Mg-1Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接試驗(yàn)研究

徐安蓮

（1 廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 東莞：523808；2 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢：430074）

攪拌摩擦焊接，作為一種固相焊接技術(shù)，在鋁合金、鎂合金、銅等有色金屬焊接方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。鎂合金是一種極具應(yīng)用潛力的輕合金。Mg-Al-Sn系鎂合金由于具有較好的綜合性能且不含貴重的稀土元素，吸引了很多人的研究興趣。Mg-Al-3Sn鎂合金是一種備受業(yè)界關(guān)注的Mg-Al-Sn系鎂合金。我們都知道焊接對(duì)于輕合金大規(guī)模市場(chǎng)化至關(guān)重要。但是，目前關(guān)于Mg-Al-3Sn鎂合金焊接的研究還較少[1-3]。為此，筆者采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行了Mg-1Al-3Sn鎂合金板材的攪拌摩擦焊接試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料：擠壓態(tài)Mg-1Al-3Sn鎂合金板材，尺寸為200mm×100mm×3mm（長(zhǎng)×寬×高），板材室溫抗拉強(qiáng)度為236 MPa。

采用的焊接設(shè)備為廣東柳泰焊接科技有限公司生產(chǎn)的LT-XJ16-1510-03型靜龍門攪拌摩擦焊接設(shè)備。攪拌頭由模具鋼制作而成，軸肩直徑10 mm，攪拌針長(zhǎng)度2.7 mm，焊接傾角2.5°，旋轉(zhuǎn)速度分別為800、900、1000、1100、1200 r/min，焊接速度分別為120、180、240、300、360 mm/min。

焊接接頭的X光無損檢測(cè)采用CDZ-320ZD-A型工業(yè)探傷儀。力學(xué)性能參照國(guó)標(biāo)GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》[4]，采用三思CMT-5105型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為室溫，拉伸速度1mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在800～1200 r/min、焊接速度在120～360 mm/min范圍時(shí)，Mg-Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭都較為光亮，飛邊較少，表面無明顯的溝槽、孔洞等缺陷，接頭成型性較好。經(jīng)過X光無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，所有焊接接頭的內(nèi)部也無缺陷，較為致密。我們可以認(rèn)為在較寬的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，可以獲得無缺陷的Mg-Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭。

經(jīng)過室溫拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Mg-1Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭的室溫抗拉強(qiáng)度在190～217 MPa之間，接頭效率（即焊接接頭抗拉強(qiáng)度與被焊母材抗拉強(qiáng)度的百分比）達(dá)到80.5～91.9%。拉伸試樣結(jié)果進(jìn)一步說明，可以在較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，Mg-Al-3Sn鎂合金獲得較高性能的攪拌摩擦焊接頭，可以成功實(shí)現(xiàn)Mg-1Al-1Sn鎂合金無缺陷的對(duì)接焊。對(duì)于Mg-Al-3Sn鎂合金而言，攪拌摩擦焊接是一種較為適用的焊接方法。作為一種新型的固相焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊接對(duì)于鎂合金等輕質(zhì)有色金屬及其合金的焊接極具應(yīng)用價(jià)值。在攪拌摩擦焊接過程中，旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩直徑、攪拌頭傾角、攪拌針長(zhǎng)度等參數(shù)都會(huì)對(duì)攪拌摩擦焊接頭性能產(chǎn)生影響[5]。其中攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度是兩個(gè)極其重要的焊接工藝參數(shù)。

攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于攪拌摩擦焊接過程中的產(chǎn)熱有著極其重要的影響。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，適當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)速度，有利于增大攪拌摩擦焊過程中產(chǎn)生的摩擦熱，從而促進(jìn)被焊母材內(nèi)部的熱塑性流動(dòng)，提高焊接接頭的性能；但是如果旋轉(zhuǎn)速度過高，可能導(dǎo)致被焊母材的內(nèi)部溫度過高，引起組織粗化、焊核區(qū)局部軟化等問題[6-7]。但是，我們需要注意的是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于焊接接頭性能的影響不是單一或者獨(dú)立的。

因?yàn)榧幢闶窍嗤牟牧?，?dāng)我們采用焊接設(shè)備不一樣、或者采用的攪拌頭不一樣，都有可能使得最佳攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度不一樣。

所以，在實(shí)際的工藝參數(shù)選擇過程中，我們需要綜合考慮攪拌摩擦焊接設(shè)備、攪拌頭、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度等因素來考慮焊接過程的產(chǎn)熱。

確保被焊母材在焊接過程中有足夠的熱輸入，同時(shí)還要避免發(fā)生過熱情況，只有這樣才能獲得較佳的焊接接頭，獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭。

焊接速度對(duì)于攪拌摩擦焊接過程中的生產(chǎn)效率有著極其重要的影響。

在其它工藝參數(shù)不變的情況下，適當(dāng)提高焊接速度，有利于提高生產(chǎn)效率；但是如果焊接速度過快，可能導(dǎo)致摩擦熱不夠，不能形成有效的熱塑性流動(dòng)層，導(dǎo)致孔洞等缺陷的產(chǎn)生。

另一方面，過快的焊接速度對(duì)焊接設(shè)備和操作人員都會(huì)提出更高的要求[8]。與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一樣，焊接速度對(duì)于焊接接頭性能的影響也不是單一或者獨(dú)立的。因?yàn)榧幢闶窍嗤牟牧希?dāng)我們采用焊接設(shè)備不一樣、或者采用的攪拌頭不一樣，都有可能使得最佳焊接速度不一樣。

所以，在實(shí)際的工藝參數(shù)選擇過程中，我們需要綜合考慮攪拌摩擦焊接設(shè)備、攪拌頭、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度等因素來考慮焊接過程的產(chǎn)熱，從而確保獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭。

3 結(jié)論

鎂合金焊接是一個(gè)極其重要的技術(shù)課題，有著極其重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。如何獲得高性能的鎂合金焊接接頭，是鎂合金商業(yè)化應(yīng)用過程中面臨的一個(gè)重要問題。通過不同工藝參數(shù)下的Mg-1Al-3Sn鎂合金平板對(duì)接攪拌摩擦焊接試驗(yàn)，知道Mg-1Al-3Sn鎂合金在較寬的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)都可以獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭，接頭效率高達(dá)91.9%。

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[2]F.S.Pan,A.L.Xu,J.H.Ye,et al.Effects of rotation rate on microstructure and mechanical properties of friction stir welded Mg-5Al-1Sn magnesium alloy.Int J Adv Manuf Technol,2017,91(1-4):389-397,doi:10.1007/s00170-016-9752-4.

[3]A.L.Xu,F.S.Pan,X.Q.Jiang,et al.Microstructure and properties of friction stir welded Mg-1Al-xSn-0.3Mn magnesium alloys.Mater Sci Forum,2015,816:349-355.doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.816.349.

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[5]王國(guó)慶,趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊接[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2010:145-167.

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[7]姬書得,孟祥晨,黃永憲,等.攪拌頭旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律[J].焊接學(xué)報(bào),2015,36(1):51-54.

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