鋼/鎂合金“一字型”搭接攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭組織與性能研究

杜賢昌，王 毅，郭淑蘭

(長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012)

0 引言

目前，鎂合金是最理想的結(jié)構(gòu)材料，而鋼是應(yīng)用最廣的工程材料。為了實(shí)現(xiàn)汽車的安全性和輕量化，在汽車車身制造中必然面臨鋼和鎂合金聯(lián)合應(yīng)用的連接問題。由于鋼和鎂合金性能存在較大差異，很難形成固溶體和金屬化合物，采用傳統(tǒng)的電阻焊很難實(shí)現(xiàn)可靠的連接[1]，而攪拌摩擦焊作為一種新的綠色連接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低熔點(diǎn)異種金屬固相連接并已得到應(yīng)用[2]。對于高低熔點(diǎn)差距大的異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)仍是當(dāng)今焊接科技工作者的研究熱點(diǎn)，因此研究鋼和鎂合金FSSW及其接頭組織性能具有極為重要的意義。

現(xiàn)有的攪拌摩擦點(diǎn)焊有兩種形式，一種是由德國GDSS研究所和Riftic公司研究開發(fā)的，能消除焊接所形成的焊點(diǎn)匙孔，但其只針對輕質(zhì)合金的焊接，另一種是日本川崎和日本馬自達(dá)公司共同研究開發(fā)的，其焊后工件的外形特征是在工件上形成一個匙孔[3]。本文采用帶匙孔的直插式攪拌摩擦焊機(jī)對汽車車身用烘烤硬化高強(qiáng)度鋼B140H1與AZ31B鎂合金進(jìn)行搭接點(diǎn)焊試驗(yàn)，探索焊接工藝參數(shù)對焊點(diǎn)表面成形質(zhì)量、接頭拉伸性能的影響，并且對接頭硬度分布、微觀組織特征和斷口形貌進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用搭接的B140H1低碳鋼和AZ31B鎂合金，其化學(xué)成分見表1～2。試樣尺寸均為150 mm×40 mm×1 mm，采用FSW-TS-S15型數(shù)控攪拌摩擦焊機(jī)對鎂/鋼(鎂上鋼下)進(jìn)行搭接點(diǎn)焊，接頭為“一字型”搭接，接頭型式如圖1所示。試驗(yàn)具體參數(shù)組合見表3。

表1 AZ31B鎂合金的化學(xué)成分

wt%

表2 B140H1低碳鋼的化學(xué)成分

wt%

圖1 試驗(yàn)接頭型式

板材規(guī)格停留時間/s轉(zhuǎn)速/(r·min-1)150 mm×40 mm×1 mm試樣11002 500試樣21002 700試樣31002 900試樣41202 500試樣51202 700試樣61202 900試樣71402 500試樣81402 700試樣91402 900

采用WE-100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試點(diǎn)焊接頭的剪切力。橫向切取鎂/鋼點(diǎn)焊接頭制成金相試樣，采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT金相顯微鏡、S-3400N型掃描電鏡、EDAX能譜儀、D8 ADVANCE射線衍射儀、MH-5型顯微硬度計分別對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行顯微組織觀察、成分分析、斷口分析以及顯微硬度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 點(diǎn)焊接頭的表面成形

圖2是鎂合金/烘烤硬化鋼攪拌摩擦點(diǎn)焊“一字型”接頭在各種焊接參數(shù)下表面成形的宏觀圖片。從圖中可以看出焊點(diǎn)表面美觀較為平整，中心都存在匙孔。焊縫表面顏色由灰色變?yōu)殂y白色，最后變?yōu)楹谏?，飛邊量呈減小的趨勢變化。分析認(rèn)為，其他工藝參數(shù)一定，攪拌頭轉(zhuǎn)速越高、停留時間越長，焊接能量越強(qiáng)，焊核處塑性金屬越多，焊核及周邊溫度升高，鎂合金氧化燒傷變黑，且母材對焊核約束減弱，塑性金屬被擠出量減少，飛邊少；反之則相反。接頭表面成形質(zhì)量最好的工藝參數(shù)是試樣5：停留時間120 s、旋轉(zhuǎn)速度2 700 r/min。

2.2 點(diǎn)焊接頭剪切力測定

對本試驗(yàn)工藝參數(shù)下帶匙孔點(diǎn)焊接頭試樣進(jìn)行剪切力測試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果表明單點(diǎn)接頭最大剪切力為6.75 kN，所對應(yīng)的工藝參數(shù)為停留時間120 s，轉(zhuǎn)速2 700 r/min。分析認(rèn)為，其他工藝參數(shù)一定，攪拌頭轉(zhuǎn)速低、停留時間短，攪拌行為不劇烈，攪拌針周圍材料間的剪切力也較小，不利于鎂合金的流動和鋼的撕裂，接頭強(qiáng)度不高。攪拌頭轉(zhuǎn)速高、停留時間長，熱輸入大，被焊母材熱塑性狀態(tài)好，并發(fā)生塑性流動，從而促進(jìn)鎂合金和鋼進(jìn)行攪拌混合和機(jī)械連接。但攪拌頭轉(zhuǎn)速過高、停留時間過長，熱輸入過大，被焊母材熱塑性狀態(tài)充分，并發(fā)生強(qiáng)烈塑性流動，致使鎂合金嵌入鋼中的釘狀凸起被撕斷并與母體分離，失去了機(jī)械連接作用，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

試樣1

試樣2

試樣3

試樣4

試樣5

試樣6

試樣7

試樣8

試樣9

試驗(yàn)停留時間/s轉(zhuǎn)速/(r·min-1)剪切力/kN11002 5006.2321002 7006.4231002 9006.2641202 5006.4551202 7006.7561202 9006.3271402 5006.3881402 7005.5391402 9004.86

2.3 點(diǎn)焊接頭的宏觀形貌

本試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭橫截面宏觀形貌如圖3～4所示。在攪拌力作用下，鎂合金和烘烤硬化鋼均獲得較好的塑性，攪拌區(qū)處鎂與鋼以“釘鉤”形狀相互嵌入對方，由于機(jī)械力作用而形成牢固可靠的接頭。

2.4 點(diǎn)焊接頭微觀組織

本試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)下的接頭各區(qū)域的微觀組織如圖5所示。在焊核及熱力影響區(qū)域，由于受到攪拌和熱力的共同作用，此處的晶粒呈細(xì)長和流動性較明顯的特征，同時部分晶粒在攪拌針的攪拌及剪切力作用下，晶粒被剪斷細(xì)化，最終成細(xì)小等軸晶粒，熱塑性狀態(tài)好，并發(fā)生塑性流動，從而促進(jìn)鎂合金和鋼進(jìn)行攪拌混合和機(jī)械連接；而熱影響區(qū)處由于沒有攪拌力，只受到熱的作用，此處晶粒相較于母材都有一定程度的粗化。

圖3 點(diǎn)焊接頭橫截面形貌

圖4 接頭橫截面“釘鉤”

(a)鎂合金焊核及熱力影響區(qū)

(b)鋼焊核及熱力影響區(qū)

(c)鎂合金熱影響區(qū)

(d)鋼熱影響區(qū)圖5 點(diǎn)焊接頭微觀組織

2.5 點(diǎn)焊接頭斷口分析

2.5.1 斷口微觀形貌分析

圖6為本試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)下的點(diǎn)焊接頭拉斷后鋼板一側(cè)不同區(qū)域1 000倍下的斷口形貌圖片。在攪拌區(qū)，晶粒出現(xiàn)了拉長，鎂合金在攪拌頭旋轉(zhuǎn)作用下以釘狀嵌入鋼體中，如此不僅增強(qiáng)接頭處的機(jī)械結(jié)合力，同時也阻礙了裂紋的擴(kuò)展，攪拌區(qū)的斷裂呈現(xiàn)出韌脆混合斷裂的特征。而擴(kuò)散區(qū)則為解理斷裂。

(a)焊核中心

(b)攪拌區(qū)

(c)擴(kuò)散區(qū) 圖6 鋼板側(cè)斷口的SEM

2.5.2 點(diǎn)焊接頭斷口能譜分析

圖7分別為本試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)下斷口鎂板側(cè)和鋼板側(cè)能譜分析線掃描結(jié)果。由圖7(a)可知，鋼側(cè)退出孔處Fe、Mg元素含量都相對較高。從退出孔到斷口之前，Mg的相對含量比在退出孔內(nèi)稍有降低，而Fe的相對含量卻稍有提高。到斷口部位元素含量發(fā)生突變，斷口幾乎全為Mg，F(xiàn)e幾乎沒有，此處鎂合金和鋼板沒有較好的機(jī)械結(jié)合，機(jī)械連接力小，導(dǎo)致鎂合金與烘烤硬化鋼的連接在此處斷裂。從圖7(b)同樣可以得出：斷口到攪拌區(qū)外，F(xiàn)e含量很少，幾乎全是Mg，也沒達(dá)到有效的機(jī)械結(jié)合，連接強(qiáng)度低，在拉伸載荷的作用下導(dǎo)致鎂合金與烘烤硬化鋼的連接在此斷裂。

(a)烘烤硬化鋼一側(cè)能譜分析線掃描結(jié)果

(b)鎂合金板一側(cè)能譜分析線掃描結(jié)果圖7 能譜分析線掃描結(jié)果

2.5.3 點(diǎn)焊接頭的硬度測試

對試樣1、試樣5和試樣9作硬度測試，從拋光后的點(diǎn)焊接頭中心到母材每隔0.3 mm選取一個點(diǎn)進(jìn)行測量，分別得到如圖8中試件1、試件2和試件3硬度曲線。從圖可以看出，焊縫硬度整體不均勻。鎂側(cè)區(qū)焊縫熱影響區(qū)硬度分布較均勻，硬度值稍低于母材硬度，此處受到熱輸入的影響，晶粒較母材大；熱力影響區(qū)處硬度與母材硬度差不多，此區(qū)域因受熱輸入與機(jī)械力的共同作用，組織得到細(xì)化，硬度較熱影響區(qū)有一定提高；攪拌區(qū)硬度最高，最高達(dá)到180 HV，此區(qū)域受到攪拌力的作用，鋼粒分布較多，硬度高。鋼側(cè)區(qū)焊縫熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)硬度分布較均勻，硬度值均低于母材硬度，且差別較大。攪拌區(qū)硬度最高，最高達(dá)到180 HV，此區(qū)域受到攪拌力的作用，鋼粒分布較多，硬度高。

(a)鎂合金一側(cè)硬度分布圖

(b)烘烤硬化鋼一側(cè)硬度分布圖

3 結(jié)論

(1)采用帶匙孔FSSW技術(shù)對1 mm厚AZ31B鎂板和1 mm厚B140H1烘烤硬化高強(qiáng)鋼板進(jìn)行搭接試驗(yàn)，證明此方法對鋼與輕質(zhì)合金帶匙孔點(diǎn)焊焊接的可行性。

(2)隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增大、停留時間變長，接頭剪切力呈先增大后減小的趨勢。在轉(zhuǎn)速2 700 r/min，停留時間為120 s時，得到的接頭表面成形較好，接頭剪切力達(dá)到6.75 kN。

(3)焊核及熱力影響區(qū)的晶粒呈細(xì)長和流動性明顯的特征，部分晶粒被剪斷細(xì)化為細(xì)小的等軸晶；攪拌區(qū)斷裂呈現(xiàn)出韌脆混合斷裂的特征，該區(qū)硬度最高達(dá)到180 HV。