鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊綜述

蔣 勇，崔成武，周培山，賀祥峰

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643010；2.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610500；3.西南石油大學(xué)（南充）工程學(xué)院，四川南充637001；4.成都外國語學(xué)校，四川 成都611731）

鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊綜述

蔣 勇1，崔成武2，周培山3，賀祥峰4

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643010；2.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610500；3.西南石油大學(xué)（南充）工程學(xué)院，四川南充637001；4.成都外國語學(xué)校，四川 成都611731）

鋁鎂合金攪拌摩擦焊中峰值溫度超過Al12Mg17和Al3Mg2形成的共晶溫度，兩種金屬間化合物的形成不可避免。通過將鎂合金置于前進側(cè)、攪拌針偏向鎂合金，采用液氮或水下攪拌摩擦焊，加入中間層過渡金屬等方法可降低攪拌摩擦焊過程中的熱輸入，有效減少焊核區(qū)金屬間化合物的數(shù)量。采用錐形螺紋攪拌針對接、配合直徑約為3.5倍板厚的內(nèi)凹型軸肩可提供適當?shù)臒彷斎?，促進材料塑性流動，增加兩種材料相互交融的程度，提高接頭抗拉強度；超聲輔助攪拌摩擦焊技術(shù)可破壞脆性界面層進而提高接頭強度。

鎂合金；鋁合金；攪拌摩擦焊；工藝參數(shù)

0 前言

鋁合金因其輕量化、耐蝕性好、比強度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1]。鎂合金是一種比鋁合金更輕的有色金屬，比強度和比剛度較高，同時抗震性能和電磁屏蔽性能良好[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，揚長避短，具有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。然而鎂和鋁在晶體結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)性能方面存在差異，兩者之間容易生成各種脆性金屬間化合物；加上其熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和熔點的差異，導(dǎo)致采用熔焊方法焊接鋁鎂異種合金得到的焊縫殘余應(yīng)力大，易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷[3-5]。硬而脆的金屬間化合物也影響接頭的力學(xué)性能，難以獲得理想的焊接接頭[6]。

攪拌摩擦焊（FSW）是由英國焊接研究所于1991年發(fā)明的新型固相連接技術(shù)。焊接過程中母材不熔化，能夠有效地避免氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，對于異種金屬的焊接具有較大優(yōu)勢[7]。鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊主要存在的問題是：接頭界面處金屬間化合物的存在會影響接頭的機械性能，金屬間化合物使界面處硬度陡升陡降，而其硬脆性又使得拉伸過程中接頭在界面處發(fā)生脆斷，降低接頭的機械性能。在鋁鎂異種合金攪拌摩擦焊過程中，金屬間化合物的產(chǎn)生不可避免。目前對于金屬間化合物的產(chǎn)生有兩種觀點：一種認為鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊過程中產(chǎn)生了液相，在液相凝固過程中形成了金屬間化合物；另一種認為鎂鋁異種合金在固相高溫下，通過鎂鋁原子的相互擴散形成金屬間化合物[8]。根據(jù)鋁鎂二元相圖[9]可知，Al12Mg17（γ）和Al3Mg2（β）兩種金屬間化合物分別在437℃與450℃下形成。

基于鋁鎂異種合金的實際工程價值及其攪拌摩擦焊存在的問題，本研究主要探討工藝參數(shù)對鋁鎂異種合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織及機械性能的影響，為今后的研究工作及實際生產(chǎn)提供參考。

1 攪拌頭

攪拌頭是攪拌摩擦焊設(shè)備的重要組成部分，主要分為軸肩和攪拌針兩部分。軸肩直徑、攪拌針形狀和尺寸等因素直接影響攪拌摩擦焊過程中的熱輸入與材料塑性流動，進而對接頭組織、金屬間化合物層尺度與分布、機械性能產(chǎn)生影響。

S.Malarvizhi等人[10]研究了6 mm厚AA6061-T6鋁合金和AZ31B-O鎂合金在轉(zhuǎn)速400 r/min、焊接速度0.33 mm/s的工藝參數(shù)下，不同直徑的軸肩（12 mm、15 mm、18 mm、21 mm、24 mm）對接頭機械性能的影響。結(jié)果表明，采用軸肩直徑為21 mm（3.5倍板厚）的攪拌頭可獲得最大抗拉強度為192 MPa的焊接接頭，焊縫結(jié)合率可達到較低強度母材的89%。

M.Simoncini等人[11]研究了1 mm厚AA5754鋁合金和AZ31鎂合金在不同工藝參數(shù)下的攪拌摩擦焊接頭組織及機械性能。結(jié)果表明：采用無攪拌針攪拌頭焊接異種合金較難；采用帶有攪拌針的攪拌頭可焊接鋁鎂異種合金，在鋁合金置于前進側(cè)、轉(zhuǎn)速為 600～1 400 r/min、焊接速度為 40～300 mm/min時焊縫表面成形良好，機械性能有所提高。

2 工藝參數(shù)

在攪拌摩擦焊對接接頭焊接過程中，主要的工藝參數(shù)種類如圖1所示。工藝參數(shù)的差異引起焊接過程中熱輸入及材料塑性流動的不同，進而影響接頭的顯微組織及機械性能。

圖1 攪拌摩擦焊工藝參數(shù)類別Fig.1 Parameters of friction stir welding

2.1 熱輸入的影響

影響攪拌摩擦焊過程熱輸入的因素很多，主要包括轉(zhuǎn)速、焊接速度、材料位置與攪拌針位置等。轉(zhuǎn)速與焊接速度的匹配對應(yīng)不同的熱輸入；材料的相對位置和攪拌針位置主要影響接頭的材料流動，在一定程度上也會影響熱輸入。

Taiki Morishige等人[12]對比研究3mm厚A5052-H鋁合金和AZ31B鎂合金的激光焊和攪拌摩擦焊，確定了優(yōu)化的攪拌摩擦焊工藝參數(shù)（見圖2）：鋁合金置于前進側(cè)，轉(zhuǎn)速為800～1 600 r/min，焊接速度100～400mm/min。研究結(jié)果表明，A5052-H鋁合金和AZ31B鎂合金采用攪拌摩擦焊的方式結(jié)合率可達61%，明顯高于激光焊接頭；最大硬度值與熱輸入呈線性關(guān)系，采用低熱輸入可抑制Al12Mg17金屬間化合物的形成。

OtmarKlag等人[13]研究了AA5454鋁合金與AZ91鎂合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織及機械性能。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速220～460 r/min、焊接速度10 mm/min時，轉(zhuǎn)速對溫度及成形的影響如圖3所示。焊核區(qū)金屬間化合物相的產(chǎn)生不能避免，界面處形成幾微米厚的高硬度金屬間化合物層；局部熔化區(qū)域發(fā)生在440℃，臨界溫度區(qū)間為430～440℃；大量γ-Al12Mg17與β-Al3Mg2金屬間化合物的存在使得接頭界面層脆化。拉伸試驗中，斷裂沿焊核區(qū)脆性金屬間化合物層擴展。

VAHID FIROUZDOR等人[14]研究了1.6 mm厚6061-T6鋁合金與AZ31B-H24鎂合金的攪拌摩擦焊。結(jié)果表明，鎂合金置于前進側(cè)、且攪拌針偏向鎂合金一側(cè)可使得更多的鎂合金進入焊核區(qū)與鋁合金相互融合，提高機械性能；在低焊速、高旋轉(zhuǎn)速度下，將鎂合金從返回側(cè)換為前進側(cè)可大幅度降低金屬間化合物的數(shù)量；低焊速下，鎂合金置于前進側(cè)可降低熱輸入，不利于金屬間化合物與液態(tài)薄膜的形成，進而提高接頭強度。而高焊速下將鎂合金置于前進側(cè)，會導(dǎo)致焊核區(qū)材料塑性流動不充分，易形成孔洞，從而影響接頭機械性能。

圖2 A5052-H鋁合金與AZ31B鎂合金攪拌摩擦焊工藝窗口[12]Fig.2 Process window of A5052-H/AZ31B by FSW[12]

圖3 轉(zhuǎn)速對AA5454鋁合金與AZ91鎂合金攪拌摩擦焊接頭溫度及成形的影響[13]Fig.3 Effort of rotation speeds on the temperature and formation of the FSW-ed joints between AA5454 and AZ91[13]

M Azizieh等人[15]研究了3mm厚AA110鋁合金和AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織和機械性能。結(jié)果表明，當攪拌針偏向鎂合金一側(cè)時可獲得無缺陷焊縫。由轉(zhuǎn)速與焊接速度的比值可知，接頭的峰值溫度在共晶反應(yīng)溫度范圍內(nèi)（430～460℃），接頭的拉伸性能較好。轉(zhuǎn)速過高時，形成液相更多；焊接速度過低時，材料混合不充分；兩種情況均不利于焊縫的成形。接頭中存在Al3Mg2和Al12Mg17金屬間化合物，轉(zhuǎn)速與焊接速度的比值為28～32時，接頭拉伸性能最好。

2.2 材料及攪拌針位置的影響

攪拌摩擦焊接時通常將較軟的材料置于返回側(cè)。室溫時AZ31鎂合金較軟，在攪拌摩擦焊過程中焊接溫度大于150℃時，鋁合金較軟。研究表明，鎂合金置于前進側(cè)，攪拌針向鎂合金側(cè)偏置可獲得較小的熱輸入[14-17]。G.Buffa等人[18]研究了2 mm厚6061-T6鋁合金與AZ31鎂合金的攪拌摩擦焊。結(jié)果表明，AZ31鎂合金置于前進側(cè)時可獲得良好的焊接接頭，而6061-T6鋁合金置于前進側(cè)時金屬間化合物的數(shù)量顯著增加。

Naotsugu Yamamoto等人[19]研究了4 mm厚AZ31B鎂合金與A5083鋁合金攪拌摩擦焊。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速500 r/min、焊接速度100 mm/min、攪拌針無偏置的焊接參數(shù)下可獲得無缺陷接頭。當攪拌針偏向鋁合金一側(cè)時，金屬化合物的厚度增加；當鎂合金與鋁合金之間相互融合作用受到金屬間化合物層厚度增加的影響時，接頭抗拉強度明顯下降。這說明金屬間化合物層的長大主要受Al、Mg反應(yīng)擴散控制。

2.3 焊接環(huán)境的影響

金屬間化合物的形成與焊接過程中的熱輸入有關(guān)。在鋁鎂異種合金攪拌摩擦焊過程中，當溫度高于共晶溫度時，易在接頭形成Al12Mg17和Al3Mg2，使接頭機械性能變差。在水中或液氮環(huán)境下進行攪拌摩擦焊，通過水或液氮對焊接過程降溫，降低熱輸入，產(chǎn)生的金屬間化合物層厚度明顯小于空氣中攪拌摩擦焊接頭的金屬間化合物層。相同工藝參數(shù)下，水下或液氮環(huán)境中攪拌摩擦焊獲得的接頭機械性能更好[20-22]。

2.4 焊后熱處理的影響

對攪拌摩擦焊接頭進行焊后熱處理會影響接頭金屬間化合物層的厚度變化。隨著熱處理時間的延長，金屬間化合物層厚度增加，不利于接頭機械性能。

Pooya POURAHMAD等人[23]研究了焊后熱處理對10 mm厚6063鋁合金和純鎂攪拌摩擦焊接頭的影響。結(jié)果表明，焊縫上部經(jīng)歷軸肩的擠壓和高溫作用，形成了 2 μm 厚的 Al3Mg2或 β 相（w（Al）=63.93%，w（Mg）=36.07%）；經(jīng)過1 h或者 2 h熱處理后，Al3Mg2金屬間化合物層厚度分別為4μm和12μm；經(jīng)過4h熱處理后，Mg與β相之間形成新的金屬間化合物 Al12Mg17，γ（w（Al）=43.24%，w（Mg）=56.76%）和β金屬間化合物層厚度約為23 μm。1h熱處理后試樣的抗拉強度增加，主要是由于應(yīng)力釋放大于新的熱膨脹應(yīng)力。隨著熱處理時間的繼續(xù)增加，接頭抗拉強度降低，主要是由于β相厚度的增加與新的脆性γ金屬間化合物相的形成。

2.5 其他因素的影響

由于鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊接頭易產(chǎn)生脆性金屬間化合物，采用添加中間層金屬作為過渡層的方式可有效降低金屬間化合物的含量，在兩工件間添加填充層[24]或通過冷噴涂方式[25]將中間層置于待焊工件表面。焊接完成后，在界面處形成平緩的過渡，有利于提高接頭機械性能。

隨著對結(jié)構(gòu)件性能要求的不斷提高，復(fù)合式焊接方法逐步得到推廣。超聲輔助攪拌摩擦焊[26]、紅外熱源輔助攪拌摩擦焊[27]等焊接方法有效地提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）鋁鎂合金攪拌摩擦焊過程中的峰值溫度超過Al12Mg17和Al3Mg2形成的共晶溫度，這兩種金屬間化合物的形成不可避免。焊接接頭因金屬間化合物層的硬脆性易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，拉伸過程中易形成沿金屬間化合物層的脆斷。

（2）兩種合金對接時，采用錐形螺紋攪拌針，匹配合直徑約為3.5倍板厚的內(nèi)凹型軸肩可提供適當?shù)臒彷斎耄龠M材料塑性流動，增加兩種材料相互交融的程度，提高接頭抗拉強度。

（3）鎂合金置于前進側(cè)、攪拌針偏向鎂合金可降低攪拌摩擦焊過程中的熱輸入，降低金屬間化合物的含量；液氮或水下攪拌摩擦焊可降低峰值溫度，加快冷卻速度，顯著減少金屬間化合物的形成；攪拌摩擦焊中加入中間層過渡金屬可有效減少焊核區(qū)金屬間化合物數(shù)量。超聲輔助攪拌摩擦焊技術(shù)可破壞脆性界面層，進而提高接頭強度。

[1]Chen Y H，Quan N I.Interface characteristic of friction stir welding lap joints of Ti/Al dissimilar alloys[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22（2）：299-304.

[2]Shang J，Wang K，Zhou Q，et al.Microstructure characteristics and mechanical properties of cold metal transfer welding Mg/Al dissimilar metals[J].Materials&Design，2012（34）：559-565.

[3]Scherm F，Bezold J，Glatzel U.Laser welding of Mg alloy MgAl3Zn1（AZ31） to Al alloy AlMg3（AA5754）using ZnAl filler material[J].Science&Technology of Welding&Joining,2013，17（5）：364-367.

[4]Liu F，Ren D，Liu L.Effect of Al foils interlayer on microstructures and mechanical properties of Mg Al butt joints welded by gas tungsten arc welding filling with Zn filler metal[J].Materials&Design，2013，46（4）：419-425.

[5]Liu L，Liu X，Liu S.Microstructureof laser-TIGhybridwelds of dissimilar Mg alloy and Al alloy with Ce as interlayer[J].Scripta Materialia，2006，55（4）：383-386.

[6]Liu L，Ren D，Liu F.A Review of Dissimilar Welding Techniques for Magnesium Alloys to Aluminum Alloys[J].Materials，2014，7（5）：3735-3757.

[7]Thomas W M.Friction Stir Butt Welding[P].International Patent Application No.PCT/GB92/02203 and GB patent application，No.9125978.8，1991.

[8]Kostka A，Coelho R S，Santos J D，et al.Microstructure of friction stir weldingofaluminiumalloytomagnesiumalloy[J].Scripta Materialia，2009，60（11）：953-956.

[9]BakerH，OkamotoH.ASMHandbookVolume03-AlloyPhase Diagrams[M].ASM International:MaterialsPark，OH，USA，1992.

[10]Malarvizhi S，Balasubramanian V.Influences of tool shoulder diameter to plate thickness ratio（D/T）on stir zone formation and tensile properties of friction stir welded dissimilar joints of AA6061 aluminum AZ31B magnesium all-oys[J].Materials&Design，2012（40）：453-460.

[11]Simoncini M，F(xiàn)orcellese A.Effect of the welding parameters and tool configuration on micro and macro-mechanical properties of similar and dissimilar FSWed joints in AA5754and AZ31 thin sheets[J].Materials&Design，2012（41）：50-60.

[12]Morishige T，Kawaguchi A，Tsujikawa M，et al.Dissimilar welding of Al and Mg alloys by FSW[J].Materials Transactions，2008，49（5）：1129-1131.

[13]Wagner G，Klag O，Grobner J，et al.Microstructural and ther-modynamic investigations on friction stir welded Mg/Aljoints[J].International Journal of Materials Research，2014，105（2）：145-156.

[14]Firouzdor V，Kou S.Al-to-Mg Friction Stir Welding：Effectof MaterialPosition，TravelSpeed，andRotationSpeed[J].Metallurgical&Materials Transactions A，2010，41（11）：2914-2935.

[15]Azizieh M，Alavijeh A S，Abbasi M，et al.Mechanical properties and microstructural evaluation of AA1100 to AZ31 dissimilar friction stir welds[J].Materials Chemistry&Physics，2016（170）：251-260.

[16]Firouzdor V，Kou S.Al-to-Mg Friction Stir Welding:Effect of Positions of Al and Mg with Respect to the Welding Tool[J].Welding Journal，2009，88（11）：213S-224S.

[17]梁志遠，陳科，王小娜，等.攪拌針偏鎂對鋁鎂異種材料間攪拌摩擦焊接接頭性能的影響[C].第十六次全國焊接學(xué)術(shù)會議論文摘要集，2011.

[18]Buffa G，Baffari D，Caro A D，et al.Friction stir welding of dissimilar aluminium magnesium joints:sheetmutual position effects[J].Science&Technology of Welding&Joining，2015，20（4）：271-279.

[19]Yamamoto N，Liao J，Watanabe S，et al.Effect of Intermetallic Compound Layer on Tensile Strength of Dissimilar Friction-Stir Weld of a High Strength Mg Alloy and Al Alloy[J].Materials Transactions，2009，50（12）：2833-2838.

[20]Zhao Y，Lu Z，Yan K，et al.Microstructural characterizations and mechanical properties in underwater friction stir welding of aluminum and magnesium dissimilar alloys[J].Materials&Design，2015（65）：675-681.

[21]Mofid M A，Abdollah-Zadeh A，Ghaini F M.The effect of water cooling during dissimilar friction stir welding of Al alloy to Mg alloy[J].Materials&Design，2012（36）：161-167.

[22]Mofid M A，Abdollah-Zadeh A，Gür C H.Investigating the formation of intermetallic compounds during friction stir welding of magnesium alloy to aluminum alloy in air and under liquid nitrogen[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，71（5-8）：1493-1499.

[23]Pourahmad P，Abbasi M.Materials flow and phase transformation in friction stir welding of Al 6013/Mg[J].Transactions of Nonferrous MetalsSocietyof China，2012，23（2012）：1253-1261.

[24]Chang W S，Rajesh S R，Chun C K，et al.Microstructure and Mechanical Properties of Hybrid Laser-Friction Stir Welding between AA6061-T6 Al Alloy and AZ31 Mg Alloy[J].JournalofMaterialsScience&Technology，2011，27（3）：199-204.

[25]Iii V K C，West M K，Rokni M R，et al.JoiningofCastZE41A Mg to Wrought 6061 Al by the Cold Spray Process and Friction Stir Welding[J].Journal of Thermal Spray Technology，2015（25）：1-17.

[26]Sorj B.Realization of Al/Mg-Hybrid-Joints by Ultrasound SupportedFrictionStirWelding-MechanicalProperties，Microstructure and Corrosion Behavior[J].Advanced Materials Research，2014（966-967）：521-535.

[27]陳崢，劉崢.厚板鋁/鎂合金紅外熱源輔助攪拌摩擦焊力學(xué)性能與組織分析[J].焊接技術(shù)，2014（09）：9-11.

Review on friction stir welding of magnesium and aluminum dissimilar alloys

JIANG Yong1，CUI Chengwu2，ZHOU Peishan3，HE Xiangfeng4
（1.Atlantic China Welding Consumables，Inc，Zigong 643010，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；3.School of Engineering，Southwest Petroleum University，Nanchong 637001，China；4.Chengdu Foreign Languages School，Chengdu 611731，China）

Because the peak welding temperature of the Al-Mg dissimilar friction stir welding（FSW）exceeds the eutectic temperature of Al12Mg17and Al3Mg2，formation of these two intermetallic compounds（IMC）is invitable.However，the heat input of FSW process and the amount of IMC can be reduced by placing the magnesium alloy on the advancing side，transfering the pin into magnesium alloy，crarrying out the FSW process in the water or liquid nitrogen and employing a third transition material.The tapered threaded pin and a concave shoulder with the diameter of 3.5 times of the thickness of plate can provide the proper heat input and promote the material flow，as a consequence，the intermixing of these two materials and the tensile strength of the joint will increase.Ultrasound supported friction stir welding can also break the brittle interface layer and improve the joint strength.

magnesium alloy；aluminium alloy；friction stir welding；process parameters

TG453+.9

C

1001-2303（2017）10-0104-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.22

本文參考文獻引用格式：蔣勇，崔成武，周培山，等.鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊綜述[J].電焊機，2017，47（10）：104-108.

2017-01-20；

2017-09-01

蔣 勇（1967—），男，高級工程師，碩士，主要從事焊接新材料的研發(fā)管理工作。E-mail：814320915@qq.com。