工藝參數(shù)對(duì)7003鋁合金/AZ31鎂合金板攪拌摩擦焊搭接組織及性能影響*

劉 澳，華 鵬，李玉虎，李海寧，李先芬

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

0 前 言

在輕量化技術(shù)發(fā)展過程中，鋁、鎂合金在新能源汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-2]。采用傳統(tǒng)熔焊方法焊接鋁鎂異種合金時(shí)容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，另外由于焊接溫度高，焊縫內(nèi)容易生成大量Al-Mg金屬間化合物(intermetallic compounds, IMCs)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量差[3]。攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種加工效率高、焊接熱輸入低的新型固相連接技術(shù)，能很好地完成鋁、鎂合金的焊接[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)攪拌頭形狀及尺寸、工藝參數(shù)、接頭形成機(jī)制、IMCs 生成機(jī)制等方面開展了諸多研究[6]。周振魯?shù)萚7]研究了攪拌頭形貌對(duì)FSW 搭接接頭的橫截面形貌與拉剪性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，全螺紋攪拌頭將材料堆積至攪拌針尖端，尖端半螺紋攪拌頭螺紋的起始端對(duì)周圍材料有向下的作用力，根部半螺紋攪拌頭在螺紋的末端及攪拌針尖端堆積材料。Jiang 等[8]研究了攪拌針螺紋對(duì)鋁鎂合金FSW 焊接界面熱產(chǎn)生、溫度場、材料流動(dòng)和混合的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌針螺紋的作用主要體現(xiàn)在增加材料在剪切層中的混合程度，螺紋的存在使鋁鎂界面更加曲折。張濤等[9]通過選擇不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)鎂鋁異質(zhì)合金進(jìn)行異種金屬攪拌摩擦焊焊接，結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)，接頭的抗拉強(qiáng)度和硬度整體會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加而上升，焊核區(qū)的晶粒經(jīng)過動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶變得細(xì)小均勻，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接接頭由脆性斷裂逐漸變?yōu)轫g性斷裂。Gotawala 等[10]研究了AZ31 鎂合金和6061 鋁合金FSW 后的組織和織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，在高溫塑性變形過程中織構(gòu)和顯微組織發(fā)生演變，在攪拌區(qū)域兩種材料都經(jīng)歷了晶粒細(xì)化，Mg 側(cè)和Al 側(cè)均存在傾斜的基底織構(gòu)和立方織構(gòu)。Zeng 等[11]系統(tǒng)研究了鋁鎂FSW在不同條件下沿材料流動(dòng)路徑的微觀結(jié)構(gòu)，確定了包括4 個(gè)階段的微觀結(jié)構(gòu)演化的普遍特征，F(xiàn)SW 中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制取決于焊接條件，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的延遲是FSW 過程中細(xì)化晶粒的有效方法。Beygi 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，鋁鎂FSW 期間IMCs 的形成包括固態(tài)擴(kuò)散和液態(tài)擴(kuò)散兩種機(jī)制，液態(tài)擴(kuò)散機(jī)制產(chǎn)生的IMCs 被認(rèn)為是連續(xù)的。

綜上所述，采用FSW 焊接技術(shù)對(duì)鋁鎂板材進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)的探索，對(duì)于材料向輕量化方面發(fā)展具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。而本研究通過研究Al-Mg 的FSW 搭接接頭在不同焊接速度、攪拌速度及下壓量條件下接頭微觀組織、焊縫界面及IMCs 的變化，探究其焊接工藝參數(shù)與物理性能的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)?zāi)覆牟捎靡?guī)格為75 mm×150 mm×3 mm的7003 鋁合金和AZ31 鎂合金板材，化學(xué)成分見表1。

表1 7003鋁合金及AZ31鎂合金化學(xué)成分

1.2 焊接工藝

試驗(yàn)前首先將鋁合金及鎂合金板材表面打磨干凈并用酒精、丙酮清洗，搭接長度為30 mm，鎂板在上，鋁板在下，如圖1 所示。采用攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行接焊試驗(yàn)，攪拌頭為圓錐螺紋型，攪拌針長度為4.5 mm，焊接工藝見表2。

表2 焊接工藝及參數(shù)

圖1 鋁板鎂板搭接方式示意圖

1.3 試樣檢測

對(duì)焊接接頭搭接進(jìn)行宏觀形貌、微觀組織形貌及顯微硬度分析。依據(jù)GB/T 11363—2008 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，隨后采用SEM 對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察，并對(duì)斷口進(jìn)行XRD分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)焊接宏觀形貌的影響

圖2為不同攪拌速度下焊縫表面宏觀形貌及截面形貌。結(jié)果顯示，不同轉(zhuǎn)速下焊縫表面均無缺陷，在后退側(cè)均存在較為嚴(yán)重的飛邊，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，焊縫表面存在較多的毛刺，隨著轉(zhuǎn)速的提高，焊縫表面由粗糙變得光滑，紋路變得更為致密。轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，前進(jìn)側(cè)沒有觀察到Hook 缺陷（又稱吊鉤缺陷），當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min和950 r/min 時(shí)，前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)了Hook 缺陷，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)材料的上移，另外轉(zhuǎn)速為950 r/min 時(shí)，在后退側(cè)出現(xiàn)了尺寸較大的Hook 缺陷，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致攪拌區(qū)內(nèi)材料塑性流動(dòng)程度增大，提高了材料的機(jī)械變形速率，導(dǎo)致后退側(cè)有更多的材料上移。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，IMCs 數(shù)量較少，且主要分布在攪拌區(qū)底部、前進(jìn)側(cè)Hook 處及鎂板前進(jìn)側(cè)中部，當(dāng)轉(zhuǎn)速為950 r/min 時(shí)，在整個(gè)攪拌區(qū)內(nèi)都能觀察到大量IMCs，這是因?yàn)殡S著熱輸入增加，焊接峰值溫度增大，冶金反應(yīng)劇烈，更容易生成IMCs。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，鋁鎂界面過渡區(qū)形狀逐漸由平滑變得曲折復(fù)雜，接頭機(jī)械互鎖程度有所增加。

圖2 不同攪拌速度下焊縫表面宏觀形貌及截面形貌

圖3為不同焊接速度下焊縫表面宏觀形貌及截面形貌，從圖3可看出，當(dāng)焊接速度23.5 mm/min和30 mm/min時(shí)，焊縫表面光滑致密，沒有發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷；當(dāng)焊接速度增加到75 mm/min時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的犁溝缺陷，這是因?yàn)楹附铀俣冗^快導(dǎo)致材料無法及時(shí)填補(bǔ)焊接過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)空腔。觀察截面形貌可知，當(dāng)焊接速度為23.5 mm/min 時(shí)，后退側(cè)出現(xiàn)了較大尺寸的Hook缺陷，攪拌區(qū)底部及前進(jìn)側(cè)鎂板中部存在大量IMCs；當(dāng)焊接速度為75 mm/min 時(shí)，接頭成形質(zhì)量差，由于熱輸入較低沒有觀察到IMCs，攪拌區(qū)底部出現(xiàn)了隧道缺陷，根據(jù)抽吸-擠壓理論，使用右旋螺紋攪拌頭時(shí)，材料沿著攪拌針表面向下流動(dòng)，容易在攪拌針尖端附近形成瞬時(shí)空腔，當(dāng)空腔未被及時(shí)填滿就會(huì)形成隧道型缺陷[13]。

圖3 不同焊接速度下焊縫表面宏觀形貌及截面形貌

圖4為不同下壓量下焊縫表面宏觀形貌及截面形貌，從圖4可以觀察到，不同軸肩下壓量下焊縫成形均無缺陷。當(dāng)軸肩下壓量為0.3 mm 時(shí)，由于攪拌頭軸肩頂鍛壓力較小，不利于金屬的塑性流動(dòng)，鋁鎂連接界面較為平滑，沒有形成有效的機(jī)械互鎖，沒有觀察到明顯的IMCs，當(dāng)下壓量增大時(shí)，頂鍛壓力增大，利于金屬流動(dòng)，鋁鎂界面連接處生成的IMCs逐漸增加。

圖4 不同下壓量焊縫表面宏觀形貌及截面形貌

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，600-30-0.7、950-23.5-0.7、950-30-0.7、950-30-0.5 四種焊接參數(shù)的焊接接頭無明顯缺陷，且焊縫界面冶金結(jié)合良好。

2.2 微觀組織分析

圖5所示為典型的鋁鎂異種金屬FSW焊接接頭截面形貌，焊接工藝參數(shù)為950-30-0.7。將焊縫截面分4 個(gè)區(qū)域，由數(shù)字1～4 表示，1 區(qū)域?yàn)镮MCs 薄層，2 區(qū)域?yàn)閿嚢鑵^(qū)底部鋁鎂交界界面，3 區(qū)域?yàn)榍斑M(jìn)側(cè)（advancing side，AS）的Hook處，4區(qū)域?yàn)楹笸藗?cè)（retreating side，RS）的Hook處。3區(qū)域前進(jìn)側(cè)及4區(qū)域后退側(cè)的搭接界面向上遷移深入攪拌區(qū)形成Hook 形貌，根據(jù)Hook 放大圖可見，RS的Hook尺寸明顯大于AS的Hook尺寸，且RS的Hook更為復(fù)雜曲折。攪拌區(qū)內(nèi)部主要為鎂合金，底部存在大量IMCs，鎂板前進(jìn)側(cè)1區(qū)域處存在一個(gè)沿水平方向延伸的IMCs薄層。鋁鎂界面過渡區(qū)形狀復(fù)雜曲折，機(jī)械互鎖程度較高。

對(duì)圖5 中1 區(qū)域IMCs 薄層進(jìn)行線掃描，EDS 結(jié)果如圖6（a）所示，IMCs 薄層主要由鎂元素組成，同時(shí)存在少量鋁元素的成分起伏。對(duì)圖5 中2 區(qū)域鋁鎂交界處進(jìn)行面掃描，EDS 結(jié)果如圖6（b）、圖6（c）所示，紅色顯示鋁元素分布，綠色顯示鎂元素分布，可以看到在鋁鎂交界處鋁元素和鎂元素發(fā)生了擴(kuò)散，相比之下鋁元素更為密集而鎂元素較為分散，因此鋁元素向鎂側(cè)擴(kuò)散的數(shù)量較多。對(duì)圖5 中3 區(qū)域A 處和4 區(qū)域B 處進(jìn)行點(diǎn)掃描，結(jié)果如圖7 所示。根據(jù)元素比例并結(jié)合后續(xù)斷口XRD 結(jié)果可知A、B處的相（見表3），可以看到，攪拌區(qū)中主要由網(wǎng)格狀的Al12Mg17組成，網(wǎng)格內(nèi)部由鎂基體和Al12Mg17共同組成。由于Al12Mg17易形成在富鎂區(qū)，而攪拌區(qū)內(nèi)部主要為鎂合金母材，因此形成了大量Al12Mg17IMCs。

表3 EDS點(diǎn)掃結(jié)果

圖5 焊縫截面各區(qū)域形貌

圖6 圖5中2區(qū)域掃描結(jié)果

圖7 圖5中3區(qū)域A處和4區(qū)域B處點(diǎn)掃描結(jié)果

在本試驗(yàn)中，有效搭接寬度（effective lap width，ELW）表示AS尖端到RS尖端的水平距離，有效板厚（effective sheet thickness，EST）表示Hook結(jié)構(gòu)到上板表面的最短距離，將EST和ELW的乘積定義為有效承載面積（loading area，LA）。

對(duì)4組較優(yōu)參數(shù)的EST和ELW進(jìn)行測量并統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，當(dāng)攪拌速度增加時(shí)，材料的塑性流動(dòng)增強(qiáng)促使后退側(cè)材料上移量及后退側(cè)Hook 尺寸增大，導(dǎo)致EST 減?。欢D(zhuǎn)速增大也導(dǎo)致攪拌針的機(jī)械攪拌區(qū)域增加，因此ELW 增加，混合區(qū)整體尺寸增加；當(dāng)焊接速度增加時(shí)，接頭熱輸入降低，較低的熱輸入使塑性材料具有更慢的流動(dòng)速率，但是較小的塑性程度會(huì)導(dǎo)致對(duì)熱機(jī)影響區(qū)材料的推力增加，從而導(dǎo)致了鋁鎂混合區(qū)整體尺寸的增加[14]；當(dāng)下壓量減小時(shí)，由于攪拌針在鋁板內(nèi)作用長度減少，因此鋁鎂混合區(qū)整體尺寸減小。綜上所述，當(dāng)下壓量增大、焊接速度增加、旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，EST 減小，ELW 增大，LA 增大。由此可知最優(yōu)工藝參數(shù)為：攪拌速度為950 rpm，焊接速度為30 mm/min，下壓量為0.7 mm，其EST 最小值為1.27 mm、ELW最大值為4.64 mm。

圖8 不同工藝參數(shù)接頭EST、ELW以及LA尺寸統(tǒng)計(jì)圖

2.3 硬度測試

對(duì)優(yōu)選的950-30-0.7工藝下的搭接接頭進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，鋁合金母材平均硬度88.6HV0.05，鎂合金母材平均硬度53.8HV0.05。攪拌區(qū)內(nèi)存在大量連續(xù)分布的硬而脆的鋁鎂IMCs，接頭硬度升高，最高144.8HV0.05。

圖9 950-30-0.7工藝參數(shù)條件下搭接接頭顯微硬度分布

2.4 拉剪測試

對(duì)四組較優(yōu)參數(shù)下的搭接接頭進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，拉剪力結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)下壓量增大、焊接速度增加、旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，拉剪力增大。拉剪力在950-30-0.7 工藝下出現(xiàn)最大值，拉剪力最大為4.02 kN；對(duì)于950-30-0.5工藝，由于攪拌區(qū)材料未能充分混合，鋁鎂界面連接處形狀較為平滑，機(jī)械互鎖程度較低，因而拉剪力較??；對(duì)于950-23.5-0.7 工藝，較高的熱輸入導(dǎo)致材料塑性增加，對(duì)熱機(jī)影響區(qū)材料的作用力減小，從而導(dǎo)致了鋁鎂混合區(qū)整體尺寸減?。粚?duì)于600-30-0.7 工藝，較低的ELW 導(dǎo)致混合區(qū)尺寸減小，因而拉剪力較小。將圖10 不同工藝參數(shù)下拉剪力測試結(jié)果與圖8統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，拉剪力與LA 呈正相關(guān)，這表明影響拉剪力大小的主要因素為LA，LA越大，接頭拉剪力越大。

圖10 不同工藝參數(shù)下接頭拉剪力測試結(jié)果

2.4.1 斷口分析

搭接接頭斷口宏觀形貌如圖11 所示，裂紋首先萌生于Hook 尖端處，Hook 處由于形狀尖銳且存在部分微孔洞，容易引起應(yīng)力集中，所以通常為裂紋萌生的初始位置。加載過程中裂紋沿鋁鎂搭接界面逐步擴(kuò)展，最后鋁板和鎂板完全分離發(fā)生斷裂，這種裂紋沿搭接界面拓展進(jìn)而斷裂的方式稱為界面斷裂形式。

圖11 搭接接頭斷口宏觀形貌

圖12 為不同工藝參數(shù)搭接接頭斷口微觀形貌，由圖12 可知，在搭接界面處普遍存在亮白色的IMCs，950-23.5-0.7 工藝的Al 側(cè)發(fā)現(xiàn)大量白色的IMCS，這是因?yàn)榇斯に嚨霓D(zhuǎn)速和下壓量最大，行進(jìn)速度最小，因此熱輸入最大，生成大量的IMCS；950-30-0.5 工藝的斷口和950-30-0.7 工藝的斷口都可以觀察到明顯的撕裂棱；600-30-0.7 工藝Al 側(cè)斷口可以清晰地看到斷口表面分布層狀的IMCs，Mg 側(cè)則存在少量韌窩。

圖12 不同工藝參數(shù)搭接接頭斷口形貌

對(duì)950-30-0.7 工藝Mg 側(cè)斷口進(jìn)行面掃描，掃描分析結(jié)果如圖13 所示。結(jié)果表明，在斷口附近鋁鎂元素以IMCs 的形式存在，且呈臺(tái)階狀。另外，不同參數(shù)組下斷口微觀表面均沒有發(fā)現(xiàn)韌窩的存在，剪切試樣沿著剪切受力方向開裂，鋁鎂搭接界面為接頭的弱連接區(qū)域，造成接頭的失效斷裂[15]。結(jié)合圖11 接頭斷裂位置和圖12 斷口形貌分析可知，常規(guī)鋁鎂FSW 焊接接頭斷裂方式為解理脆性斷裂。

圖13 950-30-0.7參數(shù)組接頭Mg側(cè)斷口面掃描結(jié)果

2.4.2 斷口XRD測試

圖14 為950-30-0.7 參數(shù)組接頭Mg 側(cè)斷口XRD 物相分析圖譜，從XRD 物相分析圖譜中可以看到IMCs 主要組成為Al12Mg17和Al3Mg2，該結(jié)果進(jìn)一步證明了圖7 中出現(xiàn)的網(wǎng)格狀I(lǐng)MCs為Al12Mg17，出現(xiàn)Al3Mg2的主要原因可能是因?yàn)閿嗫谔幠承﹨^(qū)域的鋁元素富集，更容易生成Al3Mg2。

圖14 950-30-0.7參數(shù)組接頭Mg側(cè)斷口XRD圖譜

3 結(jié) 論

（1）焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成形質(zhì)量有顯著影響。隨著轉(zhuǎn)速的提高，焊縫表面紋路變得更加光滑致密，后退側(cè)Hook 尺寸明顯增加。行進(jìn)速度過大會(huì)導(dǎo)致冶金反應(yīng)不充分，焊縫表面出現(xiàn)嚴(yán)重的犁溝缺陷，攪拌區(qū)底部出現(xiàn)隧道缺陷。隨著壓下量的增大，前進(jìn)側(cè)飛邊消失，后退側(cè)飛邊尺寸有所增加，接頭機(jī)械互鎖程度增加。焊接工藝參數(shù)為950-30-0.7時(shí)焊縫成形最為良好。

（2）焊縫截面可觀察到明顯的Hook 形貌，RS Hook尺寸大于AS Hook且更曲折。攪拌區(qū)由網(wǎng)格狀A(yù)l12Mg17組成，內(nèi)部由鎂基體和Al12Mg17組成，AS上空存在一個(gè)沿水平方向延伸的IMCs薄層。在鋁鎂界面交界處，鋁元素更易向鎂側(cè)擴(kuò)散。

（3）鋁合金母材平均硬度為88.6HV0.05，鎂合金母材平均硬度為52.5HV0.05，焊縫中心由于鋁鎂IMCs 的存在，其硬度顯著高于兩側(cè)母材硬度，硬度值最高為144.8HV0.05。

（4）焊接工藝參數(shù)對(duì)EST 和ELW 尺寸影響較大。當(dāng)下壓量、焊接速度或旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，EST 減小，ELW 增大，有效承載面積增大。EST最小值和ELW 最大值均出現(xiàn)在950-30-0.7 參數(shù)組，分別為1.27 mm 和4.64 mm。影響拉剪強(qiáng)度大小的主要因素為有效承載面積的大小，隨著搭接接頭有效承載面積的增加，拉剪力逐漸增大，拉剪力最大值出現(xiàn)在950-30-0.7 參數(shù)組，最大值為4.02 kN，斷裂方式為解理脆性斷裂，且斷口處有較多Al12Mg17和Al3Mg2金屬間化合物。