AZ31鎂合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織及性能

呂東澤， 劉 威， 李于朋

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的剛度和阻尼性能，并且具有良好的鑄造性、可回收利用等優(yōu)良特性[1-3]，近年來(lái)在汽車(chē)、航空航天、電子通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5]。工程上鎂合金通常采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊[6]、激光焊[7]、電子束焊[8]等工藝進(jìn)行連接，但焊接接頭易出現(xiàn)氣孔、夾雜、熱裂紋、殘余應(yīng)力高、焊后變形大等缺陷。攪拌摩擦焊[9](Friction Stir Welding， FSW)與傳統(tǒng)熔焊相比，焊接溫度顯著降低[10]，殘余應(yīng)力和變形量大幅下降，避免了傳統(tǒng)熔焊過(guò)程中金屬凝固帶來(lái)的問(wèn)題。FSW雖然解決了傳統(tǒng)熔化焊常見(jiàn)的問(wèn)題，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中產(chǎn)生了新的問(wèn)題，如焊接接頭根部易產(chǎn)生未焊透的缺陷，中空型材無(wú)法進(jìn)行焊接的問(wèn)題。BT-FSW由于其特殊結(jié)構(gòu)的攪拌頭很好地解決了上述問(wèn)題。

目前，關(guān)于鎂合金采用BT-FSW方面的研究可見(jiàn)少量的文獻(xiàn)報(bào)道。Liu F等[11]研究了10 mm AZ31鎂合金FSW和BT-FSW焊接接頭的力學(xué)性能。BT-FSW焊接接頭與FSW焊接接頭相比，組織更加均勻，具有良好的拉伸性能。BT-FSW焊接接頭效率為母材的85.3%。Zhou L等[12]研究了旋轉(zhuǎn)速度對(duì)5 mm AZ61鎂合金B(yǎng)T-FSW焊接接頭力學(xué)性能的影響。在無(wú)缺陷的焊接接頭中，拉伸性能隨轉(zhuǎn)速的提高而下降，焊接接頭的最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到213 MPa，接頭效率為79.8%。Li W Y等[13]利用BT-FSW焊接2 mm AZ31鎂合金，研究了攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度對(duì)接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的提高，拉伸性能有所改善,但是旋轉(zhuǎn)速度對(duì)力學(xué)性能的影響有限。同時(shí)發(fā)現(xiàn)鎂合金B(yǎng)T-FSW接頭中TMAZ組織為等軸晶，而鋁合金B(yǎng)T-FSW接頭中TMAZ組織為變形拉長(zhǎng)的晶粒。鎂合金的組織結(jié)構(gòu)根本上是與焊接時(shí)的熱輸入有關(guān)，而關(guān)于鎂合金雙軸肩焊接的熱循環(huán)特性還未見(jiàn)報(bào)道，因此，文中對(duì)AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW熱循環(huán)、接頭微觀組織特點(diǎn)及力學(xué)性能進(jìn)行了研究，以此為鎂合金的BT-FSW提供一些參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試樣材料為商用熱軋鎂合金AZ31(200 mm×100 mm×4 mm)，化學(xué)成分、力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)組成 %

表2 AZ31鎂合金的力學(xué)性能

采用FSW-LM-AL16-2D進(jìn)行BT-FSW焊接試驗(yàn)，雙軸肩攪拌頭上下軸肩直徑均為16 mm，攪拌針直徑為6 mm，針長(zhǎng)為3.8 mm。焊接前用丙酮清除試樣表面污垢。焊接工藝參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)速度1 000 r/min，焊接速度500 mm/min。

用K型熱電偶和數(shù)字記錄儀測(cè)量焊縫兩側(cè)不同位置的瞬時(shí)溫度，如圖1所示。

圖1 熱電偶測(cè)溫點(diǎn)位置示意圖

焊后垂直于焊接方向截取金相試樣。經(jīng)打磨拋光至表面無(wú)劃痕，用1 g草酸、1 mL硝酸、1 mL乙酸、150 mL水配成的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕。在FM-800型顯微硬度儀上測(cè)試焊接接頭的硬度分布，試驗(yàn)加載載荷為50 g，加載時(shí)間為10 s。根據(jù)GB/T228.1-2010制備拉伸試件，在WDW-200型電伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量接頭的強(qiáng)度，采用Gemini Supra40 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接熱循環(huán)

AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW過(guò)程中焊接接頭前進(jìn)側(cè)(Advancing side， AS)和后退側(cè)(Retreating side， RS)熱循環(huán)溫度曲線(xiàn)如圖2所示。

(a) 前進(jìn)側(cè) (b) 后退側(cè)

由圖中可以看出，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱循環(huán)溫度曲線(xiàn)有相似的變化趨勢(shì)。前進(jìn)側(cè)距焊縫中心3～14 mm測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度分別為403,277,190,155,125 ℃；后退側(cè)距焊縫中心3～14 mm測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度分別為423,281,197,166,110 ℃。從室溫經(jīng)過(guò)短時(shí)間的預(yù)熱，焊縫不同測(cè)溫點(diǎn)溫度迅速達(dá)到峰值。距離焊縫中心越近，焊接峰值溫度越高。后退側(cè)峰值溫度高于前進(jìn)側(cè)峰值溫度，差值在10 ℃左右。

這是由于前進(jìn)側(cè)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向相同的一側(cè)，后退側(cè)與之相反，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)比后退側(cè)應(yīng)變速率大，由塑性變形產(chǎn)生的熱量也高于后退側(cè)。BT-FSW過(guò)程中由于工件不和鋼制支撐墊板接觸，熱量不會(huì)像FSW迅速地傳導(dǎo)到墊板上，而是在攪拌頭旋轉(zhuǎn)作用下，隨塑性金屬?gòu)那斑M(jìn)側(cè)轉(zhuǎn)移到后退側(cè)，因此后退側(cè)金屬中積累了更多的熱量。導(dǎo)致在距焊縫中心相同距離處，前進(jìn)側(cè)的溫度低于后退側(cè)的溫度。

2.2 接頭組織結(jié)構(gòu)

4 mm鎂合金B(yǎng)T-FSW焊接接頭的橫截面宏觀形貌如圖3所示。

圖3 AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW接頭橫截面形貌

接頭呈“啞鈴型”分布，由于不同區(qū)域所受熱循環(huán)溫度以及塑性變形程度不同，接頭不同區(qū)域顯微組織存在明顯差異。一般將BT-FSW接頭分為母材(BM)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、焊核區(qū)(SZ)[14]。AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW接頭各區(qū)域微觀組織如圖4所示。

圖4(a)為BM的顯微組織，晶粒大小不均勻，由等軸晶和拉長(zhǎng)的晶粒構(gòu)成，采用線(xiàn)性截距法計(jì)算等軸晶平均晶粒尺寸為10.58 μm，而大的晶粒尺寸達(dá)到25.63 μm。SZ顯微組織為均勻的等軸晶，SZ在熱-機(jī)耦合作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成均勻的等軸狀晶粒，平均晶粒尺寸為14.49 μm(見(jiàn)圖4(b))。圖4(c)、(d)分別為AS-TMAZ和RS-TMAZ微觀組織，TMAZ由粗大的等軸晶構(gòu)成，相關(guān)研究表明[15]，鋁合金FSW時(shí),TMAZ由于受到力和熱的雙重作用，晶粒發(fā)生了彎曲變形和長(zhǎng)大，而文中鎂合金TMAZ為等軸晶，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)，只有兩個(gè)滑移系且層錯(cuò)能較低，相比鋁合金更易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[16-17]。AS-TMAZ和RS-TMAZ的平均晶粒尺寸分別為18.99 μm和21.99 μm。圖4(e)、(f)分別為AS-HAZ和RS-HAZ微觀組織，HAZ僅受熱量影響，與SZ相比離焊縫中心距離遠(yuǎn)，峰值溫度低，晶粒發(fā)生粗化，且與BM組織形貌相似，平均晶粒尺寸分別為15.09 μm和16.25 μm。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒大小與溫度、應(yīng)變速率有關(guān)。同時(shí)鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒對(duì)原始晶粒大小尤為敏感。原始晶粒尺寸越小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得到的新晶粒尺寸也會(huì)較小[18]。鎂合金再結(jié)晶溫度約為205 ℃[11]，由圖2可知，焊接接頭溫度高于鎂合金再結(jié)晶溫度。AZ31鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨溫度的升高而增大。BT-FSW過(guò)程中不存在工件與墊板之間的熱傳導(dǎo)散熱，焊接接頭在冷卻階段高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW焊接接頭各個(gè)區(qū)域晶粒尺寸均大于母材。

2.3 力學(xué)性能

AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW接頭顯微硬度分布如圖5所示。

圖5 AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW接頭顯微硬度分布

焊接接頭顯微硬度整體呈“W”型。BM顯微硬度最高,平均顯微硬度為68 HV；HAZ顯微硬度為60 HV；TMAZ顯微硬度最低，平均顯微硬度為54 HV；SZ顯微硬度為58～65 HV。硬度值與晶粒尺寸、位錯(cuò)密度、析出相和金屬間化合物的分布有關(guān)。由于AZ31鎂合金不是沉淀硬化鎂合金[13,19]，因此，析出相和金屬間化合物對(duì)BT-FSW接頭硬度影響不大。晶粒大小和均勻性是AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW焊接接頭強(qiáng)化效果的主要因素[13]。依據(jù)Hall-Petch公式知，晶粒尺寸越小，硬度越高。HAZ只受到焊接熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生一定程度粗化，與BM顯微硬度相比略小；SZ受熱-機(jī)耦合作用發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成均勻的等軸晶，顯微硬度分布均勻；由于TMAZ的平均晶粒尺寸最大，因此，在BT-FSW接頭中顯微硬度最低。

對(duì)AZ31鎂合金B(yǎng)T-FSW焊接接頭的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸斷裂位置如圖6所示。

圖6 AZ31鎂合金接頭斷裂位置

三組拉伸試樣均在RS-TMAZ發(fā)生斷裂。試樣接頭的平均抗拉強(qiáng)度為189 MPa，約為BM的92%，斷后伸長(zhǎng)率為1.67%。由于TMAZ與SZ過(guò)渡區(qū)為力學(xué)性能薄弱區(qū)域，易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中[11]，進(jìn)一步導(dǎo)致裂紋在該區(qū)域萌生和擴(kuò)展。同時(shí)在BT-FSW過(guò)程中，由于熱循環(huán)和塑性變形的不同，接頭的各區(qū)域有不同的晶粒取向[19]。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，由于晶粒取向不同，接頭相鄰區(qū)域發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，有利于不同的變形機(jī)制，導(dǎo)致斷裂就發(fā)生TMAZ與SZ過(guò)渡區(qū)。BT-FSW接頭拉伸斷口微觀形貌如圖7所示。

圖7 斷口掃描形貌

從圖中看出，韌窩間有明顯撕裂棱，斷裂為韌脆混合斷裂。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)在旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min，焊接速度為500 mm/min條件下，得到了無(wú)缺陷4 mm厚 AZ31 BT-FSW焊接接頭。根據(jù)組織特征可以將接頭分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)。焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成均勻等軸晶，熱機(jī)影響為粗大等軸晶。

2)AZ31鎂合金雙軸肩攪拌摩擦焊時(shí)，后退側(cè)各測(cè)溫點(diǎn)的最高溫度始終高于前進(jìn)測(cè)，溫度差值在10 ℃左右。

3)焊接接頭顯微硬度整體呈“W”型，在TMAZ與SZ交界處顯微硬度最低為54 HV。焊接接頭最大抗拉強(qiáng)度為189 MPa，達(dá)到BM的92%。焊接接頭斷裂形式為韌脆混合斷裂。