZ61鎂合金焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

潤濕實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為CMT 3200焊機(jī)，激光背光，CCD高速數(shù)碼相機(jī)(1200 fps)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采集的熔滴圖像可由計(jì)算軟件得出潤濕參數(shù)。潤濕實(shí)驗(yàn)過程中采用高純氬氣保護(hù)，氬氣流量為15L·min-1。實(shí)驗(yàn)前，采用鋼刷打磨母材(僅Q235鋼板)，待潤濕表面，采用丙酮、酒精依次對母材進(jìn)行清洗，然后用夾具將基板固定在實(shí)驗(yàn)平臺上。整個(gè)CMT潤濕實(shí)驗(yàn)以1s內(nèi)的熔滴過渡和潤濕為研究對象。

圖1 潤濕裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wetting device

為了進(jìn)一步表征界面微觀結(jié)構(gòu)，利用配有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EG 450)對試樣截面進(jìn)行顯微組織觀察和能譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 潤濕行為

圖2為CMT條件下送絲速率從3.5m·min-1到13.5m·min-1，AZ61鎂合金熔體在Q235鋼板上潤濕過程中，接觸角與接觸半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，接觸角隨著送絲速率的增加或者時(shí)間的延長波動幅度變大，主要由于液滴尺寸變大及焊絲回抽導(dǎo)致液滴的波動，進(jìn)而帶來實(shí)驗(yàn)測量的誤差。

圖2 CMT條件下采用不同送絲速率(m·min-1)時(shí)AZ61鎂合金在Q235鋼板上接觸角(a)和接觸半徑(b)隨時(shí)間的變化Fig.2 The wetting behavior of molten AZ61 Mg alloy on the surface of Q235 steel by using different wire feed speeds (m·min-1) under the CMT condition: variation of contact angles (a) and contact radius (b) with time

鎂-鍍鋅鋼的潤濕行為如圖3所示。在鎂熔體潤濕鍍鋅鋼板的過程中，在某時(shí)刻(～0.11s)附近出現(xiàn)了接觸角的峰值，而后隨時(shí)間的延長仍出現(xiàn)了兩種變化趨勢： 一是在送絲速率小于10.5m·min-1時(shí)，接觸角隨熔滴過渡時(shí)間的延長逐漸變大至穩(wěn)定值；二是在送絲速率大于等于10.5m·min-1時(shí)，接觸角隨著時(shí)間的延長逐漸減小至穩(wěn)定值。接觸半徑隨熔滴過渡時(shí)間變化的基本規(guī)律同樣可以由上述擬合式表征，表明潤濕平衡在熔滴過渡中很容易實(shí)現(xiàn)。在鎂-鍍鋅鋼的潤濕實(shí)驗(yàn)中，由于界面上鋅蒸氣的存在以及鎂-鋼本身較弱的親和力，導(dǎo)致表觀上出現(xiàn)不潤濕或潤濕性不好的現(xiàn)象，即“萊頓弗羅斯特”現(xiàn)象。在實(shí)際工況中表現(xiàn)為焊接工藝的不穩(wěn)定，較多飛濺。因此，在鎂-鍍鋅鋼的CMT焊接中，建議使用大于或等于8.5m·min-1的送絲速率來滿足潤濕性的要求，點(diǎn)焊時(shí)間建議大于0.11s以避開峰值滿足工藝穩(wěn)定性的要求。

圖3 CMT條件下采用不同送絲速率(m·min-1)時(shí)AZ61鎂合金在鍍鋅鋼板上接觸角(a)和接觸半徑(b)隨時(shí)間的變化Fig.3 The wetting behavior of molten AZ61 Mg alloy on the surface of galvanized steel by using different wire feed speeds (m·min-1) under CMT condition: variation of contact angles (a) and contact radius (b)with time

2.2 宏觀形貌及界面微觀結(jié)構(gòu)

圖4為送絲速率4.5m·min-1，點(diǎn)焊時(shí)間1s時(shí)熔化的鎂焊絲分別在Q235鋼和鍍鋅鋼板上潤濕后的表面形貌。鎂-Q235鋼與鎂-鍍鋅鋼樣品表面存在明顯的差異：鎂-Q235鋼液滴表面光潔，如圖4(a-1)所示，而且鎂-Q235鋼樣品背面存在明顯的氧化痕跡，如圖4(a-2)所示；然而鎂-鍍鋅鋼液滴表面存在較多氣孔，如圖4(b-1)所示，且樣品背面只有輕度的燒損痕跡，如圖4(b-2)所示。表明鋅曾經(jīng)在鎂熔體中，并通過熔體表面揮發(fā)并且?guī)ё邿崃浚M(jìn)而顯著地降低了熱輸入。

鎂-Q235鋼在不同送絲速率下界面結(jié)構(gòu)基本類似，因此可選送絲速率3.5m·min-1的樣品作為研究對象。圖5為送絲速率3.5m·min-1，在Q235鋼板潤濕后液滴內(nèi)部及界面的組織形貌。如圖5(a)所示，在凝固后的液滴內(nèi)部除了鎂的固溶體外還存在部分骨架狀的白色相，經(jīng)能譜成分點(diǎn)分析，鎂含量為73.3%，鋁含量為26.7%，通過鋁-鎂二元相圖確定其為Mg17Al12。經(jīng)能譜線掃描分析，如圖5(b)所示，在界面上形成了幾百納米厚度的鋁富集層，主要為Al-Fe金屬間化合物，其中送絲速率只影響界面上Al-Fe金屬間化合物的厚度。因此，鎂-Q235鋼體系在不同送絲速率下所觀測到的潤濕與不潤濕現(xiàn)象與鎂在Al-Fe金屬間化合物層上的潤濕性無關(guān)，主要取決于界面反應(yīng)的程度。界面反應(yīng)的程度直接影響潤濕過程中鋼表面氧化膜的去除程度。即使實(shí)驗(yàn)前鋼表面經(jīng)過了機(jī)械打磨并去油脂，殘留的氧化膜仍會有影響，而通過界面反應(yīng)析出金屬間化合物是去除氧化膜并促進(jìn)潤濕最為有效的方式[11]。在大的送絲速率下，界面上的熱輸入相對較大，界面反應(yīng)劇烈，界面上氧化膜去除徹底，因此潤濕性變好。

在鎂-鍍鋅鋼的界面結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了鋅富集并形成了白色的Mg-MgZn共晶組織，同時(shí)共晶組織下方形成了Al-Fe金屬間化合物層，如圖6(a)所示；在三相線(即固-液-氣三相交會處)處鋅的富集增多，并形成了較為顯著的富鋅區(qū)，如圖6(b)所示，富鋅區(qū)中的初生相內(nèi)部存在較多裂紋且界面上存在開裂預(yù)示著采用鍍鋅鋼較差的力學(xué)性能。送絲速率同樣對界面結(jié)構(gòu)的影響較小，主要影響界面上鋅富集的程度，即鋅共晶層的薄厚。采用鍍鋅鋼板時(shí)，由于電弧的作用使鍍鋅層首先揮發(fā)進(jìn)而裸露新鮮未曾被氧化的鋼表面，因此，在大的送絲速率下，鍍鋅鋼表面的潤濕性要稍好于Q235鋼。同時(shí)鋅的表面張力要大于鎂，從而不會降低熔體的表面張力，且Zn與Fe的親和力要小于Al與Fe，因此，Zn也不能有效地降低界面張力。綜上，在小的送絲速率下，由于鋅蒸發(fā)導(dǎo)致工藝不穩(wěn)定，潤濕性變差，較大送絲速率下，由于蒸發(fā)后裸露的表面具有金屬性而使?jié)櫇裥宰兒谩?/p>

圖4 以4.5 m·min-1的送絲速率下鎂-Q235鋼與鎂-鍍鋅鋼在潤濕實(shí)驗(yàn)后的樣品正面(1)與背面(2)的宏觀形貌 (a)鎂-Q235鋼；(b)鎂-鍍鋅鋼Fig.4 The front (1) and reverse (2) appearances of magnesium-Q235 steel and magnesium-galvanized steel after wetting experiments using 4.5 m·min-1 wire feed speed (a)magnesium-Q235 steel;(b)magnesium-galvanized steel

圖5 鎂-Q235鋼以3.5m·min-1送絲速率的潤濕實(shí)驗(yàn)后液滴內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)(a)及界面微觀結(jié)構(gòu)(b)Fig.5 The structure morphology of Mg-Q235 steel inside the droplet (a) and at the interface (b) after wetting experiment under 3.5m·min-1 wire feed speed condition

圖6 鎂-鍍鋅鋼以11.5m·min-1送絲速率的潤濕實(shí)驗(yàn)后界面(a)及三相線附近(b)的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 The microstructures of Mg-galvanized steel at the interface (a) and at the close of triple line (b) under 11.5m·min-1 wire feed speed

在鎂-Q235鋼的潤濕過程中，界面上的Al-Fe金屬間化合物層表明Al-Fe界面反應(yīng)促進(jìn)了鎂-鋼的潤濕，其機(jī)制可能為Al與Fe的界面反應(yīng)消除了鋼表面原始的氧化膜。在鎂-鍍鋅鋼的潤濕過程中，Zn受熱揮發(fā)后不但降低了界面上的熱輸入，而且使裸露的鋼表面相對不鍍鋅的Q235鋼更具金屬性，因此，使熔融的鎂合金更易于潤濕。

3 結(jié)論

(1)無論鍍鋅鋼還是Q235鋼，鎂-鋼在冷金屬過渡條件下的潤濕性隨送絲速率增加而變好，實(shí)質(zhì)上與系統(tǒng)隨送絲速率增加的熱輸入有關(guān)。

(2)鎂-Q235鋼的潤濕性主要取決于界面反應(yīng)的劇烈程度，溫度越高，界面反應(yīng)越劇烈，潤濕性越好，與鎂在金屬間化合物上的潤濕性無關(guān)；鋅在鎂-鍍鋅鋼的潤濕中，對潤濕性改善的作用十分有限，但會在界面上和三相線附近產(chǎn)生富集。

(3)鎂-鋼界面結(jié)構(gòu)的形成及三相線處鋅的富集滿足體系中各組元在界面上吸附的熱力學(xué)條件。

[1] 丁云鵬, 崔建忠, 樂啟熾, 等. 鎂合金板材的生產(chǎn)歷史與研究現(xiàn)狀[J]. 精密成形工程, 2014, 6(6):7-21.

DING Y P, CUI J Z, LE Q C, et al. Production history and present study of magnesium alloy sheet[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2014, 6(6):7-21.

[2] 文超. 點(diǎn)焊工藝對汽車用鎂/鋼電焊接頭性能的影響[J]. 電焊機(jī), 2014, 44(9):42-44.

WEN C. Effect of spot welding process on mechanical property of Mg/steel dissimilar metal welded joints[J]. Electric Welding Machine, 2014, 44(9):42-44.

[3] 黃勇兵, 李建萍, 黃春平, 等. 鎂和鋼攪拌摩擦焊接頭組織分析[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2013, 34(5):67-70.

HUANG Y B, LI J P, HUANG C P, et al. Microstructure of friction stir welded joint of magnesium and steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2013, 34(5):67-70.

[4] QI X D, SONG G. Interfacial structure of the joints between magnesium alloy and mild steel with nickel as interlayer by hybrid laser-TIG welding[J]. Materials and Design, 2010, 31(1):605-609.

[5] 王紅陽, 張兆棟, 曹賀. 基于鎳合金中間層的鎂/鋼異質(zhì)金屬激光-電弧復(fù)合膠焊技術(shù)[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2014, 35(4):83-86.

WANG H Y, ZHANG Z D, CAO H. Laser-TIG-adhensive hybrid welding of magnesium to steel with Ni alloy interlayer[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(4):83-86.

[6] KOLTSOV A, BAILLY N, CRETTEUR L. Wetting and laser brazing of Zn-coated steel products by Cu-Si filler metal[J]. Journal of Materials Science, 2010, 45(8):2118-2125.

[7] EUSTATHOPOULOS N, NICHOLAS M G, DREVET B. Wettability at High Temperatures[M]. Oxford: Elsevier， 1999.

[8] LI L, TAN C, CHEN Y, et al. Influence of Zn coating on interfacial reactions and mechanical properties during laser welding-brazing of Mg to steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2012, 43(12):4740-4754.

[9] LIU L, XIAO L, FENG J C, et al. The mechanisms of resistance spot welding of magnesium to steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010, 41(10):2651-2661.

[10] WAHBA M, KATAYAMA S. Laser welding of AZ31B magnesium alloy to Zn-coated steel[J]. Materials & Design, 2012, 35:701-706.

[11] PROTSENKO P, TERLAIN A, TRASKINE V, et al. The role of intermetallics in wetting in metallic systems[J]. Scripta Materialia, 2001, 45(12):1439-1445.

[12] EUSTATHOPOULOS N, NICHOLAS M G, DREVET B. Wettability at high temperatures[M]. Oxford: Elsevier, 1999.

[13] SHI L X, SHEN P, ZHANG D, et al. Wetting and evaporation behaviors of molten Mg-Al alloy drops on partially oxidized α-SiC substrates[J]. Materials Chemistry and Physics, 2011, 130(3):1125-1133.

[14] ZHANG R F, SHENG S H, LIN B X. Predicting the formation enthalpies of binary intermetallic compounds[J]. Chemical Physics Letters, 2007, 442(4):511-514.

(本文責(zé)編：楊 雪)

Wetting Behavior of Molten AZ61 Magnesium Alloy on Two Different Steel Plates Under the Cold Metal Transfer Condition

ZENG Cheng-zong,LIN Qiao-li,CAO Rui,CHEN Jian-hong

(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050，China)

The wetting behavior and interfacial microstructures of molten magnesium AZ61 alloy on the surface of two different Q235 and galvanized steel plates under the condition of cold metal transfer were investigated by using dynamic sessile drop method. The results show that the wetting behavior is closely related to the wire feed speed. Al-Fe intermetallic layer was observed whether the substrate is Q235 steel or galvanized steel, and the formation of Al-Fe intermetallic layer should satisfy the thermodynamic condition of such Mg-Al/Fe system. The wettability of molten AZ61 magnesium alloy is improved with the increase of wire feed speed whether on Q235 steel surface or on galvanized steel surface, good wettability on Q235 steel surface is due to severe interface reaction when wire feed speed increases, good wettability on galvanized steel surface is attributed to the aggravating zinc volatilization. When the wire feed speed is ≤10.5m·min-1, the wettability of Mg alloy on Q235 steel plate is better than on galvanized steel plate. However, Zn vapor will result in instability for metal transfer process.

cold metal transfer; magnesium-steel dissimilar metal; wettability; interface structure

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000086

TG444+.2

A

1001-4381(2017)04-0021-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51265028,51301083)

2015-01-19；

2016-09-18

林巧力(1983-)，男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：金屬高溫潤濕性、界面化學(xué)及連接技術(shù)的研究，聯(lián)系地址：甘肅省蘭州市七里河區(qū)蘭州理工大學(xué)校本部(730050)，E-mail: lqllinqiaoli@163.com