鋁-鎂異種金屬對(duì)接攪拌摩擦焊斷裂行為分析

周春東，周琦，孫宏宇

(1. 常州大學(xué) 懷德學(xué)院，江蘇 常州 213016； 2. 南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型固相連接技術(shù)，利用攪拌頭與焊件擠壓摩擦生熱和材料塑性變形熱軟化材料，將高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，獲得攪拌摩擦焊焊縫[1-3]。與熔焊相比，焊接溫度一般低于焊件材料熔點(diǎn)，合金元素?zé)龘p傾向低；焊縫平整，變形小；無需填充材料，節(jié)約資源。目前，在輕金屬-鋁合金焊接領(lǐng)域應(yīng)用成熟。

鋁合金和鎂合金是目前最具應(yīng)用前景的輕型有色金屬材料[4-5]。但是，由于鋁合金和鎂合金都屬于共晶合金，而且線膨脹系數(shù)大、熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)高，采用傳統(tǒng)的熔焊方法進(jìn)行焊接時(shí)，容易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、合金元素?zé)龘p和焊縫區(qū)軟化等問題，嚴(yán)重阻礙了鋁合金和鎂合金在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的使用[6-7]。而攪拌摩擦焊低熱輸入特點(diǎn)決定了其在異種材料焊接領(lǐng)域抑制脆性相生成的優(yōu)勢(shì)，通過攪拌摩擦焊獲得性能良好的焊接接頭，充分發(fā)揮鎂、鋁合金各自的性能優(yōu)勢(shì)，這將進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金作為結(jié)構(gòu)件在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。但鎂/鋁異種金屬攪拌摩擦焊的研究依然十分迫切，鎂/鋁攪拌摩擦焊接頭中常見孔洞、隧道等缺陷，同時(shí)鋁鎂金屬間化合物的生成也降低了接頭的力學(xué)性能，所以鎂鋁異種金屬攪拌摩擦焊仍然需要進(jìn)一步的深入研究。

前期以6mm厚的6061鋁合金和AZ31鎂合金板材的異種材料攪拌摩擦焊接試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在旋轉(zhuǎn)速度為900r/min，焊接速度為50mm/min時(shí)獲得表面成型良好的對(duì)接焊縫，但是其焊接強(qiáng)度較低。為分析其低強(qiáng)的原因，本文利用掃描電子顯微鏡、EDS能譜儀、X射線衍射儀等手段研究其焊縫的斷裂行為及其機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用6061鋁合金和AZ31B鎂合金作為試驗(yàn)材料，試板尺寸為300mm×70mm×6mm，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別見表1和表2。試驗(yàn)前先用砂紙將鎂板和鋁板打磨干凈，除去表面氧化膜，再分別用丙酮和酒精擦拭待焊部件油污部位。然后用夾具將對(duì)接的兩板固定，采用根部直徑為6.2mm，端部直徑為4.3mm，軸肩直徑15mm，長度為5.7mm，帶有螺紋的錐形攪拌針進(jìn)行鎂/鋁異種金屬的攪拌摩擦焊試驗(yàn)。利用掃描電鏡觀察斷口形貌和能譜分析并用XRD對(duì)斷口物相進(jìn)行分析。

表1 鋁合金6061的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 鎂合金AZ31B的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫成型

試驗(yàn)主要研究焊接工藝參數(shù)、攪拌頭前進(jìn)側(cè)材料和攪拌頭偏置對(duì)焊縫成型及性能的影響。通過大量的工藝試驗(yàn)表明，當(dāng)鎂板置于攪拌頭前進(jìn)側(cè)時(shí)，焊縫存在大量溝槽缺陷，無法獲得成型良好的焊縫。而鋁板置于前進(jìn)側(cè)時(shí)，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為900r/min，焊接速度為50mm/min時(shí)，可獲得成型較好的焊縫。相同條件下，攪拌頭偏置鎂側(cè)1mm時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)裂紋，而攪拌頭偏置鋁側(cè)1mm可獲得成型最佳的焊縫，如圖1所示。

圖1 焊縫成型圖

2.2 接頭斷口形貌分析

采用掃描電鏡及自帶的能譜儀對(duì)試驗(yàn)中前進(jìn)側(cè)為鋁，轉(zhuǎn)速為900r/min，焊接速度為50mm/min，攪拌頭偏向鋁合金1mm和鎂合金1mm兩組樣品的焊縫鋁側(cè)斷口進(jìn)行掃描得到斷口的微觀結(jié)構(gòu)特征。

圖2(a)為偏向鋁合金的焊縫斷口放大12倍的形貌圖，可以明顯看出焊縫底部存在孔洞。斷口中部和上部存在呈周期性排列的“片層餅”狀結(jié)構(gòu)[8-9]，相鄰的間隔大約為1mm，這可能與攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部S線的形成機(jī)理[10]相關(guān)。由于攪拌頭旋轉(zhuǎn)擠壓帶動(dòng)材料流動(dòng)，在焊接方向形成周期性的材料堆積填充，形成周期性的結(jié)合薄弱區(qū)，最終斷口出現(xiàn)沿焊接方向周期性排列的“片層餅”結(jié)構(gòu)。

圖2(b)為偏向鎂合金的焊接斷口放大12倍的形貌圖，無明顯周期性特征結(jié)構(gòu)存在，說明斷裂形貌還與基體金屬和及其成分有關(guān)。除焊縫底部組織致密，其他區(qū)域存在大量孔洞和絲狀拉拔結(jié)構(gòu)。其缺陷形成機(jī)理可能是由于攪拌頭偏向鎂側(cè)，鎂板攪入焊縫量增加，鎂塑性較差，隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)填充的金屬量不足，導(dǎo)致大量孔洞出現(xiàn)。部分塑性較好的區(qū)域，由于鎂合金均勻附著在鋁基體上，結(jié)合攪拌頭攪拌作用，形成絲狀疏松連接，拉伸斷裂后形成圖示絲狀拉拔結(jié)構(gòu)。

圖2 焊縫斷口放大圖×12倍

圖3(a)-圖3(d)是偏鋁側(cè)焊件斷口選取2個(gè)不同區(qū)域的放大圖。由上向下放大倍數(shù)依次為×100、×500、×2 000。可以看出不同區(qū)域斷口形貌差別較大，同一試樣的不同區(qū)域的斷裂形式也存在很大的差異。圖3(a)為焊縫底部的100倍放大圖，可以看出焊縫底部金屬呈流線拉長結(jié)構(gòu)，是由攪拌針頂部的旋轉(zhuǎn)擠壓所致。圖3(c)為攪拌針頂部旋轉(zhuǎn)攪拌形成的孔洞附近的2 000倍放大圖。由孔洞附近的放大圖可以看出斷口表面非常粗糙，附著大量團(tuán)絮狀物質(zhì)，可能是由于鋁鎂焊接時(shí)塑性差異引起鎂粉或金屬間化合物附著鋁基體。圖3(b)和圖3(d)為韌性斷裂和脆性斷裂特征圖，韌性斷口圖上有大量深淺不一的韌窩，韌窩的存在表明該區(qū)域的塑性較其他區(qū)域好。脆性斷口表面相對(duì)平整，存在明顯的河流花樣、解理臺(tái)階等特征，沒有任何韌窩或類韌窩的存在。微觀形貌表明焊接殘余應(yīng)力在垂直焊接方向上存在分力，使得材料沿解離面發(fā)生了穿晶斷裂，斷裂形式為脆性斷裂[11-12]。該處脆性斷裂可能是鎂/鋁材料散熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致焊縫冷卻過程中殘余應(yīng)力值迅速上升，并且在鋁/鎂異種金屬接頭中脆性金屬間化合物的雙重作用下發(fā)生脆斷。

圖3 偏鋁側(cè)斷口放大圖

圖4(a)-圖4(d)是偏鎂側(cè)的焊件斷口選取2個(gè)不同區(qū)域的形貌圖，由上向下放大倍數(shù)依次為×30、×100、×1 000。由焊縫斷口圖4(a)可以看出焊縫存在較多的非致密塊體結(jié)構(gòu)，塊體結(jié)構(gòu)之間為孔洞缺陷，表明由于攪拌頭偏向鎂合金一側(cè)，導(dǎo)致焊縫中鎂合金含量增加，鎂的流動(dòng)塑性較差，使得焊縫攪和的金屬的流動(dòng)塑性降低，導(dǎo)致焊縫金屬不能隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)擠壓完全填充而出現(xiàn)孔洞、隧道等缺陷。圖4(c)為焊縫根部斷口100倍放大圖，可以看出焊縫底部金屬呈流線拉長結(jié)構(gòu)，是由攪拌針頂部的旋轉(zhuǎn)擠壓所致。圖4(c)和圖4(d)為焊縫中部塊體結(jié)構(gòu)100倍和1 000倍放大圖，可以看出其斷口表面同樣附著著大量的團(tuán)絮狀物質(zhì)，其可能是由于鋁/鎂焊接時(shí)塑性差異引起鎂粉或金屬間化合物附著鋁基體所致，最終使得焊縫中斷口特征為脆性斷裂。

圖4 偏鎂側(cè)斷口放大圖

綜合以上分析可以得出如下結(jié)論：1) 偏鋁側(cè)1mm的焊縫斷口大部分區(qū)域?yàn)榇嘈越饫頂嗔眩贁?shù)區(qū)域?yàn)槲⒖拙酆蠑嗔眩?) 偏鎂側(cè)1mm的焊縫斷口主要為脆性解理斷裂，鎂鋁混合不均勻，孔洞較多。故攪拌頭偏向鋁合金板1mm時(shí)的焊接效果從斷口分析看要優(yōu)于攪拌頭偏向鎂合金板1mm。

2.3 XRD物相分析和斷口EDS能譜分析

對(duì)攪拌頭偏置鋁合金板試件和偏置鎂合金板試件焊縫進(jìn)行XRD檢測(cè)分析，結(jié)果表明焊縫中除了Mg、Al單相外還存在鎂/鋁金屬間化合物，主要包括Mg2Al3和Mg17Al12。結(jié)合鎂/鋁合金相圖可知，鋁/鎂元素比例滿足共晶相成分比例，溫度在450℃左右時(shí)，易出現(xiàn)Mg2Al3共晶組織；溫度在437℃左右時(shí)，易出現(xiàn)Mg17Al12共晶產(chǎn)物，而鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊焊接溫度也恰好在這一溫度區(qū)間，因而出現(xiàn)Mg2Al3和Mg17Al12金屬間化合物。鋁/鎂金屬間化合物的產(chǎn)生還可能與鋁/鎂材料粘塑性攪和時(shí)原子的擴(kuò)散有關(guān)。

為了進(jìn)一步分析焊縫斷口中的金屬間化合物種類、組合及分布情況，采用點(diǎn)掃描的方式對(duì)偏鋁側(cè)焊件和偏鎂側(cè)焊件2組焊縫斷口界面不同的位置進(jìn)行能譜分析。在偏鋁側(cè)和偏鎂側(cè)2個(gè)斷口試樣上分別選擇8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)掃描點(diǎn)，其掃描位置如圖5所示，其中圖5(a)和圖5(b)為偏鋁側(cè)斷口試樣，圖5(c)和圖5(d)為偏鎂側(cè)斷口試樣。

圖5 焊縫斷口點(diǎn)掃描位置圖

偏鋁側(cè)試件斷口能譜掃描圖結(jié)合鎂鋁二元相圖得到的掃描點(diǎn)成分如表3所示?？梢钥闯龊缚p內(nèi)部主要產(chǎn)生了Al、Mg2Al3及其混合相，并且Al相占一大部分，這與攪拌頭偏向鋁合金板一側(cè)，焊縫中元素分布不均勻有關(guān)，脆性相的存在與2.2中偏鋁側(cè)斷口的脆性斷裂特征相吻合。A-1、A-2、A-3位于焊縫底部，材料流動(dòng)性較軸肩區(qū)差，生成脆性相Mg2Al3；A-4、A-5、A-6位于攪拌針影響的區(qū)域，攪拌頭的攪拌作用使鎂/鋁充分混合，主要生成Mg2Al3和Al+Mg2Al3共晶組織；A-7和A-8位于軸肩附近區(qū)域，攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)擠壓作用帶動(dòng)材料充分混合，同時(shí)軸肩與材料之間的摩擦熱量較高，加快鎂/鋁原子的相互擴(kuò)散，故生成Al+Mg2Al3的共晶組織。

偏鎂側(cè)試件斷口能譜掃描圖結(jié)合鎂鋁二元相圖得到的掃描點(diǎn)成分如表4所示。與偏鋁側(cè)斷口能譜掃描結(jié)果相比，焊縫內(nèi)的Mg元素的含量大大增加，主要生成共晶組織Mg+Mg17Al12、少量的Mg2Al3和共晶組織Al+Mg2Al3，金屬間化合物的種類較偏鋁側(cè)焊縫試件斷口多。B-1為單相Al，B-1位于焊縫底部，焊縫底部鎂/鋁攪和程度較低，斷口位置可能偏向鋁側(cè)，因而該點(diǎn)處能譜分析結(jié)果為單相鋁；B-2、B-4、B-5、B-6雖然位于攪拌頭的影響區(qū)域，但是由于攪拌頭偏置鎂合金板側(cè)，焊縫中鎂含量增加，而鎂元素含量的增加為金屬間化合物Mg17Al12提供了足夠的成分，因而焊縫斷口中多數(shù)區(qū)域能譜分析結(jié)果顯示出現(xiàn)Mg17Al12相。而鎂合金分布較少的區(qū)域側(cè)優(yōu)先形成了Al+Mg2Al3共晶組織，如B-3、B-7和B-8。 攪拌頭偏置鎂合金板側(cè)時(shí)，焊縫中鎂含量的增加，降低了焊縫金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)孔洞、隧道等缺陷，同時(shí)大量的Mg17Al12、Mg2Al3和Mg+Mg17Al12，增加了接頭脆性，導(dǎo)致在焊縫表面易出現(xiàn)裂紋缺陷[13-14]。

表3 偏鋁側(cè)試件能譜測(cè)試結(jié)果質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表4 偏鎂側(cè)試件能譜測(cè)試結(jié)果質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

3 結(jié)語

1) 鎂作為前進(jìn)側(cè)或攪拌頭偏向鎂側(cè)時(shí)，焊縫表面有飛邊、焊縫內(nèi)部有孔洞、隧道缺陷，而鋁板為前進(jìn)側(cè)，焊接速度為50mm/min，轉(zhuǎn)速為900r/min時(shí)，焊縫成型良好，偏置鋁側(cè)1mm時(shí)成型最佳。

2) 攪拌頭偏置鋁側(cè)1mm時(shí)，焊縫斷口存在呈周期性排列的“片層餅”狀結(jié)構(gòu)，相鄰的間隔大約為1mm。攪拌頭偏向鎂板1mm時(shí)，焊縫存在大量孔洞和絲狀拉拔結(jié)構(gòu)。

3) 焊縫XRD物相分析和斷口EDS能譜掃描表明焊縫中含有大量的脆性相Mg2Al3、Mg17Al12，大量的脆性相決定了斷口形貌圖中斷裂面主要以解理斷裂為主，有少量的韌窩存在，脆性相的存在嚴(yán)重降低了接頭質(zhì)量。