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标准与技术

镁铝异种合金搅拌摩擦焊连接组织与性能试验探究

发布时间:2019-03-12   来源:GAF螺丝君   作者:王 浩  

  1. 搅拌摩擦焊技术介绍

  搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种新颖的焊接技术,其原理是高速旋转特殊几何形状的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动,在搅拌头的高速旋转下,搅拌头与接触部位产生摩擦热,使其周围金属形成塑性软化层,通过搅拌头旋转产生的挤压使其软化层金属填充搅拌针后形成的空腔,并在搅拌头轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接的固相焊接方法。

  搅拌摩擦焊原理

  2. 镁铝异种金属搅拌摩擦焊研究背景

  搅拌摩擦焊是一种新型连接技术,最初应用于同种合金铝合金的连接,在焊接过程中,焊接工件和搅拌针及轴肩产生的摩擦热,这些摩擦热不能使焊接工件熔化,只能使焊接的部件达到热塑性状态不能达到熔融状态。

  而基于以上特性这种焊接方法有了高效、节能、环保、的特点,被誉为“绿色连接技术”。

  相对于传统的焊接方式相比,搅拌摩擦焊可以呈现以下优点(研究背景重点介绍为什么要采用搅拌摩擦焊镁/铝异种合金,相比其他焊接方法的优缺点)

  1)焊材方面,消耗焊材比较少。由于搅拌头属于非消耗性材料,焊接过程中也不需要有保护气体同时不需要有填丝耗材,所以节约很大一部分成本。

  2)焊接操作方面,易操作,便于自动化,焊接周期短。以同种铝合金搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊为例进行对比,搅拌摩擦焊可以缩短一半的焊接时间。

  3)在冶金方面,由于搅拌摩擦焊属于固相焊接方法,热输入小,未使得金属熔化,避免了凝固过程中所产生的气孔、缩孔、疏松及成分偏析等凝固缺陷。

  4)在绿色环保方面,搅拌摩擦焊焊接过程安全、无飞溅、无烟尘烟气、无辐射,污染小。

  3. 工艺参数对界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊组织与性能的影响实验

  实验采用向焊缝中加入与镁/铝合金都能很好地形成中间过渡层的合金元素来使界面合金化的方法,以抑制脆性相的产生和提高焊接接头强度。

  本文以 AZ31 镁合金与 5052 铝合金搅拌摩擦焊对接焊为研究对象,采用在对界面上加入元素的方法,重点研究以下内容:

  1)研究界面合金化 Cu 元素对组织变化的影响。

  2)研究不同工艺条件下,界面添加 Cu 元素对焊接接头性能的影响。

  3)初步探讨 Mg/Al 异种合金搅拌摩擦焊的连接机制。

  正交实验因素水平表

  正交实验设计方案

  影响界面合金化镁/铝异种合金焊接接头主要因素:搅拌头的旋转速度(r/min)、搅拌头偏移量、搅拌头的进给速度(mm/min)、铜箔厚度(mm,铜箔厚度用n表示)具体参数如上表所示。

  正交实验结果直观分析表

  上表编号3实验所得焊接接头拉伸强度最低,接头平均拉伸强度 13.45MPa,断裂位置在焊接接头偏铝侧;5号实验所得焊接接头拉伸强度最高,断裂位置在焊接接头偏铝侧,接头的平均的拉伸强度为 92.15MPa,相当于AZ31镁合金的强度的 38.4%。

  根据影响界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊的因素依次是:进给速度>铜箔厚度>旋转速度>偏移量,作单因素影响实验,探讨进给速度和铜箔厚度对界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊的影响,即不同进给速度对界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊的影响和添加不同铜箔厚度对界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊的影响,焊接参数如表。

  选取的焊接参数

  对应上表焊接接头宏观形貌

  1、进给速度对界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊的影响

  进给速度对界面合金化镁/铝搅拌摩擦焊的影响:1号实验、2号实验、3号实验、拉伸强度依次为 82.7MPa、85.7MPa、69.8MPa;4号实验、5号实验、6号实验、拉伸强度依次为 62.4MPa、53.8MPa、45.3MPa;7号实验、8号实验、9号实验、拉伸强度依次为 79.8MPa、73.2MPa、55.7MPa,由下图可见进给速度对焊后强度并无太大影响(详情见下图拉伸强度曲线总结图)。

  2、铜箔厚度对镁/铝搅拌摩擦焊的影响

  铜箔厚度对镁/铝搅拌摩擦焊的影响:1号实验、4号实验、7号实验拉伸强度依次为 82.7MPa、62.4MPa、79.8MPa;2号实验、5号实验、8号实验拉伸强度依次 为85.7MPa、53.8MPa、73.2MPa;3号实验、6号实验、9号实验拉伸强度依次为 69.8MPa、45.3MPa、55.7MPa。显然,随着添加铜箔厚度增加,焊接接头的拉伸强度依次降低(详情见下图拉伸强度曲线总结图)。

  拉伸强度曲线总结图

  下图是实验编号2、5、8是实验显微硬度曲线,三条曲线变化基本上一致,两边变化平缓,中间成“M”形,说明在焊核中间存在铜元素,可能生成物相Al2Cu 和 MgCu2 降低了硬度,硬度曲线中间突起是因为在搅拌摩擦焊过程中产热很大,可能致使焊核区部分金属发生熔化,在金属冷却过程中,镁和铝发生冶金反应可能生成硬度高的脆性性 Mg17Al12 相,两边平缓是因为两边发生的冶金反应较少,生成的金属间化合物很少,硬度值接近于母材。从硬度曲线也可以反应出中间有硬金属相,从而降低焊接力学性能。

  焊缝中心区域硬度分布

  2号实验微观组织照片(ν=100mm/min)

  图(E)和图(F)以及图(J)这三张照片都是焊核区组织的照片,图(E)是偏于镁侧的焊核区组织照片,图(F)是焊接对界面的焊核组织照片,图(J)是偏于铝侧的焊核区组织照片。

  焊核区的组织明显要比母材区的组织要细小和均匀,焊核区组织同时受到热循环和机械搅拌作用,晶粒发生动态再结晶,同时受到搅拌针的机械作用,组织也有一定的破碎,所以该区域的晶粒均匀细小。

  5号实验微观组织照片(ν=200mm/min)

  8号实验微观组织照片(ν=300mm/min)

  实验2、5、8焊接接头焊缝区域XRD图谱

  实验2、5、8焊接接头焊缝区域得到的X射线衍射图谱,从图中的衍射峰分析到Al3Mg2、Mg17Al12、AlCu、Al2Cu、MgCu2的衍射峰。

  4. 界面Cu合金化对焊缝性能的影响

  选用焊接材料为 AZ31 镁合金(厚度2mm)、5052 铝合金(厚度2mm),Cu箔厚度为 0.01,焊接方式对接焊,装配时,将 5052 铝合金置于前进侧,AZ31 镁合金置于后退侧,并用夹具对母材固定。

  搅拌头形状为圆柱形,根部直径 4mm,长度 1.85mm,轴肩直径 10mm。焊接工艺参数为:焊接进给速度 100mm/min,焊接旋转速度为 1200r/min,搅拌头倾角2°搅拌针在镁铝轧制板材中心。未添加 Cu 箔的工艺称为 M1,采用纯铜箔作为中间夹层的工艺称为 M2。

  从接头宏观形貌来看,M1 的表面有裂纹而且有起皮现象。而 M2 焊缝表面无明显的交接线和明显的缺陷(如下图所示)。

  表面焊接形貌

  接头断口照片

  拉伸实验表明,5052 铝合金与 AZ31 镁合金焊接接头在做拉伸试样就脆断,几乎没有抗拉强度,因为在两种异种合金界面处有明显的缺陷,它的连接方式就是简单的机械连接,因此焊接接头抗拉强度很低。

  只有在进给速度 100mm/min,旋转速 1000r/min 焊缝表面焊接表面较好;最大拉升强度能达到 32.7MPa 。从M1图来看,断裂发生在接头中心偏铝合金一侧,断口照片中有解理面存在属于脆性断裂。

  在 5052 铝合金与 AZ31 镁合金中间加入铜箔后接头抗拉强度最高能达到 86.2MPa,从接头断口宏观形貌来看,断裂发生在接头中心偏镁合金一侧如图M2。

  焊接接头导致断裂发生的原因在于在搅拌摩擦焊过程中,焊接温度较高部分金属熔化,随着温度的降低 Mg 与 Al 发生了共晶反应生成了金属间化合物 Al3Mg2 和 Al12Mg17 这层金属间化合物是裂纹萌生的起源。

  加入铜箔通过元素扩散生成 AlCu、Al2Cu、MgCu2 等金属间化合物,对接头力学性能有一定的改善,从而提高了焊接接头的力学性能。

  M1 和 M2 的焊接接头显微硬度分布曲线如上图所示。5052 铝合金和 AZ31 镁合金焊接接头硬度分布近似成‘M’形,在镁铝异种合金对接面加入铜箔焊接接头硬度分布近似成‘Λ’形,这两种焊接接头都是中间搅拌针区域的硬度明显高于两边的硬度。

  轴肩作用的区域材料硬度没有明显的变化,搅拌针作用的区域明显比轴肩作用的区域高。这是由于焊核区两种异种合金 Al 和 Mg 发生了反应生成金属间化合物Al3Mg2 和 Al12Mg17,使得搅拌作用区域的硬度增加。

  5. 界面Cu合金化对焊缝组织变化的影响

  M1试样搅拌摩擦焊的微观组织图片

  (c)是镁侧热机影响区的微观组织,由于受到轴肩剪切力作用,摩擦产生的热使部分晶粒动态再结晶,出现比较细小的晶粒

  (d)  是焊核区的微观组织,焊核区受到搅拌针的搅拌,发生强烈的塑性变形,并发生动态再结晶,从而形成晶粒细小的等轴晶组织。因此焊核区和其他区域比较,晶粒明显细化。

  (e)中可以看出 5052 铝合金和 AZ31 镁合金交界处有明显的隧道型缺陷,大约有 14.5μm。

  (f)中可以看到镁合金和铝合金交织在一起,镁合金和铝合金界限模糊。

  M2试样界面处的微观组织图片

  (a) 和 (b) 分别是镁合金母材区和热影响区,可以看出热影响区的晶粒有明显变形而且有少量的再结晶晶粒,与 M1 相应的区域组织一样。

  (c)是热机影响区的微观组织,晶粒尺寸比热影响区的更细小。

  (d)和(f)可以看出焊核区无明显的缺陷,铜具有良好的导热性能,铜和铝发生共晶反应生成共晶体 Al2Cu,铜和镁发生共晶反应生成共晶体 MgCu2 ,共晶体 Al2Cu 及 MgCu2 有较好的塑性,从图(d)和图(f)在对接面添加铜箔作为中间夹层后,消除了镁铝对接面上的缺陷。

  M1接头XRD图

  X 射线衍射分析结果显示,M1 的焊接接头检测出 Al3Mg2 和 Al12Mg17 的衍射峰如图(a),焊接时镁铝合金的界面处生成两种金属间化合物,其中脆性相Al12Mg17 严重影响了焊接接头的力学性能和硬度。

  M2接头XRD图

  M2 的焊接接头检测出 Al3Mg2、Al12Mg17、AlCu、Al2Cu、MgCu2等物相,其衍射峰如图(b)所示。对比两种焊接条件下的 XRD 分析结果,可以看出,在 M1 条件下,Al3Mg2、Al12Mg17 的最强峰均比 M2 条件下相应金属间化合物的最强峰值高,表明添加 Cu 箔后减少了有害金属间化合物的形成。

  6. 试验结论

  (1) 5052 铝合金和镁合金 AZ31 进行对接焊接在焊接参数为旋转速度 1200r/min 进给速度 100mm/min 参数下得到焊接接头组织有明显的缺陷。在焊接对接面添加 0.1mm 铜箔作为中间夹层,得到较好焊接接头组织。

  (2)5052 铝合金和镁合金 AZ31 进行对接焊接接头对接面的微观组织有明显的缺陷,添加铜箔后得到良好的焊接接头微观组织。

  (3)5052 铝合金和镁合金 AZ31 焊接接头硬度分布近似成‘M’形,加入铜箔焊接接头硬度分布近似成‘Λ’形。

      (4)5052 铝合金和镁合金 AZ31 焊接接头分析出有存在的 Al3Mg2 和Al12Mg17 金属间化合物,是接头力学性能较低的一个主要原因;添加铜箔后改变了接头处的金属间化合物种类和数量,接头抗拉强度也有所改善,最大达到 86.2MPa。

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