Research on Improving Formation and Strength of Medium-thick AA6061 Al/AZ31B Mg Joint by Submerged Friction Stir Welding

水下搅拌摩擦焊改善中厚度铝/镁成形和性能的研究 Research on Improving Formation and Strength of Medium-thick AA6061 Al/AZ31B Mg Joint by Submerged Friction Stir Welding 1 2 first-author 黄体方（1993—），男，博士研究生，主要从事搅拌摩擦焊及处理的研究。 黄体方（1993—），男，博士研究生，主要从事搅拌摩擦焊及处理的研究。 1 2 2 1 corresp 黄永宪（1979—），男，博士，教授，主要从事搅拌摩擦焊接及其衍生技术的研究。E-mail：yxhuang@hit.edu.cn。 黄永宪（1979—），男，博士，教授，主要从事搅拌摩擦焊接及其衍生技术的研究。E-mail：yxhuang@hit.edu.cn。 yxhuang@hit.edu.cn 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China 昆山万洲特种焊接有限公司,江苏 苏州 215300 昆山万洲特种焊接有限公司,江苏 苏州 215300 Kunshan World Wide Welding Co., Ltd., Suzhou 215300, China Kunshan World Wide Welding Co., Ltd., Suzhou 215300, China 以厚度6 mm的铝/镁异种材料的搅拌摩擦焊为研究对象，分别在空气以及26.5 ℃和5 ℃的水下环境下进行焊接，对比研究不同环境下的接头的微观组织、接头性能，并对粘头机理进行探究。结果表明，水下搅拌摩擦焊能够有效降低焊接过程温度，抑制脆性Al-Mg金属间化合物的长大，缓解搅拌头粘头现象，能有效改善焊缝成形和接头力学性能。5 ℃冷却水环境下得到的铝/镁搅拌摩擦焊接头的拉伸性能和延伸率最高，达到129.3 MPa和4.4%，分别是常规空冷接头的1.8和3.9倍。同时揭示了搅拌头粘着材料主要由Mg 2 Al 3 和Al固溶体组成，说明搅拌头粘头现象与Al-Mg金属间化合物的生成直接相关。 Pissimilar friction stir welding of aluminum/magnesium with 6 mm thickness was carried out in air and under water of 26.5 ℃ and 5 ℃. The microstructures and mechanical property of joints welded in different environments were studied and compared. The mechanism of tool adhesion was explored. The results showed that submerged friction stir welding effectively could reduce the temperature of the welding process, inhibit the growth of brittle Al-Mg intermetallic compounds, alleviate the phenomenon of tool adhension, and improve the weld formation and mechanical properties of the joint. The aluminum/magnesium dissimilar joint fabricated under 5 ℃water had the highest tensile properties and elongation of 129.3 MPa and 4.4%, 1.8 and 3.9 times that of air-cooled joints, respectively. It also revealed that the tool adhesive materials were mainly composed of Mg 2 Al 3 and Al solid solution, indicating that the tool adhesive phenomenon was directly related to the generation of Al-Mg intermetallic compounds. 铝/镁 异种材料连接 水下搅拌摩擦焊 金属间化合物 拉伸性能 Al/Mg dissimilar materials joining submerged friction stir welding intermetallic compound tensile strength 前言 1 随着航空航天、轨道交通、3C电子等行业对于结构轻量化的持续追求，铝合金和镁合金的使用更加广泛。镁合金具有质量轻、减振性好、抗辐射、电磁屏蔽性能优异等优点；铝合金具有比强度高、导热与导电性好等优点，并且与镁合金相比，铝合金具有较好的耐蚀性和强度 ［ 1 1 ］ 。铝/镁复合结构综合了两种金属的优异性能，在整体减重的同时保证了结构强度，并实现了电磁屏蔽功能。 铝/镁异种材料的连接具有热膨胀系数差异大、焊接内应力大、易发生反应生成脆性金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）的难点，导致其接头成形难度大、力学性能较低。在高温下，Al与Mg之间会发生Al 12 Mg 17 +Mg↔Liquid，达到450 ℃会发生Al 3 Mg 2 +Al↔Liquid的反应，导致焊缝中出现成分液化的现象 ［ 2 2 ］ 。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种固相连接方法，是克服这些难点、实现高强连接的更具潜力的方法 ［ 3 3 ］ 。 对金属间化合物的控制是提高接头性能的关键，目前有多种控制金属间化合物的生成和长大的方法。超声振动辅助搅拌摩擦焊可对铝/镁结合面处的金属间化合物起到减薄和破碎作用，同时降低搅拌针附近材料的屈服应力，促进材料的混合，但施加超声对铝/镁焊接的峰值温度影响微小 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 。工件表面镀膜或添加中间层也可改变生成的IMC种类，或者阻碍IMC的生长，如Zn层 ［ 6 6 ］ 、Zr层 ［ 7 7 ］ 、加入SiC纳米颗粒 ［ 7 7 ］ 和纳米TiO 2 颗粒 ［ 9 9 ］ 、表面等离子体电解氧化处理 ［ 10 10 ］ 等方式可阻碍Al和Mg的直接反应，从而改善铝/镁接头的成形或力学性能。控制焊接峰值温度和高温停留时间，减少Al-Mg的反应时间也是办法之一。Mofid等 ［ 11 11 ］ 在空气、水下和液氮中分别对厚度3 mm的AA5083 H34铝合金与AZ31C-O镁合金的对接接头进行搅拌摩擦焊，发现水下和液氮中焊接峰值温度相比于空气中分别下降了46 ℃和53 ℃，空气中焊接接头发生了成分液化现象，而在水下和液氮中，金属间化合物的长大得到了抑制。Zhao等人 ［ 12 12 ］ 使用水下搅拌摩擦焊方法实现了2.5 mm厚AA6013铝合金与AZ31镁合金的连接，强度达到了152.3 MPa，比空气中高21 MPa。水下搅拌摩擦焊是将水作为介质，冷却水既可降低焊接峰值温度，又能缩短高温停留时间，并且减少接头内的氧化夹杂。 目前铝/镁搅拌摩擦焊的研究多集中于厚度不大于5 mm的母材，对于中厚度或大厚度的铝/镁连接研究相对较少。在此针对厚度6 mm的6061-T6铝合金和AZ31B镁合金的水下搅拌摩擦焊展开工艺研究，探究水下环境对于Mg/Al焊接接头组织、性能的影响和作用机理，同时探究不同水温的影响。 试验材料与方法 1 试验材料为6 mm厚的6061-T6铝合金和AZ31B镁合金板材，尺寸60 mm×150 mm×6 mm，其化学成分和力学性能如 表1 表1 、 表2 表2 所示。 材料 Si Fe Cu Mn Mg 6061-T6 0.4~0.8 0.7 0.15~0.40 0.15 0.8~1.2 AZ31B-H24 0.016 0.001 0.003 0.48 余量 材料 Cr Zn Ti Al Ni 6061-T6 0.1 0.25 0.15 余量 — AZ31B-H24 — 0.88 — 3.1 0.000 9 材料 抗拉强度/MPa 伸长率% 6061-T6 300 12 AZ31B 240 10 空气和水下两种环境中铝/镁异种金属搅拌摩擦焊示意如 图1 图1 所示。水槽与制冷机和水泵相连，使水槽内的水保持在设定温度。试验前将铝板和镁板对接装夹，铝板置于前进侧（Advancing side，AS），镁板置于后退侧（Retreating side，RS）。搅拌头的形状和尺寸如 表3 表3 所示。轴肩采用内凹及同心环的结构，以提高轴肩对材料的包容和带动作用。搅拌针形状为锥状，且针上有螺纹和三个铣平面，以提高搅拌针的动/静体积比，提高对材料的搅拌作用。搅拌头材料采用强度和韧性综合性能较好的H13钢。焊接参数为：转速900 r/min，焊速100 mm/min，搅拌头偏向铝侧0.7 mm，轴肩压入深度0.2 mm。沿接头横截面方向切取金相试样和骨头棒形标准拉伸试样。金相试样经磨抛后，采用苦味酸溶液（5g苦味酸+5 mL盐酸+10 mL水+100 mL乙醇）进行腐蚀。采用光学显微镜、扫描电子显微镜观察焊接接头微观组织，在电子万能试验机上开展力学性能测试。 1;2; http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41987787&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41987808&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41987805&type= 81.29582214 32.45930481 试验结果与分析 1 焊缝成形 2 图2 图2 为在不同环境下的铝/镁异种金属搅拌摩擦焊焊缝外观。空气环境下的焊缝产生较大的飞边，且在前进侧出现沟槽缺陷。而在26.5 ℃和5 ℃水下搅拌摩擦焊得到的焊缝表面鱼鳞纹光滑均匀，无缺陷，飞边不明显。 1;2;3; 不同环境下的铝-镁异种金属搅拌摩擦焊接头横截面如 图3 图3 所示。空气环境下的铝/镁接头焊缝减薄严重，表面存在沟槽缺陷，同时接头界面处存在裂纹，裂纹由上表面向下延伸至中下部。这是因为轴肩产热高，轴肩作用区的铝、镁温度较高，发生反应，甚至发生成分液化，轴肩内凹及同心圆环处嵌入了大量的铝、镁金属，并生成大量的Al-Mg金属间化合物，导致粘头现象。轴肩发生粘头后，对材料的包容作用大大降低，焊缝出现较大飞边。同时在高温作用下，对接界面应力大，出现裂纹。而26.5 ℃和5 ℃水下环境得到的焊缝其减薄现象明显减小，且接头界面结合良好，说明水下搅拌摩擦焊能够明显改善表面成形，减小焊缝减薄现象。此外，水下搅拌摩擦焊接头的界面轮廓更为复杂，长度更长，其冶金结合面积和机械互锁作用更大，有助于提高接头强度。 1;2;3; 温度场对比 2 为进一步探究水下环境改善铝/镁焊缝成形的原因，对焊接过程使用热电偶进行测温，热电偶的位置示意如 图4 图4 所示。热电偶分布在前进侧，距离上表面1 mm、3 mm和5 mm的热机影响区边缘。测得焊接温度曲线如 图5a 图5a 所示，峰值温度如 图5b 图5b 所示。5 ℃水下焊接接头的上、中、下部分的峰值温度是最低的。这是因为工件和搅拌头均浸在水中，且由制冷机和循环水系统保证焊接过程的水温恒定，能够把搅拌头与工件摩擦和搅拌作用产生的热量及时传导出去，有效降低了焊接峰值温度和高温停留时间。此外，通过焊缝上、中、下三部分的峰值温度的比较，发现与空冷状态的接头相比，水下焊接接头的轴肩作用区温度降低幅度最大，已经降至低于焊缝中部和下部的温度，说明浸水焊接的方式可有效减小焊缝上表面温度，且降温幅度超过中间和下层部分，使接头在厚度方向的热量分布较为均匀，这有利于提高厚度方向的组织和应力分布均匀性，缓解界面应力集中。 1;2; 接头界面特征 2 铝、镁界面生成金属间化合物是实现铝/镁冶金连接的重要机制，同时金属间化合物层的厚度对于接头强度有重要影响。 图6 图6 是不同环境下搅拌摩擦焊的铝/镁接头界面微观形貌。在轴肩和搅拌针作用区的界面处均存在两层金属间化合物层，结合元素定量分析结果（见 图6 图6 d）和Al-Mg金属间化合物类型推测，靠近铝侧的金属间化合物应为Mg 2 Al 3 ，靠近镁侧的应为Mg 17 Al 12 。金属间化合物层的厚度测量结果如 图7 图7 所示。常规空冷焊接接头轴肩作用区的界面处金属间化合物层厚度最大，为3.1 μm，同时存在明显的裂纹。说明随着硬脆金属间化合物层厚度的增大，出现裂纹的趋势也会增大，甚至出现裂纹，形成拉伸过程中断裂的裂纹源。水下焊接接头的轴肩和搅拌针作用区界面的金属间化合物层厚度相对于常规接头均明显下降，说明在水冷的作用下，轴肩与搅拌针作用区温度相较于空冷状态均明显下降，抑制了Al和Mg元素之间的扩散反应，导致界面金属间化合物层厚度减小。 轴肩作用区：（a）常规接头；（b）26.5 ℃水下焊接接头；（c）5 ℃水下焊接接头搅拌针作用区：（d）常规接头；（e）26.5 ℃水下焊接接头；（f）5 ℃水下焊接接头 轴肩粘附材料现象 2 焊接铝/镁异质接头过程中出现频繁的轴肩和搅拌针被粘着材料的现象。三种环境下搅拌摩擦焊相同距离（500 mm）的搅拌头情况如 图8 图8 所示。由图可知，空气中焊接的搅拌头轴肩和搅拌针均发生了较严重的粘头现象。对发生粘头的搅拌头进行切割，并分析其横截面，如 图9a 图9a 所示，轴肩处附着的材料厚度为1~2 mm。而在两种温度下的水下搅拌摩擦焊的搅拌头轴肩仅发生了轻微的材料粘着，仍可分辨出轴肩处的同心圆环结构。说明水下搅拌摩擦焊可抑制轴肩焊接过程中发生材料粘着。 （a）空冷　　　 （b）水下26.5 ℃　　 （c）水下5 ℃ 为进一步分析铝/镁搅拌摩擦焊过程中的粘头机理，观察到轴肩附着物呈现出层带状组织，结合轴肩附着物的XRD分析结果（见 图9b） 图9b） 可知，附着物主要由Mg 2 Al 3 和Al固溶体组成。由于Mg固溶在Al中，造成了Al的晶格常数变大，使Al的衍射峰整体向左偏移。因此可推断出层带状组织是Mg 2 Al 3 金属间化合物与Al基固溶体交替分布的结果。层带状组织是由于焊接过程中，搅拌头轴肩周期性接触两侧的铝和镁合金，两金属会交替附着在轴肩上形成叠层结构，且叠层结构中条带宽度较小。在焊接热循环和剧烈的压力、剪切力作用下，叠层结构中的铝、镁条带发生了充分的互扩散，形成金属间化合物。随着轴肩持续不断地周期性接触铝和镁合金，金属间化合物层会持续生成，表现为轴肩粘着层厚度增大。 1;2; 采用水下搅拌摩擦焊的方式，轴肩作用区域温度明显降低，且高温停留时间大幅缩短，Al、Mg原子的扩散速率降低，金属间化合物的生成速率降低，粘着层厚度随之减少。因此可知，水下搅拌摩擦焊对于铝/镁异种材料焊接过程中的搅拌头粘着有较明显的抑制作用。 焊接接头的力学性能 2 两种环境下搅拌摩擦焊接头的抗拉强度如 图10 图10 所示。铝/镁5 ℃水下搅拌摩擦焊接头的拉伸性能和延伸率最高，达到129.3 MPa和4.4%，为AZ31B镁合金母材的53.9%和44.0%，分别是常规空冷接头的1.8倍和3.9倍。结合前文分析可知，通过水冷方式，降低了搅拌针粘着的问题，有效改善了表面成形，防止焊缝表面沟槽和严重减薄的发生；同时在保证实现界面接近结合的前提下，减小了界面处硬脆金属间化合物的厚度，提高了冶金结合强度，并降低界面处裂纹产生的可能性；焊后对接界面的形状也更为复杂，机械互锁的作用增强，这些均有助于提高铝/镁搅拌摩擦焊接头的强度和延伸率。 1;2; 断裂分析 2 铝/镁搅拌摩擦焊接头在拉伸测试中的断裂位置主要有两处，分别为铝/镁界面和铝侧焊核区与热机影响区界限，如 图11 图11 所示。由于铝/镁界面处有硬脆的金属间化合物层，且当热输入过高时还会有裂纹存在，在拉伸测试中，金属间化合物层易成为裂纹源和快速扩展的通道。而在铝侧焊核区内存在铝、镁交错分布的叠层结构，叠层结构中层与层之间会发生反应，生成硬脆金属间化合物。焊核区临近与热机影响区的界限附近是组织结构剧烈改变的位置，此处的应力集中较严重。在叠层结构的硬脆金属间化合物和应力集中的共同作用下，铝侧焊核区与热机影响区界限附近的叠层结构也是接头的性能薄弱区之一。 1;2; 铝/镁焊接接头拉伸断口微观形貌如 图12 图12 所示。断于铝侧焊核区与热机影响区界限附近的叠层结构的断口微观形貌见图 12a 12a 、 12b 12b 。断口呈现为明显的解理台阶特征，不同高度的解理台阶汇合成一个大台阶，形成了河流花样特征。但是解理台阶表面除了光滑的解理面外，还存在韧窝特征。经过元素量化分析，推测光滑解理台阶表面主要是Mg 17 Al 12 相，而具有小韧窝的面主要是α-Al和Mg 2 Al 3 相，这与 图11 图11 的断裂路径分析相符。当应力集中超过了叠层结构之间生成的金属间化合物的承载能力后，裂纹首先从金属间化合物起裂，沿着焊核区与热机影响区界限及附近的叠层结构进行交错扩展，所以裂纹有可能经过叠层结构的金属间化合物层，形成光滑的解理台阶，也有可能经过界限处的铝，形成具有小韧窝的断裂特征。 1,2;3,4; 断于界面处的断口微观形貌见图 12c 12c 、 12d 12d ，断口总体呈现为周期性的锯齿状形貌，这与铝/镁合金界面为锯齿状相对应。另外，微观特征表面为较光滑的断裂面，且通过元素量化分析，发现断裂面表面主要是Mg 17 Al 12 和Mg 2 Al 3 金属间化合物，如 表4 表4 所示。这与界面处发现的两层金属间化合物层相对应。综上可知，在拉伸过程中接头的两个易裂的薄弱位置均与金属间化合物的产生有直接关系。 位置 Al元素（ at .%） Mg元素（ at .%） 可能的物相 1 47.35 52.65 Mg 17 Al 12 2 79.94 20.06 α-Al+Mg 2 Al 3 3 48.92 51.08 Mg 17 Al 12 4 68.36 31.64 Mg 2 Al 3 结论 1 （1）水下搅拌摩擦焊能够有效降低焊接峰值温度，减少高温停留时间，抑制Al-Mg金属间化合物的生长，同时减缓搅拌头轴肩的粘头问题，增强界面处机械互锁作用，改善铝/镁搅拌摩擦焊接头表面和内部成形，拓宽工艺窗口。 （2）相比26.5 ℃水下和常规空冷环境的铝/镁搅拌摩擦焊接头，5 ℃水下得到的接头的金属间化合物层厚度最小，拉伸性能和延伸率最高，分别达到129.3 MPa和4.4 %，为AZ31B镁合金母材强度和延伸率的53.9%和44.0%，为空冷接头的1.8倍和3.9倍。 （3） 铝/镁搅拌摩擦焊接头在拉伸测试中的断裂位置主要有两种：铝/镁界面和铝侧焊核区与热机影响区界限，其断裂位置与脆性Al-Mg金属间化合物的分布直接相关。 参考文献 李首谊 . 铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺研究进展 ［J］. 金属加工：热加工 ， 2022 （ 6 ）： 52 - 60 . 铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺研究进展 LI S Y . 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