鎂合金與鋼的攪拌摩擦焊接

　　鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程材料， 被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域。鋼是目前工業(yè)中應(yīng)用最廣的黑色金屬。目前，鋼和鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬之間的連接技術(shù)已經(jīng)日趨成熟， 但鋼和鎂合金的連接還處在研究的初期階段。國內(nèi)鎂和鋼焊接目前主要是熔焊，如夾鎳層激光電弧復(fù)合焊[4]，但鎂和鋼熔點(diǎn)差異大、晶格類型不同，從而造成它們在液態(tài)下極難互溶[5]，所以用熔焊方法焊接鎂和鋼比較困難，且激光焊接的成本較高。如果能實(shí)現(xiàn)鎂合金和鋼的優(yōu)質(zhì)連接，將為汽車工業(yè)減輕車身重量實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供一種行之有效的方法。因此, 鎂和鋼的連接問題已受到了國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。

　　攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)，是一種新的固態(tài)連接方法。目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金、銅及其合金等金屬的攪拌摩擦焊研究較多，研究表明攪拌摩擦焊可提高焊接接頭的力學(xué)性能，避 免熔化焊時出現(xiàn)的缺陷，且接頭熱影響區(qū)顯微組織變化較小[6]。鑒于攪拌摩擦焊一系列的優(yōu)點(diǎn), 國外學(xué)者用光面圓柱探針的攪拌頭成功實(shí)現(xiàn)了鎂合金與鋼的連接[7]，但焊接接頭兩種材料混合的效果不是很理想。本文以鎂合金和鋼為研究對象，采用帶螺紋探 針的攪拌頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對鎂和鋼固態(tài)焊接焊縫成形分析，為解決鎂和鋼的連接技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時為以后的深入研究奠定基礎(chǔ)。

　　1 試驗(yàn)材料和方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)采用的材料為AZ31B變形鎂合金，厚度為4mm和Q235低碳鋼，厚度為5mm進(jìn)行對接實(shí)驗(yàn)，其化學(xué)成分如表1和表2所示。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)采用對接，攪拌頭用高溫合金制成，攪拌頭軸肩直徑為24mm，帶螺紋探針直徑5.4mm，探針長為3.5mm, 用自制的焊接夾具在銑床改裝成的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接選用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)焊接速度47.5mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950r/min，探針偏移量0.15mm，軸肩下壓量0.3mm和0.4mm, 實(shí)驗(yàn)過程中攪拌頭旋轉(zhuǎn)傾角為2°。

　　試驗(yàn)中，探針偏移量的大小以探針中心偏向鎂合金時，探針外徑與鎂/鋼板接縫的距離來確定。焊前將兩種金屬的對接面及上下表面用砂紙打磨光亮，然后 用丙酮擦洗，去除油污后, 以避免工件表面的氧化物對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。焊接時，首先調(diào)整攪拌頭旋轉(zhuǎn)傾角及探針的偏移量，然后選擇合適的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)。焊后， 觀察焊縫表面成形并制備金相試樣，分析焊接接頭的截面形貌;用MVD-401型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，沿焊縫橫截面進(jìn)行顯微硬度測試。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 鎂合金與鋼FSW接頭的表面成形

　　圖 1中(a)、(b)為焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和偏移量相同時，下壓量分別為0.3mm和0.4mm時得到的對接接頭的表面成形形貌圖。由圖1a可見，當(dāng) 下壓量為0.3mm時，焊縫的表面成形良好，表面存在少數(shù)鎂被氧化，但無溝槽和裂紋等缺陷。圖1b為下壓量為0.4mm時的焊縫表面成形，可見焊縫嚴(yán)重氧 化，匙孔位置出現(xiàn)裂紋，低碳鋼與鎂合金不能形成良好的結(jié)合。

　　異種金屬焊接時，由于兩種材料的物化性能相差太大，同樣的下壓量作用下攪拌摩擦所產(chǎn)生的熱量對兩種金屬的作用效果也不一樣。在合適的焊接參數(shù)下攪 拌摩擦所產(chǎn)生的熱量能使鎂達(dá)到很好的塑化狀態(tài)，攪拌過程中破碎的鋼粒與鎂合金充分的接觸，實(shí)現(xiàn)原子間的物理結(jié)合而獲得無缺陷的焊接接頭。鎂合金導(dǎo)熱系數(shù) 高，熔點(diǎn)低，不到鋼熔點(diǎn)的1/2，焊接參數(shù)選擇不合理攪拌摩擦熱過高，在焊接過程中熱量快速向鎂側(cè)傳導(dǎo)，溫度過高鎂易燃燒而影響焊縫成形。另外，鎂合金的 熱膨脹系數(shù)大，約為鋼的2倍，彈性模量較小，在焊接過程中冷卻速度快和焊接接頭的剛性拘束度較大，易引起較大的內(nèi)應(yīng)力，從而使焊件易產(chǎn)生較大的焊接變形。 圖1b焊接過程中下壓量過大，攪拌摩擦熱過高導(dǎo)致上述各種情況的出現(xiàn)而使焊縫出現(xiàn)裂紋。

　　2.2 鎂合金與鋼FSW接頭的截面形貌

　　圖2為鎂合金與鋼對接接頭焊縫的截面形態(tài)，焊縫左側(cè)為鋼，右側(cè)為鎂合金。從圖中可發(fā)現(xiàn)鎂合金側(cè)存在細(xì)小的鋼粒，并與攪拌區(qū)的金屬混合形成了焊核。 在鋼側(cè)，焊核與母材的分界明顯，粗大的鋼顆粒分布在界面處;而在鎂合金側(cè)，分界不如前者明顯，且分布在界面處鋼顆粒相對較細(xì);焊縫中心也出現(xiàn)少數(shù)較大的鐵 顆粒。焊核區(qū)為兩種金屬材料形成的混合組織。

接頭截面形態(tài)

　　圖3a、圖3b和圖3c是圖2中A、B、C三點(diǎn)的放大圖。圖3a可見，圖左側(cè)為鋼母材區(qū)，右側(cè)為焊縫區(qū)，剪切帶狀的鋼帶分布于鋼基體邊緣;圖3b為焊縫中 部，鋼顆粒比較少且顆粒相對較細(xì)呈島狀分布于鎂基體中;圖3c中右側(cè)為接近基體鎂，左側(cè)為的焊縫邊緣區(qū)，細(xì)小島狀的鋼粒分布鎂合金中，且越靠近基體鎂合金 焊縫區(qū)的鋼顆粒越細(xì)。界面部分的鋼在受熱和機(jī)械的綜合作用下，與基體脫離，并在攪拌針旋轉(zhuǎn)作用下，進(jìn)入鎂合金一側(cè)�？拷�界面的鋼，主要受攪拌針的剪切作 用，保留從鋼基體剝離下來的狀態(tài)，呈現(xiàn)粗大的剪切條帶，而遠(yuǎn)離焊核的剪切鋼帶在攪拌針的攪拌、摩擦綜合作用下被攪碎，在鎂基體中呈島狀分布。攪拌摩擦焊過 程溫度相對較低，鋼還沒有完全達(dá)到塑化態(tài)，鎂就已經(jīng)達(dá)到了良好的塑化態(tài)，此時鎂合金的塑性流動較好。探針攪拌作用下得到細(xì)小的鋼粒隨鎂合金一起塑性遷移到 焊縫中心及遠(yuǎn)離界面的鎂合金側(cè)，粗大的鋼粒塑性流動差，難以隨鎂合金一起長距離進(jìn)行遷移，在金屬的塑性流動過程漸漸被攪拌積壓到焊縫邊緣附近。

　　2.3 焊接接頭硬度

　　圖4為接頭橫截面上的顯微硬度分布圖。由硬度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，Q235 低碳鋼的硬度在170HV左右，鋼側(cè)靠近焊核區(qū)鋼的硬度增大與該區(qū)的細(xì)晶強(qiáng)化有關(guān)。圖5是圖4中鋼側(cè)靠近界面局部硬度較高區(qū)域截面形貌圖，此區(qū)域比基材鋼 的平均硬度要高，這是因?yàn)榇藚^(qū)域在熱和軸肩及探針的擠壓綜合的作用下產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，晶粒得到細(xì)化和均勻化，顯微硬度隨著晶粒的細(xì)化而增加，這也符 合霍爾一佩奇公式。AZ31B鎂合金的平均硬度在62HV左右，焊核區(qū)的最高硬度值達(dá)到180HV，大大高于鎂合金母材的硬度，焊核區(qū)硬度值分布不均勻是 因?yàn)樵撎庝摿４笮〔灰坏某蓫u狀分布于鎂合金中。局部區(qū)域高硬度的產(chǎn)生可能是在焊核局部區(qū)域存在大顆鋼粒所至。

靠近界面鋼的截面形貌

　　3 結(jié)束語

　　3.1 當(dāng)焊接工藝參數(shù)選擇合適，用攪拌摩擦焊方法可得到焊縫表面成形良好、無缺陷的鎂合金與鋼的接頭。

　　3.2 靠近界面處，焊核中存在粗大的剪切鋼帶，遠(yuǎn)離界面，焊核中的鋼粒較細(xì)小。

　　3.3 受細(xì)晶強(qiáng)化的影響靠近界面鋼的硬度增大，焊核中島狀分布的鋼粒引起硬度分布不均勻，局部硬度較大。