AZ31鎂合金與鋼異種金屬的焊接技術(shù)

徐榮正，國(guó)旭明，柏冬梅,王以霖

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136）

AZ31鎂合金與鋼異種金屬的焊接技術(shù)

徐榮正，國(guó)旭明，柏冬梅,王以霖

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136）

采用電阻點(diǎn)焊作為熱源，進(jìn)行AZ31鎂合金與Q235鋼的直接連接。通過掃描電鏡、金相顯微鏡以及萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)分析與測(cè)試鎂-鋼點(diǎn)焊接頭的微觀組織、界面特性以及拉剪性能。研究表明，雖然鎂和鐵之間幾乎不能互溶和形成金屬間化合物，但氧和鋁元素在鎂合金-鋼直接電阻點(diǎn)焊中起決定性作用，在鎂-鋼界面某些區(qū)域促進(jìn)了以鎂、鋁、氧以及鐵元素組成的復(fù)雜元素?cái)U(kuò)散層的形成，而鎂、鋼之間物理性能的巨大差異在一定程度上限制了界面反應(yīng)的均勻性，接頭拉剪強(qiáng)度約為40 MPa。

電阻點(diǎn)焊；鎂合金；鋼；直接連接

0 前言

近年來(lái)，最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料——鎂合金和應(yīng)用最廣泛的金屬——鋼之間形成的多元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因在促進(jìn)汽車輕量化中發(fā)揮的作用，越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1]。鎂-鋼的焊接技術(shù)無(wú)疑在其中發(fā)揮了重要作用。目前，多種焊接技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)鎂-鋼異質(zhì)金屬之間的連接，例如激光-電弧復(fù)合焊接、激光深熔釬焊以及攪拌摩擦焊等[2-4]。

電阻點(diǎn)焊技術(shù)因具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，迄今仍是航空航天領(lǐng)域的主要焊接方法之一[5-6]。Liu等人已經(jīng)采用電阻點(diǎn)焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鎂合金與鍍鋅鋼板之間的連接，證實(shí)了鎂-鋼電阻點(diǎn)焊連接的可行性，其中鍍鋅層起到促進(jìn)鎂-鋼潤(rùn)濕以及結(jié)合的作用[7]。由于鎂和鐵不僅在電阻率、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)等熱物理性能差異很大，而且更為重要的是二者之間幾乎不能互溶且不存在鎂-鋼金屬間化合物，因此純鎂與鋼進(jìn)行直接電阻點(diǎn)焊十分困難。Miao等人在鎂-鋼的激光深熔釬焊研究中發(fā)現(xiàn)，可以利用鎂合金中的合金元素與鋼之間形成擴(kuò)散層，實(shí)現(xiàn)鎂-鋼之間的連接[8]，但是鎂合金-鋼之間直接電阻點(diǎn)焊連接的研究，目前還少見報(bào)道。

在此采用含鋁元素較高的AZ31鎂合金與鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的可行性研究，觀察接頭的微觀組織，測(cè)試接頭的機(jī)械性能并分析鎂-鋼界面的形成機(jī)理，為電阻點(diǎn)焊技術(shù)在鎂-鋼焊接領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)和奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與過程

試驗(yàn)選用的鎂合金母材為2 mm厚軋制態(tài)的AZ31板材，其化學(xué)成分如表1所示；選用的鋼材為常見的1.2 mm厚Q235低碳鋼板材，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 AZ31鎂合金絲材的化學(xué)成分Table 1 Composition of AZ31 Mg alloy wire %

表2 Q235B鋼的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of Q235B %

焊接前，為了獲得相同的表面狀態(tài)，先用400號(hào)金相砂紙打磨試樣表面去除氧化膜，再用丙酮清洗表面以去除油污，然后按鎂板在上、鋼板在下的方式裝配試樣，搭接面積10 mm×15 mm，采用普通的工頻交流電焊機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。所用電極是球面半徑20 mm、電極頭端面直徑8 mm的標(biāo)準(zhǔn)銅-鉻合金電極，其成分為Cu-1.0%Cr，硬度130 HV，并進(jìn)行時(shí)效處理。試驗(yàn)參數(shù)為焊接電流7 100 A，焊接時(shí)間0.4 s，電極壓力1 100 N。

1.2 微觀組織分析與機(jī)械性能測(cè)試

焊接后，垂直于試樣表面并沿熔核中心方向?qū)⒔宇^剖開作為金相試樣，其橫截面相繼經(jīng)過200、400、600、800、1000及1200號(hào)砂紙磨制、拋光后采用以2 ml乙酸+4 ml硝酸+80 ml乙醇配制成的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，通過金相和掃描電鏡分析各區(qū)的微觀組織，采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭的拉剪切性能，并用掃描電鏡觀察其斷面位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接接頭成形

AZ31鎂合金-Q235鋼直接電阻點(diǎn)焊的宏觀接頭形貌如圖1所示。由圖1b、1c可知，鎂合金側(cè)與鋼側(cè)均能形成成形良好的點(diǎn)接頭，鎂合金側(cè)由于熔點(diǎn)低，在電阻熱作用下，凹陷的程度明顯大于熔點(diǎn)較高的鋼側(cè)。由接頭宏觀形貌分析可知，整個(gè)接頭在點(diǎn)焊過程中，由于鎂合金與鋼兩種金屬在析熱與散熱方面的差異，熔核向鎂合金一側(cè)發(fā)生明顯偏移。

圖1 鎂合金與鋼直接電阻點(diǎn)焊接頭形貌Fig.1 Weld bead of resistance spot welding of Mg to steel

2.2 點(diǎn)焊接頭拉剪強(qiáng)度測(cè)試

取3組鎂-鋼直接電阻點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，接頭的拉剪強(qiáng)度可達(dá)40 MPa。圖2是掃描電鏡下的鎂-鋼直接點(diǎn)焊接頭斷裂位置放大圖片，由圖可知，斷裂發(fā)生在鎂-鋼結(jié)合面。但是斷裂面在放大倍數(shù)下觀察時(shí)呈現(xiàn)不光滑斷裂的界面特征，一小部分鎂合金殘留在鋼側(cè)。由強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果和界面形貌可判斷，雖然鎂元素和鐵元素之間幾乎不能互溶且不存在鎂-鋼金屬間化合物，但是合金中其他元素可以在鎂-鋼連接方面起到重要作用，具體作用機(jī)制將在下一節(jié)中進(jìn)行深入研究。

表3 鎂合金-鋼接頭的拉伸強(qiáng)度Table 3 Tensile strength of Mg-steel joint

2.3 點(diǎn)焊接頭微觀組織分析

2.3.1 鎂側(cè)接頭微觀組織分析

圖2 鎂合金與鋼直接電阻點(diǎn)焊斷裂位置Fig.2 Fracture location of joint of Mg to steel

鎂合金一側(cè)接頭的微觀組織照片如圖3a所示，鎂側(cè)接頭可分為明顯的三個(gè)區(qū)域，即熔核區(qū)、熱影響區(qū)和基本區(qū)。鎂合金側(cè)熔核邊界區(qū)的微觀組織如圖3b所示，熔合區(qū)的晶粒以胞晶狀樹枝晶形態(tài)為主。晶體形貌主要受液相中實(shí)際溫度梯度、凝固速度和溶質(zhì)濃度三個(gè)因素的影響。鎂合金熱導(dǎo)率大，是熱的良導(dǎo)體。點(diǎn)焊斷電以后，由于熔核周圍母材和銅電極的冷卻作用，熔核邊緣液態(tài)金屬溫度下降得很快，因此其過冷度很大，使晶體首先依附于未熔化的母材晶粒形核。此時(shí)，固-液界面前方存在一個(gè)窄的成分過冷區(qū)，使晶體以更快的速度向前長(zhǎng)大，凸起部分的快速生長(zhǎng)導(dǎo)致凹陷部分溶質(zhì)進(jìn)一步富集。溶質(zhì)富集降低了凹陷區(qū)域液態(tài)金屬的液相線溫度和過冷度，從而抑制凸起晶體的橫向生長(zhǎng)，形成胞狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)[9]。鎂合金側(cè)熔核內(nèi)部的微觀組織如圖3c所示，在靠近界面的區(qū)域組織呈現(xiàn)胞狀等軸晶的特征。隨著凝固的進(jìn)行，固-液界面前沿溶質(zhì)濃度進(jìn)一步增加，由于熔核中心散熱較慢以及結(jié)晶潛熱的釋放，溫度梯度較小，從而產(chǎn)生了較大范圍的成分過冷，形成了包狀等軸晶的組織。鎂合金側(cè)熱影響區(qū)的微觀組織如圖3d所示。與其他關(guān)于鎂合金的焊接方法類似，熱影響區(qū)由于熱的作用，仍然會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。

圖3 點(diǎn)焊接頭中鎂合金側(cè)微觀組織Fig.3 Microstructure of Mg alloy side in the resistance spot weld joint

2.3.2 鋼側(cè)接頭微觀組織分析

鋼側(cè)微觀組織的金相圖片見圖4。由圖可知，界面區(qū)域有些位置的鋼呈現(xiàn)明顯的熔化狀態(tài)。鋼側(cè)的微觀組織也由細(xì)晶向粗晶轉(zhuǎn)變，即熱影響區(qū)中由珠光體和鐵素體組成的混合組織的晶粒尺寸逐漸增大。

由鎂合金側(cè)和鋼側(cè)的微觀組織分析可知，在鎂-鋼電阻點(diǎn)焊過程中，主要熔核過程發(fā)生在鎂合金一側(cè)。即鎂合金側(cè)在界面處的熔化、鋪展以及元素的擴(kuò)散在整個(gè)連接過程中起到最為關(guān)鍵的作用。而鋼側(cè)僅在界面的微小區(qū)域內(nèi)發(fā)生熔化、反應(yīng)，因此鎂合金和鋼在電阻點(diǎn)焊中析熱、散熱以及物理性能上的巨大差異使整個(gè)點(diǎn)焊熔核發(fā)生了明顯的偏移。

圖4 點(diǎn)焊接頭中鋼側(cè)微觀組織Fig.4 Microstructure of steel side in the resistance spot weld joint

2.3.3 鎂-鋼接頭界面組織與元素?cái)U(kuò)散分析

鎂-鋼電阻點(diǎn)焊接頭界面處的掃描電鏡圖片如圖5所示。鎂合金和鋼界面在放大倍數(shù)下呈現(xiàn)出不同的界面形貌。一方面，在一些位置上出現(xiàn)了明顯的界面缺陷，這些缺陷在一定程度上影響了鎂合金與鋼在界面位置的結(jié)合。這是因?yàn)殒V合金和鋼在熔點(diǎn)上相差較大，而且鎂與鐵的相容性以及潤(rùn)濕性不好，導(dǎo)致二者在界面熔化直至凝固的過程中容易出現(xiàn)界面位置的缺陷[10]。另一方面，鎂-鋼界面在某些位置上形成了良好的結(jié)合，采用線分析的方式進(jìn)一步研究二者之間的元素?cái)U(kuò)散關(guān)系。圖6是圖5中直線所示位置的鎂、鐵、氧以及鋁元素的線分析結(jié)果。由圖6可知，鎂元素含量在界面位置快速下降，而鐵元素含量則呈反向的上升趨勢(shì)；此外，在界面位置出現(xiàn)了氧和鋁元素的富集。由此可見，雖然鎂和鐵元素之間不能互溶或者形成金屬間化合物，但是其他合金元素在鎂-鋼之間的連接方面起到了重要作用。點(diǎn)焊過程中，界面位置溫度很高，以致鋼會(huì)發(fā)生部分熔化，這加劇了鎂的蒸發(fā)以及與氧的結(jié)合能力。鐵元素會(huì)以還原反應(yīng)的方式進(jìn)入到由氧化鎂形成的界面層且與合金中偏析在界面的鋁元素發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)鎂-鋼之間的結(jié)合，在激光焊接鎂-鋼的研究中也證實(shí)了上述結(jié)合機(jī)理[2]。雖然鎂-鋼之間可以由合金元素作用的形式連接在一起，但是鎂和鐵之間巨大的物理性能差異限制了二者之間反應(yīng)的均勻性，在一定程度上限制了鎂-鋼之間的連接強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）利用合金元素的作用，普通的電阻點(diǎn)焊技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)AZ31鎂合金-Q235鋼之間的點(diǎn)焊連接，接頭的拉剪強(qiáng)度達(dá)到約40 MPa。

圖5 鎂-鋼點(diǎn)焊接頭界面微觀組織Fig.5 Microstructure of interface between Mg and steel

圖6 鎂-鋼界面處的元素分布Fig.6 Line analysis along scanning line in Fig.5

（2）鎂-鋼直接電阻點(diǎn)焊接頭中，熔核不均勻，主要是以鎂合金側(cè)的熔化為主，鎂合金熔核中心為包狀等軸晶組織，邊界為胞狀樹枝晶組織。

（3）鎂-鋼直接點(diǎn)焊接頭中，鋁和氧元素在鎂和鋼的連接中起決定性作用，在鎂-鋼界面位置形成了以鎂、氧、鋁以及鐵四種元素組成的復(fù)雜擴(kuò)散層，但是鎂-鋼界面反應(yīng)的不均勻性限制了鎂-鋼接頭的強(qiáng)度。

[1]龍偉民，李濤，鐘素娟.焊接技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].電焊機(jī)，2004，34（6）：1-3.

[2]Miao Y G，Han D F，Yao J Z，et al.Effect of laser offsets on joint performance of laser penetration brazing for magnesium alloy and steel[J].Materials and Design，2010，31（6）：3121-3126.

[3] 趙旭，宋剛，劉黎明.鎂和鋼異種金屬熔焊接頭微觀組織分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（12）：53-56.

[4]Elthalabawy W M，Khan T I.Microstructural development of diffusion-brazed austenitic stainless steel to magnesium

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The resistance spot welding of AZ31 magnesium alloy to steel

XU Rongzhen，GUO Xuming，BAI Dongmei，WANG Yilin
（School of Materials Science and Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

AZ31 magnesium alloy and Q235 mild steel were joined using resistance spot welding.The microstructure,interface characteristics and mechanical properties were examined by scanning electron microscope，metallurgical microscope and the universal testing machine.Studies show that magnesium and iron are nearly zero solubility，but the oxygen and aluminum elements play a decisive role in the direct joining of the magnesium alloy and steel，which promotes the formation of a complex diffusion layer composed of magnesium，aluminum，oxygen and iron elements at some regions of Mg-steel interface.The great difference between Mg and steel in their melting physical properties limits the uniformity of the interfacial reaction，and tensile shear strength of joint is about 40 MPa.

resistance spot welding；Mg alloy；steel；direct joining

TG115.28

A

1001－2303（2017）03－0063-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.12

獻(xiàn)

徐榮正，國(guó)旭明，柏冬梅，等.AZ31鎂合金與鋼異種金屬的焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：63-66，87.

2016-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（51601121）；遼寧省自然科學(xué)基金（201602570）；遼寧省教育廳項(xiàng)目（L201624）

徐榮正（1981—），男，遼寧大連人，講師，博士，主要從事輕質(zhì)合金的焊接與熱噴涂的研究。