鋁/鎂攪拌摩擦焊-釬焊焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

輕質(zhì)鋁和鎂合金在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，合理選用低密度的輕質(zhì)金屬既能降低能耗，又能獲得性能良好的產(chǎn)品[1—3]。鋁合金、鎂合金都具有密度低、比強(qiáng)度高、比彈性模量高、導(dǎo)熱性高等優(yōu)點(diǎn)[4]，在設(shè)計(jì)制造鋁/鎂復(fù)合結(jié)構(gòu)零件的過(guò)程中，對(duì)兩種金屬的焊接是不可避免的。

由于鋁、鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，在晶體結(jié)構(gòu)等物理性能方面存在很大的差異。鋁/鎂異種金屬焊接加工的主要問(wèn)題有易形成金屬間化合物、易產(chǎn)生氣孔、易形成表面氧化膜以及易形成裂紋[5—6]等，這些問(wèn)題在一定程度上對(duì)這兩種金屬在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用帶來(lái)了阻礙，其中影響最大的是接頭中生成的 Al-Mg金屬間化合物[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁/鎂異種金屬的焊接進(jìn)行了大量的研究[8—9]，研究的主要問(wèn)題就是通過(guò)不同的工藝控制兩種金屬在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的金屬間化合物的量和分布，從而提高焊接接頭的性能[10]。日本學(xué)者Rattana Borrisutthekul[11]采用激光焊對(duì)1 mm厚的AZ31B鎂合金板和A5052-O鋁合金板進(jìn)行中心搭接焊接和邊緣搭接焊接，由于在焊縫的底部會(huì)生成Al3Mg2和 Mg17Al12金屬間化合物，使得接頭的強(qiáng)度下降；Takehiko和 Yoshitaka等[12]通過(guò)在 AZ31B鎂合金和 1050純鋁電阻點(diǎn)焊接頭的焊縫中加入Ag中間層，使得在一定的范圍內(nèi)，接頭強(qiáng)度隨著添加 Ag箔的厚度增加而增大。Liuchun Zhong等[13]對(duì) AZ31鎂合金與2024鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，無(wú)中間夾層時(shí)鋁-鎂界面處產(chǎn)生厚度約為5 μm的連續(xù)金屬間化合物層，接頭拉剪載荷僅為0.8 kN。鋅夾層添加后，接頭拉剪載荷提高了75%，達(dá)到1.4 kN。然而，關(guān)于用 FSW 夾雜 Zn的 Al與 Mg的異種合金焊接的報(bào)道比較少，而且關(guān)于接頭處添加Zn中間夾層形成釬焊區(qū)的研究還不夠。

文中提出通過(guò)采用攪拌摩擦焊焊接Al/Mg，并且添加中間層 Zn，一方面降低了焊接熱輸入，另一方面中間層Zn的添加又能抑制異種金屬焊縫中脆性金屬間化合物的產(chǎn)生。研究了中間層Zn對(duì)復(fù)合焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能的影響，為促進(jìn)Al/Mg異種金屬FSW結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

焊接材料為規(guī)格為 200 mm×80 mm×3 mm 的2A12-T4態(tài)鋁合金和經(jīng)過(guò)擠壓、軋制成形的規(guī)格為300 mm×100 mm×4 mm的AZ31變形鎂合金，試驗(yàn)采用的釬料是純度為99.9%的Zn箔，規(guī)格為100 mm×40 mm×0.05 mm。

試驗(yàn)中，攪拌頭采用的是GH4169高溫合金。攪拌頭軸肩為18 mm、攪拌針表面加工有M5的左螺紋，其形狀尺寸見(jiàn)圖1。

表1 2A12鋁合金和AZ31鎂合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 2A12 aluminum alloy and AZ31 magnesium alloy (mass fraction) %

圖1 攪拌頭尺寸Fig.1 Geometric dimensioning of tool

試驗(yàn)采用的焊接形式為搭接，鋁合金置于上側(cè)，在搭接界面添加一層厚度為 0.05 mm的純鋅作為釬料，見(jiàn)圖2。

圖2 焊接示意圖Fig.2 Welding diagram

試驗(yàn)在X53K銑床改裝的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行，焊接速度選擇范圍為23.5～60 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度選擇范圍為 235～600 r/min。

2 結(jié)果分析

2.1 中間層材料Zn對(duì)FSW-B復(fù)合焊接接頭釬焊區(qū)界面組織的影響

典型的FSW-B復(fù)合焊接接頭橫截面宏觀形貌見(jiàn)圖3，分別在界面處取A, B, C, D這4個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，這些區(qū)域分別為搭接區(qū)、軸肩作用邊緣區(qū)、軸肩作用中心區(qū)、攪拌針作用邊緣區(qū)。為了進(jìn)一步對(duì)復(fù)合焊接接頭釬焊區(qū)進(jìn)行分析，對(duì)以上4個(gè)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的組織觀察分析，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 復(fù)合焊接接頭橫截面宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearance of cross section of composite welded joint

圖4a, 4b, 4c, 4d分別為圖2中A, B, C, D各個(gè)區(qū)域的放大圖，從圖 4a可以看出，該處的鋁合金和鎂合金界面存在的釬料Zn保持了原有狀態(tài)。釬料與鋁合金和鎂合金母材都沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，并且在鋁/鋅和鋅/鎂界面之間存在空隙。圖4b中釬料Zn層與母材鋁合金和鎂合金依然存在明顯的邊界，但是 Zn/Mn界面的結(jié)合相對(duì)于圖 4a中略微得到改善。分析認(rèn)為圖 3中A區(qū)由于不在攪拌頭軸間的作用區(qū)，焊接過(guò)程中無(wú)法獲得足夠的熱量則無(wú)法使得釬料Zn達(dá)到熔點(diǎn)，另外由于軸肩作用區(qū)域的鍛壓力也不足，則導(dǎo)致該處易產(chǎn)生縫隙，因此無(wú)法形成良好的釬焊焊縫。隨著位置逐漸靠近攪拌頭軸肩作用區(qū)，溫度和壓力都逐漸增大，如圖4c和4d所示，可以看出，隨著距離攪拌針作用區(qū)越近，中間層釬料Zn的厚度在逐漸減小，直至中間層釬料完全消失，形成了一層與釬料 Zn、鋁合金母材以及鎂合金母材完全不同的組織。

圖4 復(fù)合焊接接頭界面組織結(jié)構(gòu)Fig.4 Interface structure of composite welded joint

為了精確地定性分析在釬焊區(qū)域內(nèi)添加的中間層釬料Zn與母材發(fā)生冶金反應(yīng)之后生成產(chǎn)物的具體物相。選擇了距離焊核區(qū)更近的復(fù)合焊接接頭釬焊區(qū)域，進(jìn)行微區(qū)XRD測(cè)試。測(cè)試區(qū)域如圖5a所示，測(cè)試結(jié)果如圖5b所示。從圖5b可以看出，所測(cè)試的區(qū)域不存在單質(zhì)釬料Zn，而是被Al-Zn, Mg-Zn的金屬間化合物以及固溶體所取代。同時(shí)其中還存在MgZn2這一金屬間化合物，鋁-鎂-鋅三元合金中IMC熱力學(xué)計(jì)算，得出 MgZn2的自由能遠(yuǎn)小于鋁鎂金屬間化合物 Al3Mg2以及 Mg17Al12的自由能[14]。由于 Al3Mg2以及Mg17Al12是脆硬的金屬間化合物，數(shù)量越多焊縫的力學(xué)性能越差。MgZn2雖然是一種較脆的共晶組織，但是 Mg-Zn第二相顆粒的彌散分布特征可以很好地抑制裂紋的擴(kuò)展，Ruigen Gan[15]等的研究中也出現(xiàn)了該化合物，測(cè)試區(qū)域沒(méi)有檢測(cè)到 Al-Mg系金屬間化合物的存在，因此，說(shuō)明添加的中間層釬料 Zn已經(jīng)很好地阻隔了Al和Mg的相互反應(yīng)，從而達(dá)到了減少Al-Mg金屬間化合物量的目的。

2.2 FSW-B復(fù)合焊接接頭微觀組織與性能

不同工藝參數(shù)下異種合金復(fù)合焊接接頭抗拉減力對(duì)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的變化規(guī)律見(jiàn)圖6。可以看出，在相同的焊接速度下，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接接頭的抗拉剪力都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。拉剪力最大時(shí)的加工參數(shù)為焊接速度23.5 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度375 r/min，此時(shí)抗拉剪力達(dá)到了5.5 kN。當(dāng)焊接速度為37.5 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為475 r/min時(shí)，抗拉剪力達(dá)到峰值。由3條曲線可以看出，焊接速度的變化必須與對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度相匹配，才能獲得力學(xué)性能良好的焊接接頭，但是當(dāng)焊接速度為 60 mm/min時(shí)，在不同的旋轉(zhuǎn)速度下焊接接頭的抗拉剪力都比較小，曲線基本沒(méi)有出現(xiàn)峰值。這說(shuō)明了焊接速度與旋轉(zhuǎn)速度的提高，雖然保證了對(duì)焊縫的熱輸入，而對(duì)接頭的機(jī)械攪拌作用以及釬焊范圍卻發(fā)生了改變，釬料的大量熔化導(dǎo)致了進(jìn)入焊核的釬料增多，在軸肩尺寸相同的情況下，釬焊的寬度就相應(yīng)減小了，導(dǎo)致接頭的抗拉剪力減小，所以選擇匹配的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度是獲得優(yōu)良接頭的一個(gè)重要保證。

圖5 復(fù)合焊接接頭釬焊區(qū)微區(qū)XRD測(cè)試結(jié)果Fig.5 XRD test results of micro zone in brazing zone of composite welded joint

圖6 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)異種金屬?gòu)?fù)合焊接接頭抗拉剪力的影響Fig.6 Influences of rotation speed on tensile shear strength of different metal composite welded joints

鋁/鎂異種合金焊接接頭拉伸的載荷和變形曲線見(jiàn)圖7，其中虛線為攪拌摩擦焊-釬焊復(fù)合焊接接頭的拉伸變形曲線，可以看出，隨著載荷的逐漸增大，拉伸變形也在增大，但是當(dāng)拉伸載荷達(dá)到3.5 kN時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)。在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到，此時(shí)接頭的釬焊區(qū)域已經(jīng)完全斷裂，承受載荷的只有攪拌摩擦焊區(qū)域，因此，可以認(rèn)為，在復(fù)合焊接接頭的拉伸過(guò)程中，釬焊區(qū)域能夠首先吸收部分拉伸載荷，對(duì)緩解接頭的斷裂趨勢(shì)有一定輔助作用，MgZn2化合物的存在也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，從而增加了接頭的抗拉剪性能，該結(jié)果與Yuhua Jin等研究中出現(xiàn)的釬料鋅在斷面上的存在降低了裂紋趨勢(shì)的描述相符[15]。FSW-B焊接接頭的斷口宏觀形貌以及SEM分析見(jiàn)圖8。由圖8a可以看出，復(fù)合焊接頭的斷裂發(fā)生在Al/Zn界面。對(duì)圖8a中的區(qū)域B和C進(jìn)行SEM分析，其形貌見(jiàn)圖8b和8c，其中圖8c和圖8e分別對(duì)應(yīng)圖8b和圖8c的放大。從圖8b和圖8c可以看出，斷口宏觀較為光滑，呈現(xiàn)河流花樣，表明接頭斷裂方式為脆性斷裂。這與圖7中復(fù)合焊接接頭的載荷和位移曲線所呈現(xiàn)的結(jié)果相一致，進(jìn)一步得到了驗(yàn)證。從圖8d可以看出，該區(qū)域?yàn)閿嚢枘Σ梁附訁^(qū)域。接頭的斷口宏觀形貌出現(xiàn)了光滑的解理面，對(duì)局部進(jìn)行進(jìn)一步放大，如圖8e所示，可以發(fā)現(xiàn)大量的解理臺(tái)階面和層狀的撕裂棱。對(duì)接頭的斷口分析發(fā)現(xiàn)，在斷口中沒(méi)有出現(xiàn)韌窩等塑性斷裂的特征，而是以河流花樣和解理臺(tái)階為主的脆性斷裂特征，并且，河流花樣主要出現(xiàn)在靠近攪拌針作用的釬焊區(qū)域，而解理臺(tái)階則出現(xiàn)在攪拌針作用的區(qū)域，因此，可以認(rèn)為，復(fù)合焊接接頭的斷裂方式為脆性斷裂。

圖7 焊接接頭的拉伸變形曲線Fig.7 Tensile deformation curve of welded joints

圖8 復(fù)合焊接接頭斷口宏觀形貌SEM分析Fig.8 SEM analysis of fracture morphology of composite welded joint

圖9 圖8c, e區(qū)域的EDS分析Fig.9 EDS analysis in region c and e of Fig.8

對(duì)接頭斷口圖8c區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖 9a。從能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，在斷口區(qū)域內(nèi)存在大量的Al約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的82.55%，而Zn較少約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.89%，同時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Mg元素。由于圖8b為鋁側(cè)，可以認(rèn)為斷裂發(fā)生在偏鋁側(cè)，所以Al元素占比很大，同時(shí)，由于Zn釬料熔化后，在攪拌頭軸肩的作用下被大量擠出，從而Zn在該區(qū)域存在的量較少。對(duì)接頭斷口圖8e區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，其結(jié)果見(jiàn)圖9b。在EDS結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域存在的Al約占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的71.05%，相對(duì)圖8c區(qū)域有所降低，同時(shí)還存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 16.98%的 Mg元素以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.61%的Zn元素，并且Zn元素的含量明顯超過(guò)了AZ31鎂合金母材中Zn元素的量，因此可以斷定，有部分釬料Zn進(jìn)入到了該區(qū)域中。與傳統(tǒng)的采用攪拌摩擦焊焊接鋁/鎂的結(jié)果相比，可以認(rèn)為，在該區(qū)域由于Zn釬料的添加，有效阻止了Mg和Al的相互接觸、反應(yīng)[16]。

3 結(jié)論

1)在復(fù)合焊接接頭的拉伸過(guò)程中，釬焊區(qū)域能夠首先吸收部分拉伸載荷，對(duì)緩解接頭的斷裂趨勢(shì)有一定的輔助作用，能夠增加接頭的抗拉剪性能。拉剪力最大時(shí)的加工參數(shù)為焊接速度為23.5 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為375 r/min，此時(shí)抗拉剪力達(dá)到了5.5 kN。

2)復(fù)合焊接接頭的斷裂方式為脆性斷裂，在斷口區(qū)域內(nèi)存在大量的Al且含少量Zn，同時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有Mg，因此可以認(rèn)為，Zn釬料的添加有效阻止了Mg和Al的相互接觸、反應(yīng)。

3)復(fù)合焊接接頭的釬焊焊縫主要分為搭接區(qū)、固相擴(kuò)散區(qū)、釬焊區(qū)。搭接區(qū)的釬料保持固態(tài)，焊接過(guò)程中沒(méi)有熔化也沒(méi)有形成冶金反應(yīng)；固相擴(kuò)散區(qū)的釬料在焊接過(guò)程中保持固態(tài)，在軸肩的熱和力作用下發(fā)生擴(kuò)散形成連接，釬焊區(qū)的釬料熔化后，與母材發(fā)生冶金反應(yīng)，形成釬焊焊縫。焊縫的主要組成為 Al和Mg與Zn的固溶體以及MgZn2金屬間化合物，沒(méi)有生成Al-Mg系金屬間化合物。