關于鋁與鎂異種輕合金摩擦攪拌焊的探討
作者：張毅
鎂的密度約為1.74g/cm3，鎂在地球上分布廣泛、含量豐富。鎂合金的單位體積質量約為是鋁的2/3，鋼的1/4。鎂合金具有高的比強度、比剛度、減震性和導熱性，較好的阻尼性和切削加工性能。其應用前景十分廣泛。
目前國內外對于鋁合金的研究較為廣泛和成熟，而對于鎂合金的研究尚待開發(fā)，針對這兩種應用前景十分廣闊的輕合金，實現兩者的連接成為重要的研究課題。鋁鎂要實現結構性的連接最主要、最可靠的方法就是焊接，但由于兩者特殊的物理化學性能，要形成可靠的焊接接頭存在著諸多問題，而摩擦攪拌焊作為近些年來興起的固相焊接技術，適合用于輕金屬焊接，目前關于鋁與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊的研究已成為熱點。
1 鋁與鎂異種輕合金摩擦攪拌焊的問題
近些年來國內外關于鋁與鎂合金異種接頭的摩擦攪拌焊的主要問題是焊縫成形質量差與接頭強度低。而造成這兩大問題的主要原因為鋁與鎂合金在摩擦攪拌焊工作溫度范圍內易生成二元共晶組織，該組織對于焊縫成形與焊后力學性能均產生重要的影響。
Bang long Fu等對3 mm厚6061-T6鋁合金與A231B鎂合金進行摩擦攪拌焊時發(fā)現，對于鋁與鋁同種接頭或鎂與鎂同種接頭，很容易得到表面形貌平整，成形良好的焊縫。但進行鋁與鎂異種接頭摩擦攪拌焊時，接頭表面形貌很不平整，出現Z字形紋路并伴隨裂紋、孔洞、隧道等缺陷，如圖1所示。
而在焊縫力學性能測試中，當焊接參數為700r/min，50 mm/min時得到最高抗拉強度為175N／mm2,這僅為母材A231B的70 010，遠遠低于同種鎂合金或同種鋁合金焊接所得到的焊縫抗拉強度。應該指出的是，Bang long Fu及協(xié)助研究者得到的力學性能結果在近年的研究成果中屬于比較優(yōu)異的，Ichinori Shigematsu等研究了2 mm厚5052鋁合金與A231鎂合金摩擦攪拌焊焊縫性能。當焊速為300 mm/min，轉速為1 000 r/min、1 200 r/min、1 400
r/min時焊縫成形良好，無缺陷，所獲得接頭的最大抗拉強度為132 N／mm2，為鋁合金最大抗拉強度的66%，鎂合金最大抗拉強度的52%。除上述報道外，鋁與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊接頭強度都更低，多數在母材強度的50%以下，提高接頭強度是研究人員需要解決的重要問題。
2 鋁與鎂異種輕合金摩擦攪拌焊成形特點與性能
圍繞著這兩個問題，本文從以下四個方面評述鋁與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊的研究現狀與發(fā)展方向。
2.1焊縫成形
摩擦攪拌焊中，母材相對于攪拌頭位置的不同分為前進側與后退側。焊縫前進側為受摩擦產熱最大的區(qū)域，金屬所受應力大，產生的流變明顯，而后退側相對于前進側受熱應力小、流變小。鋁合金與鎂合金在塑性流動性能上存在差異，鎂合金較鋁合金軟，當其處于后退側時，能夠被攪拌頭攪進后側的空洞中。因此，當鎂合金與鋁合金分別位于焊縫的后退側與前進側時能夠得到成形良好的焊縫，反之得到的焊縫缺陷多。
A．A．McLean等研究了12mm厚的5083鋁合金板與AZ31鎂合金板摩擦攪拌焊。研究指出：鋁合金與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊的成形首先與鋁合金、鎂合金位于焊縫的位置有關，如圖2所示。
當鋁合金與鎂合金分別位于焊縫的前進側與后退側時能夠得到成形良好的焊縫，相反，鋁合金與鎂合金分別位于后退側與前進側時焊縫缺陷多甚至難以成形。A．A．McLean等注重于前進側與后退側的選擇，對于攪拌針偏移僅提出了因為鎂合金有更好的流動性能，將攪拌頭往鎂合金母材一側偏移焊縫中心線能夠使焊縫成形改善的結論。但從鋁一鎂二元相圖來看：在450 0C與437℃，鎂．鋁發(fā)生共晶反應，反應式為L→Al+Al3 Mg2與L→Mg+Al12 Mg17。因此，若在焊接過程中使攪拌頭偏向鋁側，或者偏向鎂側，都有可能會減少或者抑制金屬間化合物的生成，獲得優(yōu)質焊縫。
Jiuchun Yan等進行了4 mm厚的A231鎂合金板與1060鋁合金板焊接。研究者分別設計了攪拌頭位于焊縫中心，攪拌頭向鋁側偏移4 mm與攪拌頭向鎂側偏移4 mm三種對比試驗。發(fā)現當選擇攪拌頭偏移方式進行焊接時，焊縫成形要比攪拌頭位于焊縫中心的更好。如圖3所示，當攪拌頭位于焊縫中心時，焊縫表面有一條明顯的分界線，這會導致接頭結合強度差，而當攪拌頭偏向鋁側或者鎂側時，焊縫致密，界線消失。
通過對比多組試驗結果，攪拌頭偏向鋁或偏向鎂的方式并非是固定不變的，攪拌頭偏移方式的選擇與待焊母材的種類、狀態(tài)、鎂合金與鋁合金的性能差異等因素密切相關。
縱觀國內外近些年來關于鋁合金與鎂合金異質接頭摩擦攪拌焊的文獻，焊縫成形良好的例子中薄板占大多數，如2 mm、3 mm、4.5 mm厚度板材等。而當更厚板焊接時，如6 mm、12 mm等，焊接工藝參數范圍則很窄，焊縫成形也差．出現粘刀現象。待焊板材的厚度在鋁合金與鎂合金異種接頭焊接中是一個很重要的影響因素，對焊篷質量的影響主要有以下兩方面：①板的厚度影響焊接過程中散熱的快慢，薄板散熱快，厚板散熱慢，熱量的積蓄導致溫度超過共晶點時即生成金屬間化合物；②厚板生成的金屬間化合物量多，容易黏附于攪拌頭上，對焊接過程十分不利。
2.2焊縫顯微組織
通過鋁一鎂二元相圖的分析，鋁合金與鎂合金異種接頭焊接焊縫顯微組織應由鋁鎂相與基體相混合組成。在實際焊接中，焊接溫度場是一個很復雜且不穩(wěn)定的因素，而鋁鎂相的形成有一定的條件：①發(fā)生組分液化現象對元素的成分范圍確定在x(Al)=30%～40%與x(Mg)=70%~60%：②溫度要高過共晶點溫度。只有在同時滿足這兩個條件時才有可能產生共晶反應，形成第二相。
Yutaka S．Sato等研究了6 mm厚的1050鋁合金與A231鎂合金板材對接的摩擦攪拌焊。典型的鋁與鎂異種接頭如圖4所示，鋁與鎂在界面處出現了高度的交錯混合現象，存在鋁與鎂的分界面或生成了第二相，這些區(qū)域往往為接頭薄弱區(qū)。
接頭顯微組織如圖5所示。對亮白色(A)與黑色組織(B)進行成分測定，獲得兩者的成分為w( Al)=39%和w( Mg)=61%以及w( Al)=ll%和w( Mg) =89%。從二元相圖分析可以推測黑白相間的共晶組織為Al12 Mg17+Mg固溶體，將攪拌混合區(qū)域制成粉末樣品并進行XRD分析證實了第二相的存在。
Y．J．Kwon等研究了2 mm厚的5052鋁合金與A231鎂合金對接的摩擦攪拌焊組織形貌及力學性能。攪拌區(qū)由于攪拌頭的攪拌作用，鎂合金向另一側流動并與鋁合金相互混合。攪拌區(qū)沒有發(fā)現有共晶組織出現，而在多數的鋁．鎂合金摩擦攪拌焊試驗中均有發(fā)現鋁一鎂共晶組織。
摩擦攪拌焊的工藝參數不同，對應不同的熱輸入，接頭的顯微組織差異較大。當熱輸入高時接頭會出現液態(tài)組織，并且發(fā)生反應生成第二相；當熱輸入低到未達到共晶組織形成的溫度時，就不會出現共晶相。因此，保證接頭成形良好以及具有一定強度的前提下，要盡可能地降低熱輸入，減少接頭金屬間化合物的含量一
2.3 焊接過程溫度測量與控制
金屬間化合物形成的原因歸根結底是焊接溫度場，焊接溫變場是一個復雜的不斷變化的溫度循環(huán)過程：焊接剛開始時，焊接溫度低于共晶反應點時，不生成金屬間化合物，隨著攪拌頭前移，焊縫溫度逐漸升高，金屬間化合物生成并聚集，對于焊接過程產生不利影響因此研究摩擦攪拌焊過程中的溫度分布，臺理地控制溫度，對于鋁合金與鎂合金異種接頭的焊接起到至關重要的作用。
焊接過程中產生的溫度主要是由攪拌頭與被焊板材的摩擦攪拌所致，因此，降低溫度的一個方法即為減少攪拌頭與板材之間的摩擦熱。魏艷妮等進行1060純鋁與AZ31鎂合金摩擦攪拌焊的溫度場研究，采用帶有切削刃的攪拌針與凹面軸肩的攪拌頭進行試驗，攪拌針形貌如圖6所示。
使用這樣的攪拌針，能夠使得焊核區(qū)域的形成溫度較依靠摩擦變形時形成溫度低，從而減少了脆性相形成。
在鋁合金與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊時，除了使用特殊攪拌頭降低摩擦因數，亦可以通過外加冷卻水的方法，降低焊縫升溫速度，有效控制焊縫的溫度，使其低于共晶點溫度，從而獲得優(yōu)良焊縫。
M.A．Mofid等將熱電偶安裝到母材中用以測量焊接過程中溫度的變化，如圖7所示，Tl、T2、T3、T4四個熱電偶對于焊縫中心兩兩對稱，距離中心分別為4 mm與6 mm，測量結果如圖8所示[22]。由試驗結果可以看出，水下焊接條件下，100 s之前溫度幾乎沒有提高，溫升梯度較在空氣中焊接的小一些，最終測到的最高溫度為378℃，比在空氣中直接焊接的低25℃，因此在最終的接頭金屬間化合物檢測中，水下焊接得到的接頭所產生的金屬間化合物數量明顯比在空氣中直接焊接所得的接頭少，此外，由于低的峰值溫度，晶粒長大也被抑制，這兩個方面均使接頭性能提高。
2.4接頭性能及改善
異種材料焊接主要目的是減輕結構件的重量，提高經濟效益，而最重要的是結構件要滿足使用要求，因此，異種合金焊接的接頭強度就成為評價接頭性能的重要指標。由前述內容可知，鋁合金與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊所得到的構件強度低、脆性大，而到目前為止，并未有研究人員完成這方面的工作。在查閱文獻的基礎上可得出結論：添加中間過渡層金屬能夠對提高接頭強度有作用。
添加中間過渡層金屬在熔焊領域已得到廣泛研究，如：Fei Liu等[23]在6061鋁合金與A231B鎂合金TIG焊對接接頭中加Zn焊絲。焊縫由MgZn2、Zn基固溶體和Al基固溶體組成，稱為MZAS組元，MZAS組元的存在，割裂了金屬間化合物，使其不能連接成網，改善了接頭的性能，抗拉強度由28N／mm2提高到93 N/mm2。 Liming Liu,Xujing Liu andShunhuaLiu等對AZ31鎂合金與6061鋁合金采用激光-TIG復合熱源加Ce中間層焊接。加中間層Ce后觀察焊縫沒有發(fā)現明顯的裂紋，焊縫熔合區(qū)組織形貌變得明顯，過渡更加平滑，晶粒變細。除此以外，有研究人員在熔焊時加入Fe、Ti、Cu等元素，對焊縫性能的提高起到了一定作用。
前面關于熔焊中添加中間過渡層的簡介，對于摩擦攪拌焊添加中間過渡層的選擇有一定的借鑒作用，但摩擦攪拌焊的特點與傳統(tǒng)熔焊大為不同，這對于中間層的物化性能提出了一定的要求：①在焊接過程中攪拌頭所能提供的熱輸人情況下，中間過渡層要能夠達到塑化狀態(tài)，若中間過渡層的熔點很高，達到塑化狀態(tài)所需要的溫度很高，那么在摩擦攪拌焊接過程中中間層有可能會隔斷鎂合金、鋁合金，造成焊不上；②中間過渡層要能夠很好地阻隔Mg與Al反應生成金屬間化合物，這包括兩個方面：其一是單純的機械阻斷；其二是中間過渡層與Mg或Al更容易反應生成其他的化合物；③中間過渡層若與Mg或Al反應，就必須要求其物理化學性能與兩者不能差別太大，能夠生成比Mg-Al金屬間化合物性能更好的化合物，對接頭性能有提升。除此以外，中間層要容易獲取，成本不能太高，焊接過程中中間層要加工成箔膜狀，這就要求它好加工。
3 鋁與鎂異種輕合金摩擦攪拌焊的前景
鎂合金是一種極具應用前景的結構功能一體化材料，隨著應用領域的不斷拓展，鎂合金的焊接問題也得到越來越多的重視。綜合目前的研究現狀，鋁與鎂異種合金摩擦攪拌焊接存在的問題是焊接過程中易形成脆性的第二相AI12 Mg17，第二相的形態(tài)、分布和尺寸對接頭性能影響較大。作者認為，提高鋁與鎂異種合金摩擦攪拌焊接頭性能主要從以下幾個方面考慮：①由鋁一鎂相圖可知，當鎂與鋁含量的比例偏向鎂側時，易發(fā)生L→Al12 Mg17+Mg的共晶反應，形成脆性的金屬間化合物，而控制攪拌過程中鎂的攪人量，可有效地控制第二相的數量和分布狀態(tài)；②通常鎂／鋁攪拌過程會伴隨著連續(xù)的層狀組織形成，如果通過工藝措施，使金屬間化合物由層狀變成彌散的分布，就能夠改善鎂／鋁接頭的性能；③通過外加冷卻如水冷，以及使用減低摩擦因數的特殊攪拌頭，控制焊接過程中溫度始終低于共晶點溫度，能
夠有效減少或抑制Al12Mg17的形成，改善焊縫成形與性能；④加人中間層金屬，適當改變鎂／鋁攪拌區(qū)的元素含量比例來有效阻止Al12 Mg17的形成，優(yōu)先形成有利于改善接頭組織、性能的彌散相。
4摘要：
鋁合金與鎂合金異種接頭焊接難度大，接頭質量差，摩擦攪拌焊技術成為鋁合金與鎂合金異種接頭焊接的新方向。對近些年來鋁合金與鎂合金異種接頭摩擦攪拌焊的研究現狀進行了綜述，概括了焊縫成形、接頭顯微組織、焊接溫度測量與控制及接頭力學性能等方面的問題。得出了金屬間化合物的形成嚴重影響焊接質量的結論，并提出了改善該問題的方法以及未來的發(fā)展方向。
