超聲振動(dòng)作用下鎂-鋼焊縫組織演變及力學(xué)性能研究

何澤歆，王大鵬，周 斌

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶401520；2.四川儀表工業(yè)學(xué)校 汽車工程系，重慶400702)

近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。通過提高汽車、飛機(jī)等交通工具的燃油效率，可減少溫室氣體排放，有利于降低碳排放。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，多種輕量化材料的使用被認(rèn)為是滿足這些要求的最有效措施之一。在節(jié)能減排的需求下，異種金屬連接發(fā)展迅速，例如鈦/鋁、鋁/鎂、鋁/鋼、鎂/鋼等[1-3]，而在異種接頭中，鎂/鋼接頭具有巨大的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)?，鎂合金是目前世界上最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，其密度只有鋁合金的2/3，鈦合金的1/3。鎂合金在工業(yè)中的大量使用將有效降低構(gòu)件的質(zhì)量。目前，鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中最常見的金屬材料，其儲(chǔ)量豐富、產(chǎn)量高、且價(jià)格低廉。因此，鎂與鋼的可靠連接對(duì)于制造輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件是非常有潛力的，同時(shí)也能擴(kuò)大鎂合金在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用[4-6]。

然而鎂合金和鋼的可靠連接難度較大，這主要是因?yàn)閮烧呷埸c(diǎn)相差巨大，且鎂、鐵元素幾乎不互溶[7-8]。文獻(xiàn)表明，用于鎂/鋼異種金屬連接的多種焊接工藝已被研究，如瞬間液相焊、攪拌摩擦焊、冷金屬過渡焊以及熔釬焊等[9-10]。其中，熔釬焊工藝通過控制異種金屬熔化范圍，可以提高鎂/鋼接頭焊接質(zhì)量[11-12]。此外，熔釬焊工藝還具有環(huán)境適應(yīng)性好，設(shè)備成本低，適用范圍廣等特點(diǎn)。如Li等[13]采用激光熔釬焊方法對(duì)鎂合金和鍍鋅鋼進(jìn)行焊接，并對(duì)接頭界面反應(yīng)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：在鎂/鋼熔釬焊過程中，鋅鍍層可以提高液態(tài)鎂在鋼板表面的鋪展能力，顯著改善接頭潤(rùn)濕性；微觀表征表明，鎂/鋼界面區(qū)域有鎂-鋅金屬間化合物生成，這是實(shí)現(xiàn)鎂/鋼異種金屬連接的關(guān)鍵，其最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到180 MPa。

近年來，超聲輔助焊接技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)表明，在其他焊接工藝中，已有超聲波振動(dòng)輔助焊接的相關(guān)報(bào)道。如Watanabe等[14]研究了超聲波振動(dòng)對(duì)不銹鋼焊縫微觀組織和力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：超聲振動(dòng)促使焊縫金屬中心區(qū)域形成等軸晶，焊接速度越高，超聲振動(dòng)形成的等軸晶就越多；與未施加振動(dòng)的接頭相比，施加超聲振動(dòng)的焊縫抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率顯著提高。

本文采用熔釬焊工藝對(duì)鎂合金和鍍鋅鋼進(jìn)行焊接，在焊接過程中對(duì)熔池區(qū)域施加超聲波振動(dòng)。通過宏觀形貌觀察、顯微組織分析、顯微硬度測(cè)試以及拉伸試驗(yàn)，研究超聲波振動(dòng)對(duì)鎂合金/鍍鋅鋼接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

在本文中，待焊母材為AZ31B鎂合金和HC300鍍鋅鋼板，在焊接前均加工成60 mm×80 mm×1.5 mm的長(zhǎng)方形。填充材料為AZ31鎂合金焊絲，直徑為1.5 mm。待焊母材和焊絲的主要化學(xué)成分如表1所示。焊接實(shí)驗(yàn)前，用無水乙醇清洗待焊板材以及焊絲表面的油污，隨后用400#和1000#的砂紙進(jìn)行打磨，去除母材表面的氧化皮。將準(zhǔn)備好的母材按圖1所示進(jìn)行裝配，即采用搭接方式(搭接長(zhǎng)度15 mm)將鎂合金板固定在鋼板上表面，焊炬對(duì)準(zhǔn)鎂合金板的邊緣。保護(hù)氣體采用氬氣，流速取10 L/min。焊接時(shí)，接通超聲波發(fā)生器(HL-05)和鎢極氬弧焊機(jī)(YD-300WS)的電源，在鎂/鋼焊接過程中對(duì)熔池區(qū)域引入高頻超聲波振動(dòng)。焊接完成后同時(shí)關(guān)閉焊機(jī)和超聲波發(fā)生器的電源。本文采用的焊接參數(shù)如表2所示。

表1 待焊母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 超聲波振動(dòng)輔助熔釬焊接裝配圖

表2 超聲波振動(dòng)輔助熔釬焊接參數(shù)

鎂/鋼熔釬焊實(shí)驗(yàn)完成后，采用線切割設(shè)備沿垂直焊縫方向?qū)讣虚g部分進(jìn)行切割，并清洗、磨光，隨后進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試。將進(jìn)行微觀組織觀察的樣品用1000#和2000#的砂紙進(jìn)行打磨后，浸入苦味酸溶液中腐蝕15 s，隨后沖洗干凈以備觀察。圖2為拉伸樣示意圖。

圖2 力學(xué)性能測(cè)試樣品示意圖(單位：mm)

本文通過拉伸機(jī)(WDW-30E)對(duì)鎂/鋼接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，每個(gè)焊接參數(shù)測(cè)試5個(gè)樣品，最后取平均載荷值作為測(cè)試結(jié)果。采用維氏硬度計(jì)(HV-1000S)對(duì)鎂/鋼焊縫的水平方向和垂直方向分別進(jìn)行硬度檢測(cè)，載荷為200 g，保壓時(shí)間為12 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊件宏觀形貌

鎂/鋼典型焊縫形貌如圖3所示。對(duì)于鎂/鋼焊件，焊縫被分為兩大區(qū)域。上層區(qū)域定義為熔焊區(qū)，這部分主要是由焊絲、鍍鋅層和鎂合金在電弧加熱下熔化、冷卻、凝固形成。下層區(qū)域定義為釬焊區(qū)，這部分是由鋼板和液態(tài)熔池發(fā)生冶金反應(yīng)形成的。熔焊區(qū)和釬焊區(qū)的微觀特征和形成機(jī)理是本文研究的重點(diǎn)。

超聲振動(dòng)工藝對(duì)鎂/鋼焊縫的形貌有明顯影響。圖3(a)是未經(jīng)超聲振動(dòng)輔助的焊縫，可以觀察到焊縫的熔焊區(qū)分布有氣孔。這些氣孔的產(chǎn)生主要是由于鎂合金熔化后析出的氫氣泡未來得及充分上浮、逸出，最終留在了焊縫內(nèi)。在焊接過程引入超聲振動(dòng)工藝后，高頻率的振動(dòng)有利于氫氣泡上浮、脫離熔池，最終基本消除焊縫區(qū)的氣孔缺陷，如圖3(b)所示。此外，對(duì)比圖3(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)還可以略微增大焊縫寬度，改善焊縫成型。

圖3 典型鎂合金/鋼焊縫宏觀形貌：(a)無超聲振動(dòng)；(b)超聲振動(dòng)輔助焊接(超聲波功率1 000 W)

2.2 熔焊區(qū)微觀組織

超聲振動(dòng)對(duì)焊縫微觀組織的影響主要分為兩部分，一方面是對(duì)熔焊區(qū)的影響，另一方面是對(duì)釬焊區(qū)的影響。圖4是采用不同焊接參數(shù)時(shí)，鎂-鋼接頭熔焊區(qū)的微觀組織形貌。

圖4 鎂合金/鋼接頭微觀組織特征

由圖4(a)鎂合金母材的金相形貌可以發(fā)現(xiàn)，母材基本由等軸晶組成，晶粒細(xì)小，平均晶粒尺寸約為14.3 μm。在焊接過程中，鎂合金母材和焊絲熔化并形成熔焊區(qū)。在熔焊區(qū)形成過程中，晶粒變的粗大，形狀不均勻，平均晶粒尺寸約為51 μm，見圖4(b)。同母材相比，此時(shí)熔焊區(qū)的組織變得異常粗大，不利于提高鎂-鋼接頭的力學(xué)性能。圖4(c)是在焊接過程中引入1 000 W功率超聲振動(dòng)后，接頭熔焊區(qū)的微觀形貌。由圖4(c)可以明顯發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)工藝顯著改善了熔焊區(qū)的微觀組織特征，晶粒近似等軸晶，平均晶粒尺寸下降到23.2 μm。圖4(d)是不同功率的超聲振動(dòng)對(duì)熔焊區(qū)晶粒尺寸的影響結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率的增大，晶粒尺寸持續(xù)降低，微觀組織的細(xì)化在一定程度上有利于鎂-鋼接頭力學(xué)性能的改善。此外，當(dāng)超聲功率超過1 000 W后，晶粒尺寸的下降趨勢(shì)有所減小。

2.3 釬焊區(qū)微觀組織

超聲振動(dòng)對(duì)焊縫釬焊區(qū)微觀形貌的影響如圖5所示。由圖5(a)可以看到，對(duì)于未引入超聲振動(dòng)輔助的焊縫，焊炬熱輸入使鎂合金母材和焊絲充分熔化，最終使得釬焊區(qū)有連續(xù)的反應(yīng)層出現(xiàn)。對(duì)圖中反應(yīng)層區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)能譜測(cè)試(1#)，結(jié)果表明，反應(yīng)層含有大量的Zn元素和Mg元素(圖5(c))，說明釬焊區(qū)反應(yīng)層是由MgZn金屬間化合物組成，這是實(shí)現(xiàn)鎂合金/鍍鋅鋼可靠連接的關(guān)鍵。圖5(b)表明，當(dāng)超聲波功率設(shè)置為1 000 W時(shí)，焊縫釬焊區(qū)有均勻連續(xù)的反應(yīng)層生成。相比未施加超聲波振動(dòng)的焊縫(圖5(a))，超聲波振動(dòng)改變了反應(yīng)層的形態(tài)，使反應(yīng)層厚度更均勻。對(duì)反應(yīng)層進(jìn)行點(diǎn)能譜分析(2#)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)層主要含有70.4wt.%Zn元素和29.6wt.%Mg元素，與未施加超聲波振動(dòng)的反應(yīng)層相似。這說明超聲波振動(dòng)的引入，可以有效改善反應(yīng)層的形態(tài)，但不改變反應(yīng)層的組成。

圖5 鎂合金/鋼接頭釬焊區(qū)微觀組織特征

2.4 硬度測(cè)試結(jié)果

本文分別對(duì)接頭水平方向和垂直方向進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見圖6。圖6(a)表明，當(dāng)沿接頭的水平方向進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，接頭不同區(qū)域的硬度值差別較大。對(duì)于未施加超聲波振動(dòng)的接頭，鎂合金母材的硬度值最高，熔焊區(qū)的硬度值最低，熱影響區(qū)的硬度值位于兩者之間。當(dāng)對(duì)接頭施加超聲振動(dòng)后，鎂合金母材、熱影響區(qū)、熔焊區(qū)的硬度分布規(guī)律同未施加超聲振動(dòng)的接頭相似。但值得注意的是，施加超聲振動(dòng)的接頭熔焊區(qū)硬度值要高于未施加振動(dòng)的接頭，且硬度值的波動(dòng)更小。超聲波振動(dòng)的引入，有效改善了熔焊區(qū)的微觀組織，使得晶粒尺寸減小、形狀更加均勻，因此硬度值有所增加。圖6(b)表明，沿垂直方向進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，由于釬焊區(qū)有MgZn反應(yīng)層生成，其硬度值最高，且略高于母材[14]。但由于超聲波振動(dòng)未改變焊縫反應(yīng)層的組成，因此，超聲波振動(dòng)沒有對(duì)釬焊區(qū)的硬度值產(chǎn)生影響。同圖6(a)相比，接頭垂直方向的硬度測(cè)試結(jié)果，也說明超聲波振動(dòng)有效提高了熔焊區(qū)的硬度值。

圖6 鎂合金/鋼接頭顯微硬度分布

2.5 力學(xué)性能

采用不同焊接工藝及參數(shù)時(shí)，鎂合金/鍍鋅鋼接頭的力學(xué)性能如圖7所示。圖7表明，采用傳統(tǒng)熔釬焊工藝獲得的接頭，其最大拉伸載荷是3 270 N，而施加超聲波振動(dòng)的接頭，其力學(xué)性能得到明顯改善。當(dāng)超聲波功率為200 W時(shí)，焊件拉伸載荷增加到3 360 N。當(dāng)超聲波功率為1 000 W時(shí)，接頭最高拉伸載荷達(dá)到3 735 N，相比未施加超聲波振動(dòng)的接頭(3 270 N)，提高了14.2%。這說明超聲波振動(dòng)引起的焊縫區(qū)顯微組織細(xì)化以及氣孔消除，有利于改善焊件的力學(xué)性能。此外,圖7還展示了鎂合金/鍍鋅鋼接頭的典型斷裂特征(超聲波功率1 000 W)，此時(shí)斷裂發(fā)生在焊件的熔焊區(qū)。

圖7 鎂合金/鋼接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及典型斷裂位置

2.6 超聲振動(dòng)機(jī)理分析

圖8是超聲振動(dòng)外場(chǎng)對(duì)焊接過程的影響機(jī)理示意圖。

圖8 超聲振動(dòng)機(jī)理示意圖

如圖8(a)所示，熔池金屬受到持續(xù)的循環(huán)交變聲場(chǎng)作用。當(dāng)超聲波的負(fù)半周期作用于熔池液體時(shí)，熔池液體受到拉伸作用，導(dǎo)致大量空化氣泡生成，并伴隨有部分枝晶出現(xiàn)，見圖8(b)。空化氣泡形成后會(huì)迅速長(zhǎng)大，在長(zhǎng)大的過程中空化氣泡大量吸收周圍的熱量，形成局部過冷，促使液體形核，如圖8(c)所示。文獻(xiàn)表明[15]，通過增加超聲波功率，可以提高空化氣泡數(shù)量，從而提高形核率，實(shí)現(xiàn)焊縫組織晶粒細(xì)化。另一方面，當(dāng)空化氣泡長(zhǎng)大到極限后會(huì)發(fā)生破裂，并產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力。沖擊力的大小與超聲波功率相關(guān)，隨著超聲波功率的增大，沖擊力也持續(xù)增大。當(dāng)超聲波功率達(dá)到一定閾值，此時(shí)沖擊力將擊碎初始形成的枝晶，見圖8(d)。破碎的枝晶分布在熔池中，可以作為新的形核點(diǎn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。在整個(gè)焊接過程中，熔池液態(tài)金屬中持續(xù)發(fā)生空化氣泡生成-長(zhǎng)大-破碎現(xiàn)象，最終有效改善接頭焊縫的顯微組織，并提高焊接強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

1)超聲波振動(dòng)輔助焊接工藝可以有效改善鎂/鋼接頭的焊縫成形，消除接頭熔焊區(qū)域的氣孔等缺陷。

2)對(duì)于未應(yīng)用超聲振動(dòng)輔助焊接工藝的接頭，接頭熔焊區(qū)晶粒變的粗大，形狀不均勻，平均晶粒尺寸約為51 μm；當(dāng)在焊接過程中引入1 000 W功率的超聲振動(dòng)后，接頭熔焊區(qū)的晶粒近似是等軸晶，平均晶粒尺寸下降到23.2 μm。此外，超聲波振動(dòng)的引入，可以有效改善釬焊區(qū)反應(yīng)層的形態(tài)，使其厚度更加均勻。

3)超聲波振動(dòng)輔助工藝可以提高接頭熔焊區(qū)的顯微硬度。此外，當(dāng)超聲波功率為1 000 W時(shí)，接頭力學(xué)性能達(dá)到3 735 N，相比未施加超聲波振動(dòng)的接頭(3 270 N)，提高了14.2%。