Al/Mg 攪拌摩擦焊接接頭組織及性能研究*

0 前 言

在輕量化技術(shù)的發(fā)展浪潮中， 越來(lái)越多的輕質(zhì)材料進(jìn)入大眾視野， 如在汽車熱交換器制造行業(yè)， 通常采用鋁管代替銅管以降低材料成本

。焊接作為焊管生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 通常對(duì)焊管質(zhì)量起著決定性的作用， 傳統(tǒng)的熔焊方法有電弧焊、 激光焊等等， 這些熔化焊接方法導(dǎo)致焊接過(guò)程溫度高， 容易在界面結(jié)合處生成大量連續(xù)的IMCs 層， 另外熔焊過(guò)程中氣體未完全溢出就會(huì)產(chǎn)生氣孔， 如果存在應(yīng)力， 還會(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷， 導(dǎo)致焊接質(zhì)量較差。 攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所（TWI） 在二十世紀(jì)末發(fā)明的新型固相連接技術(shù)， 是一種加工效率高且無(wú)有害氣體產(chǎn)生的強(qiáng)塑性加工方法。 其優(yōu)勢(shì)尤其適用于鋁、 鎂等輕質(zhì)合金的同種或異種焊接， 為輕合金的工程結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域開(kāi)辟了新途徑

。 采用攪拌摩擦焊的方法連接輕質(zhì)材料， 同時(shí)加入中間層改善連接性能， 在輕量化方面具有十分重要的意義與應(yīng)用價(jià)值。 李興康等

通過(guò)攪拌摩擦焊成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIL鋁合金管的焊接， 改善了鋁合金管的攪拌摩擦焊工藝。 于歡等

探究了焊接速度及Hook 成形效果對(duì)5A06 鋁合金和AZ31 鎂合金攪拌摩擦焊的連接性能影響， 適當(dāng)?shù)慕档秃附铀俣饶茉龃笥行Т罱雍穸燃坝行Т罱訉挾龋?但焊接速度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致Hook 溝附近產(chǎn)生明顯的金屬化合物過(guò)渡層，導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)開(kāi)裂， 使Hook 溝處達(dá)到良好的冶金結(jié)合能提升拉剪性能。 謝吉林等

利用攪拌摩擦焊-釬焊復(fù)合焊接方式探究Zn 單質(zhì)釬料對(duì)連接性能的影響。 研究發(fā)現(xiàn)Zn 可作為液態(tài)潤(rùn)滑劑， 不僅對(duì)結(jié)合界面處有凈化作用， 促進(jìn)冶金結(jié)合， 也抑制了Al-Mg 系IMCs 的形成， 用Al-Mg-Zn 系IMCs 取而代之， 最大拉剪強(qiáng)度為5.5 kN， 提高了10%左右。 牛士玉等

通過(guò)超聲輔助制備了帶Zn中間層的鋁鎂搭接接頭， 研究發(fā)現(xiàn)外部超聲可以增加接頭的有效搭接寬度和有效板厚， Zn 中間層可以使接頭的Al-Mg IMCs 變?yōu)閺浬⒎植嫉腗g-Zn 及Al-Mg-Zn IMCs， 提高接頭的拉剪力。Abdollahzadeh 等

研究了攪拌摩擦對(duì)接6061 鋁合金和AZ31 鎂合金中加入鋅片的影響。 發(fā)現(xiàn)微觀組織以Al-Mg-Zn、 Mg-Zn 化合物及殘余的Zn單質(zhì)為主， 消除了Al-Mg 系IMCs， 其中焊縫強(qiáng)度由141 MPa 提升至175 MPa， 斷口形貌與不加鋅層時(shí)基本一致。 由此可見(jiàn)， IMCs 的種類、 分布與尺寸與焊接接頭性能密切相關(guān)。 由于采用傳統(tǒng)熔化焊接方法連接Al/Mg 異種材料構(gòu)件時(shí)， 焊接溫度較高， 在Al/Mg 界面處易生成Al-Mg 系IMCs， 而攪拌摩擦焊屬于固相連接， 焊接過(guò)程中母材不發(fā)生熔化和凝固過(guò)程， 為此完全避免了傳統(tǒng)熔化焊中因材料熔化及凝固過(guò)程而帶來(lái)的氣孔、 裂紋及合金元素?zé)龘p等問(wèn)題， 因此本研究采用攪拌摩擦焊方法， 添加Zn 中間層， 連接鋁鎂合金， 研究界面處IMCs 分布規(guī)律以及Zn 的作用機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及方法

本研究使用材料為5052 鋁合金和AZ31 鎂合金， 化學(xué)成分見(jiàn)表1。 兩種材料加工尺寸均為75 mm×150 mm×3 mm， 用于后續(xù)搭接試驗(yàn)及拉伸測(cè)試制樣。 使用的中間層材料是北京佳銘鉑業(yè)公司生產(chǎn)的單質(zhì)Zn 箔， 純度為99.99%， 厚度分別為20 mm、 50 mm 和100 mm。

試驗(yàn)前使用W40、 W20 砂紙對(duì)鋁合金和鎂合金板材表面打磨， 目的是去除表面氧化膜， 并用酒精、 丙酮溶液清洗潔凈， 防止表層氧化膜及雜質(zhì)影響攪拌摩擦搭接焊接質(zhì)量。 對(duì)5052 鋁合金及AZ31 鎂合金搭接區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)， 搭接區(qū)域長(zhǎng)度為30 mm， 同時(shí)對(duì)Zn 箔進(jìn)行裁剪， 尺寸為30 mm×120 mm， 并將Zn 層置于經(jīng)過(guò)標(biāo)識(shí)的鋁/鎂搭接中間區(qū)域， 其搭接方式如圖1 所示， 采用鋁板在上、 鎂板在下的搭接方式， 利用工裝夾具固定試樣， 防止其在焊接過(guò)程中因自身熱膨脹系數(shù)大等造成焊接變形。

采用X53K 立式銑床改裝成的攪拌摩擦焊接設(shè)備進(jìn)行搭接焊試驗(yàn)， 攪拌頭選擇圓柱螺紋攪拌頭； 攪拌針長(zhǎng)度為3 mm， 直徑為3 mm； 軸肩直徑17 mm， 傾角2.8°； 焊接旋轉(zhuǎn)速度950 r/min，行進(jìn)速度為30 mm/min， 壓下量為0.7 mm； Zn 層厚度分別選擇0.02 mm、 0.05 mm 和0.07 mm。

焊接后， 使用RXQ-2 型金相試樣鑲嵌機(jī)將切割后的接頭試樣進(jìn)行鑲嵌， 將鑲嵌試樣表面進(jìn)行粗磨和細(xì)磨， 研磨完成后， 在PG-2B 型拋光機(jī)上使用粒度為W2.5 的水溶金剛石拋光膏進(jìn)行拋光處理， 之后用超聲波清洗儀清洗， 時(shí)間約為10 min。金相腐蝕劑選用10%硝酸酒精溶液， 腐蝕時(shí)間為10 s， 腐蝕結(jié)束后， 采用蔡司Stemi305 型體視鏡、江南MR5000 光學(xué)顯微鏡、 日立SU8020 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察分析Al/Mg 異種攪拌摩擦搭接界面宏觀和微觀組織特征。 利用VTD401 數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭橫截面的顯微硬度， 載荷為50 g， 加載時(shí)間為10 s。 依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)拉伸試樣》， 拉伸試驗(yàn)在CMT-5150 型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行， 拉伸試樣尺寸如圖2 所示， 拉伸試驗(yàn)所采用的拉伸速率均為0.5 mm/min。 采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X’Pert PRO MPD 型X 射線衍射儀進(jìn)行XRD 試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌、 微觀組織及物相分析

焊縫截面形貌如圖3 所示。 加入Zn 層后，焊縫截面形貌較未加Zn 層時(shí)無(wú)較大區(qū)別， 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷， IMCs 層沿?cái)嚢鑵^(qū)底部分布， 厚度較為均勻。 IMCs 層厚度統(tǒng)計(jì)如圖4 所示， 隨Zn 中間層厚度增加， 焊縫中的Zn 含量不斷增加， 界面處IMCs 層的厚度不同程度地增大， 一定程度上也反映了形成IMCs 數(shù)量的變化。

（1） 將攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、 焊接行進(jìn)速度和壓下量固定為950 r/min、 30 mm/min 和0.7 mm，當(dāng)Zn 層厚度變化時(shí)， 焊縫表面均光滑無(wú)缺陷，焊縫微觀冶金結(jié)合良好。

對(duì)上板中側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)試， 水平方向由于測(cè)試距離不夠長(zhǎng)， 只包含了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)， 如圖7 所示。 三組參數(shù)趨勢(shì)相同， 都呈現(xiàn)了攪拌摩擦焊道典型W 形的一部分， 焊縫攪拌區(qū)硬度在160HV 左右。 垂直方向由鎂部方向-過(guò)渡層-焊核區(qū)鋁部進(jìn)行， 如圖7 （a） 所示， 在過(guò)渡層，由于生成鋁鎂系IMCs、 Mg-Zn、 Al-Zn 混合物，硬度為210HV 左右。 0.07-Zn 組高硬度點(diǎn)數(shù)顯然多于其他兩組參數(shù)， 這也間接反映了0.07-Zn 組過(guò)渡層的厚度大于其他兩組。

拉剪測(cè)試結(jié)果如圖8 所示， 未加Zn 層時(shí)拉剪力最小， 拉剪力最大值出現(xiàn)在0.05-Zn組， 最大值為4.79 kN。 斷口XRD 分析如圖9所示， 出現(xiàn)了MgZn

、 Al

Mg

Zn

IMCs 。 添加Zn 中間層后， 由于焊接溫度高于Zn 的熔點(diǎn)，熔化的Zn 在一定程度上增大了材料的流動(dòng)性，顯著改善了材料的交互行為。 根據(jù)Al-Mg-Zn三 元 相 圖L →MgZn

-480 ℃及L →MgZn

+A

Mg

Zn

-437 ℃可知， 生成的Mg-Zn IMCs以及Al-Mg-Zn IMCs 是導(dǎo)致拉剪力較未加Zn層提高20%的主要原因。 斷口形貌如圖10 所示， 由圖10 可知， 未加Zn 層時(shí)， 鋁側(cè)呈現(xiàn)河流花樣， 鎂側(cè)存在撕裂棱， 沒(méi)有觀察到韌窩的存在， 分析其斷裂方式為解理脆性斷裂。 加入Zn 中間層后， 斷口形貌呈現(xiàn)解理臺(tái)階狀， 臺(tái)階上散落著一些小顆粒。

2.2 硬度及拉剪力測(cè)試

《坤輿圖》說(shuō)：“獅性最傲，遇者亟俯伏，雖餓亦不噬……又最有情，受人德必報(bào)。”所以獅子紋飾的精神之美也是歷來(lái)受人稱頌。獅子勇猛但是性情仁義，重情重義，知恩圖報(bào)，獅子紋飾于是有四海升平，萬(wàn)國(guó)咸寧的美好寓意。

各下位機(jī)接口板的功能是接收并存儲(chǔ)主控制器發(fā)送來(lái)的提花控制數(shù)據(jù)段，還要控制提花數(shù)據(jù)的移位串轉(zhuǎn)并、數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)并行輸出以及出錯(cuò)判斷.下位機(jī)控制板由下位機(jī)CPU、信號(hào)驅(qū)動(dòng)器以及移位寄存器構(gòu)成.下位機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.

對(duì)圖3 （c） 中B 區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)分析， 其SEM 形貌如圖6 所示， 點(diǎn)分析結(jié)果見(jiàn)表3。 1、 7 區(qū)域?yàn)锳l 基體， 部分鋁基體（6 區(qū)域） 以塊狀形式流動(dòng)到IMCs 層邊緣。 鋁側(cè)部分區(qū)域（2、 8 區(qū)域） 可發(fā)現(xiàn)部分條帶狀A(yù)

Mg

IMCs。 在IMCs 層的B3 區(qū)域，主要為斷續(xù)網(wǎng)格狀A(yù)l

Mg

IMCs （3 區(qū)域）， 網(wǎng)格中分布著較大黑色塊狀A(yù)l

Mg

+Al-Mg-Zn 混合物（5 區(qū)域） 以及小顆粒Mg-Zn+Al-Mg-Zn 混合物（4區(qū)域）。 對(duì)比不加Zn 中間層的點(diǎn)分析結(jié)果可知，IMCs 層靠近鋁側(cè)主要由鋁基體及條帶狀A(yù)

Mg

IMCs 組成， IMCs 層內(nèi)部由網(wǎng)格狀A(yù)l

Mg

組成，加入Zn 中間層后， 網(wǎng)格狀內(nèi)部出現(xiàn)Mg-Zn 以及Al-Mg-Zn 混合物， 小尺寸顆粒狀Mg-Zn 取代連續(xù)分布的Al-Mg IMCs， 均勻分布在攪拌區(qū)內(nèi)部。

發(fā)呆。下午則踱到羅四強(qiáng)的發(fā)廊里，然后尋一張小凳子，又坐在門(mén)口發(fā)呆。發(fā)廊門(mén)口永遠(yuǎn)蹲著一只狗，這是羅四強(qiáng)喂的。狗叫阿斗。阿里不發(fā)呆時(shí)，就跟阿斗玩一下。羅四強(qiáng)又給他剃了個(gè)頭，依然還是說(shuō)“送你個(gè)頭”。

3 結(jié) 論

對(duì)圖3 （a） 中A 區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)分析， 其SEM 形貌如圖5 所示， 分析結(jié)果見(jiàn)表2。 從圖5 可看出，未加Zn 層時(shí)， IMCs 層5 區(qū)域呈層片狀的為Al

Mg

， IMCs 層4、 6 區(qū)域?yàn)锳l 基體， 靠近鋁側(cè)的3 區(qū)域呈長(zhǎng)條狀為Al

Mg

IMCs， 靠近鎂側(cè)2 區(qū)域呈網(wǎng)格狀銀白色結(jié)構(gòu)為Al

Mg

IMCs， 灰黑色部分1 處為Mg 基體。 鋁鎂結(jié)合界面靠近鋁側(cè)鋁含量較高， 更易形成層片狀及長(zhǎng)條狀A(yù)l

Mg

IMCs，而靠近鎂側(cè)Mg 含量較高， 更易形成連續(xù)網(wǎng)格狀A(yù)l

Mg

IMCs。 尺寸較大的Al

Mg

IMCs 和尺寸較小的Al

Mg

IMCs 連續(xù)分布在攪拌區(qū)和熱影響區(qū)底部邊界處， 組成圖4 （a） 中厚度約310 μm 的IMCs 層。 根據(jù)鎂鋁二元相圖， 鎂鋁二元共晶反應(yīng)式為L(zhǎng)→（Mg）+γ（Al

Mg

）-450 ℃以及L→（Al）+β （Al

Mg

）-437 ℃， 攪拌摩擦焊過(guò)程中溫度高于共晶反應(yīng)溫度， 強(qiáng)烈的原子擴(kuò)散本質(zhì)上形成了液相， 焊縫內(nèi)部生成接近共晶成分的Al-Mg IMCs。

（2） IMCs 層沿?cái)嚢鑵^(qū)底部分布， 厚度較為均勻。 IMCs 層靠近鋁側(cè)主要由鋁基體及尺寸較大的條帶狀A(yù)l

Mg

化合物組成， IMCs 層內(nèi)部主要由網(wǎng)格狀A(yù)l

Mg

IMCs 組成， 加入Zn 中間層后， 網(wǎng)格狀內(nèi)部出現(xiàn)了尺寸較小呈顆粒狀的Mg-Zn 以及Al-Mg-Zn IMCs。 隨Zn 中間層厚度增加， IMCs 層厚度增加， 加Zn 時(shí)IMCs 層厚度最小為330 μm。

（3） 硬度水平方向分布呈現(xiàn)攪拌摩擦焊道典型W 形分布的一部分， 焊縫攪拌區(qū)硬度在160HV 左右。 垂直方向上， 過(guò)渡層硬度值達(dá)210HV 左右。

③根據(jù)流域規(guī)劃，參照原建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)以及沿線地形情況確定河道節(jié)點(diǎn)水位，統(tǒng)計(jì)河道沿線匯流口、流量，逐段推算河道水位。

（4） Zn 中間層對(duì)拉剪力數(shù)據(jù)影響較大。 拉剪力最大值出現(xiàn)在0.05-Zn 組， 最大值為4.79 kN，生成的Mg-Zn IMCs 以及Al-Mg-Zn IMCs 是導(dǎo)致拉剪力較未加Zn 層時(shí)提高20%的主要原因， 斷裂方式為解理脆性斷裂。

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