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标準與技術

鎂鋁異種合金攪拌摩擦焊連接組織與性能試驗探究

發布時間:2019-03-12   來源:GAF螺絲君   作者:王 浩  

  1. 攪拌摩擦焊技術介紹

  攪拌摩擦焊是英國焊接研究所(TWI)于1991年發明的一種新穎的焊接技術,其原理是高速旋轉特殊幾何形狀的攪拌頭紮入工件後沿焊接方向運動,在攪拌頭的高速旋轉下,攪拌頭與接觸部位產生摩擦熱,使其周圍金屬形成塑性軟化層,通過攪拌頭旋轉產生的擠壓使其軟化層金屬填充攪拌針後形成的空腔,并在攪拌頭軸肩與攪拌針的攪拌及擠壓作用下實現材料連接的固相焊接方法。

  攪拌摩擦焊原理

  2. 鎂鋁異種金屬攪拌摩擦焊研究背景

  攪拌摩擦焊是一種新型連接技術,最初應用于同種合金鋁合金的連接,在焊接過程中,焊接工件和攪拌針及軸肩產生的摩擦熱,這些摩擦熱不能使焊接工件熔化,隻能使焊接的部件達到熱塑性狀态不能達到熔融狀态。

  而基于以上特性這種焊接方法有了高效、節能、環保、的特點,被譽為“綠色連接技術”。

  相對于傳統的焊接方式相比,攪拌摩擦焊可以呈現以下優點(研究背景重點介紹為什麼要采用攪拌摩擦焊鎂/鋁異種合金,相比其他焊接方法的優缺點)

  1)焊材方面,消耗焊材比較少。由于攪拌頭屬于非消耗性材料,焊接過程中也不需要有保護氣體同時不需要有填絲耗材,所以節約很大一部分成本。

  2)焊接操作方面,易操作,便于自動化,焊接周期短。以同種鋁合金攪拌摩擦焊和鎢極氩弧焊為例進行對比,攪拌摩擦焊可以縮短一半的焊接時間。

  3)在冶金方面,由于攪拌摩擦焊屬于固相焊接方法,熱輸入小,未使得金屬熔化,避免了凝固過程中所產生的氣孔、縮孔、疏松及成分偏析等凝固缺陷。

  4)在綠色環保方面,攪拌摩擦焊焊接過程安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射,污染小。

  3. 工藝參數對界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊組織與性能的影響實驗

  實驗采用向焊縫中加入與鎂/鋁合金都能很好地形成中間過渡層的合金元素來使界面合金化的方法,以抑制脆性相的產生和提高焊接接頭強度。

  本文以 AZ31 鎂合金與 5052 鋁合金攪拌摩擦焊對接焊為研究對象,采用在對界面上加入元素的方法,重點研究以下内容:

  1)研究界面合金化 Cu 元素對組織變化的影響。

  2)研究不同工藝條件下,界面添加 Cu 元素對焊接接頭性能的影響。

  3)初步探讨 Mg/Al 異種合金攪拌摩擦焊的連接機制。

  正交實驗因素水平表

  正交實驗設計方案

  影響界面合金化鎂/鋁異種合金焊接接頭主要因素:攪拌頭的旋轉速度(r/min)、攪拌頭偏移量、攪拌頭的進給速度(mm/min)、銅箔厚度(mm,銅箔厚度用n表示)具體參數如上表所示。

  正交實驗結果直觀分析表

  上表編号3實驗所得焊接接頭拉伸強度最低,接頭平均拉伸強度 13.45MPa,斷裂位置在焊接接頭偏鋁側;5号實驗所得焊接接頭拉伸強度最高,斷裂位置在焊接接頭偏鋁側,接頭的平均的拉伸強度為 92.15MPa,相當于AZ31鎂合金的強度的 38.4%。

  根據影響界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊的因素依次是:進給速度>銅箔厚度>旋轉速度>偏移量,作單因素影響實驗,探讨進給速度和銅箔厚度對界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響,即不同進給速度對界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響和添加不同銅箔厚度對界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響,焊接參數如表。

  選取的焊接參數

  對應上表焊接接頭宏觀形貌

  1、進給速度對界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響

  進給速度對界面合金化鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響:1号實驗、2号實驗、3号實驗、拉伸強度依次為 82.7MPa、85.7MPa、69.8MPa;4号實驗、5号實驗、6号實驗、拉伸強度依次為 62.4MPa、53.8MPa、45.3MPa;7号實驗、8号實驗、9号實驗、拉伸強度依次為 79.8MPa、73.2MPa、55.7MPa,由下圖可見進給速度對焊後強度并無太大影響(詳情見下圖拉伸強度曲線總結圖)。

  2、銅箔厚度對鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響

  銅箔厚度對鎂/鋁攪拌摩擦焊的影響:1号實驗、4号實驗、7号實驗拉伸強度依次為 82.7MPa、62.4MPa、79.8MPa;2号實驗、5号實驗、8号實驗拉伸強度依次 為85.7MPa、53.8MPa、73.2MPa;3号實驗、6号實驗、9号實驗拉伸強度依次為 69.8MPa、45.3MPa、55.7MPa。顯然,随着添加銅箔厚度增加,焊接接頭的拉伸強度依次降低(詳情見下圖拉伸強度曲線總結圖)。

  拉伸強度曲線總結圖

  下圖是實驗編号2、5、8是實驗顯微硬度曲線,三條曲線變化基本上一緻,兩邊變化平緩,中間成“M”形,說明在焊核中間存在銅元素,可能生成物相Al2Cu 和 MgCu2 降低了硬度,硬度曲線中間突起是因為在攪拌摩擦焊過程中產熱很大,可能緻使焊核區部分金屬發生熔化,在金屬冷卻過程中,鎂和鋁發生冶金反應可能生成硬度高的脆性性 Mg17Al12 相,兩邊平緩是因為兩邊發生的冶金反應較少,生成的金屬間化合物很少,硬度值接近于母材。從硬度曲線也可以反應出中間有硬金屬相,從而降低焊接力學性能。

  焊縫中心區域硬度分布

  2号實驗微觀組織照片(ν=100mm/min)

  圖(E)和圖(F)以及圖(J)這三張照片都是焊核區組織的照片,圖(E)是偏于鎂側的焊核區組織照片,圖(F)是焊接對界面的焊核組織照片,圖(J)是偏于鋁側的焊核區組織照片。

  焊核區的組織明顯要比母材區的組織要細小和均勻,焊核區組織同時受到熱循環和機械攪拌作用,晶粒發生動态再結晶,同時受到攪拌針的機械作用,組織也有一定的破碎,所以該區域的晶粒均勻細小。

  5号實驗微觀組織照片(ν=200mm/min)

  8号實驗微觀組織照片(ν=300mm/min)

  實驗2、5、8焊接接頭焊縫區域XRD圖譜

  實驗2、5、8焊接接頭焊縫區域得到的X射線衍射圖譜,從圖中的衍射峰分析到Al3Mg2、Mg17Al12、AlCu、Al2Cu、MgCu2的衍射峰。

  4. 界面Cu合金化對焊縫性能的影響

  選用焊接材料為 AZ31 鎂合金(厚度2mm)、5052 鋁合金(厚度2mm),Cu箔厚度為 0.01,焊接方式對接焊,裝配時,将 5052 鋁合金置于前進側,AZ31 鎂合金置于後退側,并用夾具對母材固定。

  攪拌頭形狀為圓柱形,根部直徑 4mm,長度 1.85mm,軸肩直徑 10mm。焊接工藝參數為:焊接進給速度 100mm/min,焊接旋轉速度為 1200r/min,攪拌頭傾角2°攪拌針在鎂鋁軋制闆材中心。未添加 Cu 箔的工藝稱為 M1,采用純銅箔作為中間夾層的工藝稱為 M2。

  從接頭宏觀形貌來看,M1 的表面有裂紋而且有起皮現象。而 M2 焊縫表面無明顯的交接線和明顯的缺陷(如下圖所示)。

  表面焊接形貌

  接頭斷口照片

  拉伸實驗表明,5052 鋁合金與 AZ31 鎂合金焊接接頭在做拉伸試樣就脆斷,幾乎沒有抗拉強度,因為在兩種異種合金界面處有明顯的缺陷,它的連接方式就是簡單的機械連接,因此焊接接頭抗拉強度很低。

  隻有在進給速度 100mm/min,旋轉速 1000r/min 焊縫表面焊接表面較好;最大拉升強度能達到 32.7MPa 。從M1圖來看,斷裂發生在接頭中心偏鋁合金一側,斷口照片中有解理面存在屬于脆性斷裂。

  在 5052 鋁合金與 AZ31 鎂合金中間加入銅箔後接頭抗拉強度最高能達到 86.2MPa,從接頭斷口宏觀形貌來看,斷裂發生在接頭中心偏鎂合金一側如圖M2。

  焊接接頭導緻斷裂發生的原因在于在攪拌摩擦焊過程中,焊接溫度較高部分金屬熔化,随着溫度的降低 Mg 與 Al 發生了共晶反應生成了金屬間化合物 Al3Mg2 和 Al12Mg17 這層金屬間化合物是裂紋萌生的起源。

  加入銅箔通過元素擴散生成 AlCu、Al2Cu、MgCu2 等金屬間化合物,對接頭力學性能有一定的改善,從而提高了焊接接頭的力學性能。

  M1 和 M2 的焊接接頭顯微硬度分布曲線如上圖所示。5052 鋁合金和 AZ31 鎂合金焊接接頭硬度分布近似成‘M’形,在鎂鋁異種合金對接面加入銅箔焊接接頭硬度分布近似成‘Λ’形,這兩種焊接接頭都是中間攪拌針區域的硬度明顯高于兩邊的硬度。

  軸肩作用的區域材料硬度沒有明顯的變化,攪拌針作用的區域明顯比軸肩作用的區域高。這是由于焊核區兩種異種合金 Al 和 Mg 發生了反應生成金屬間化合物Al3Mg2 和 Al12Mg17,使得攪拌作用區域的硬度增加。

  5. 界面Cu合金化對焊縫組織變化的影響

  M1試樣攪拌摩擦焊的微觀組織圖片

  (c)是鎂側熱機影響區的微觀組織,由于受到軸肩剪切力作用,摩擦產生的熱使部分晶粒動态再結晶,出現比較細小的晶粒

  (d)  是焊核區的微觀組織,焊核區受到攪拌針的攪拌,發生強烈的塑性變形,并發生動态再結晶,從而形成晶粒細小的等軸晶組織。因此焊核區和其他區域比較,晶粒明顯細化。

  (e)中可以看出 5052 鋁合金和 AZ31 鎂合金交界處有明顯的隧道型缺陷,大約有 14.5μm。

  (f)中可以看到鎂合金和鋁合金交織在一起,鎂合金和鋁合金界限模糊。

  M2試樣界面處的微觀組織圖片

  (a) 和 (b) 分别是鎂合金母材區和熱影響區,可以看出熱影響區的晶粒有明顯變形而且有少量的再結晶晶粒,與 M1 相應的區域組織一樣。

  (c)是熱機影響區的微觀組織,晶粒尺寸比熱影響區的更細小。

  (d)和(f)可以看出焊核區無明顯的缺陷,銅具有良好的導熱性能,銅和鋁發生共晶反應生成共晶體 Al2Cu,銅和鎂發生共晶反應生成共晶體 MgCu2 ,共晶體 Al2Cu 及 MgCu2 有較好的塑性,從圖(d)和圖(f)在對接面添加銅箔作為中間夾層後,消除了鎂鋁對接面上的缺陷。

  M1接頭XRD圖

  X 射線衍射分析結果顯示,M1 的焊接接頭檢測出 Al3Mg2 和 Al12Mg17 的衍射峰如圖(a),焊接時鎂鋁合金的界面處生成兩種金屬間化合物,其中脆性相Al12Mg17 嚴重影響了焊接接頭的力學性能和硬度。

  M2接頭XRD圖

  M2 的焊接接頭檢測出 Al3Mg2、Al12Mg17、AlCu、Al2Cu、MgCu2等物相,其衍射峰如圖(b)所示。對比兩種焊接條件下的 XRD 分析結果,可以看出,在 M1 條件下,Al3Mg2、Al12Mg17 的最強峰均比 M2 條件下相應金屬間化合物的最強峰值高,表明添加 Cu 箔後減少了有害金屬間化合物的形成。

  6. 試驗結論

  (1) 5052 鋁合金和鎂合金 AZ31 進行對接焊接在焊接參數為旋轉速度 1200r/min 進給速度 100mm/min 參數下得到焊接接頭組織有明顯的缺陷。在焊接對接面添加 0.1mm 銅箔作為中間夾層,得到較好焊接接頭組織。

  (2)5052 鋁合金和鎂合金 AZ31 進行對接焊接接頭對接面的微觀組織有明顯的缺陷,添加銅箔後得到良好的焊接接頭微觀組織。

  (3)5052 鋁合金和鎂合金 AZ31 焊接接頭硬度分布近似成‘M’形,加入銅箔焊接接頭硬度分布近似成‘Λ’形。

      (4)5052 鋁合金和鎂合金 AZ31 焊接接頭分析出有存在的 Al3Mg2 和Al12Mg17 金屬間化合物,是接頭力學性能較低的一個主要原因;添加銅箔後改變了接頭處的金屬間化合物種類和數量,接頭抗拉強度也有所改善,最大達到 86.2MPa。

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