关于铝与镁异种轻合金摩擦搅拌焊的探讨

     作者：张毅

    镁的密度约为1.74g/cm3，镁在地球上分布广泛、含量丰富。镁合金的单位体积质量约为是铝的2/3，钢的1/4。镁合金具有高的比强度、比刚度、减震性和导热性，较好的阻尼性和切削加工性能。其应用前景十分广泛。

    目前国内外对于铝合金的研究较为广泛和成熟，而对于镁合金的研究尚待开发，针对这两种应用前景十分广阔的轻合金，实现两者的连接成为重要的研究课题。铝镁要实现结构性的连接最主要、最可靠的方法就是焊接，但由于两者特殊的物理化学性能，要形成可靠的焊接接头存在着诸多问题，而摩擦搅拌焊作为近些年来兴起的固相焊接技术，适合用于轻金属焊接，目前关于铝与镁合金异种接头摩擦搅拌焊的研究已成为热点。

1  铝与镁异种轻合金摩擦搅拌焊的问题

  近些年来国内外关于铝与镁合金异种接头的摩擦搅拌焊的主要问题是焊缝成形质量差与接头强度低。而造成这两大问题的主要原因为铝与镁合金在摩擦搅拌焊工作温度范围内易生成二元共晶组织，该组织对于焊缝成形与焊后力学性能均产生重要的影响。

    Bang long Fu等对3 mm厚6061-T6铝合金与A231B镁合金进行摩擦搅拌焊时发现，对于铝与铝同种接头或镁与镁同种接头，很容易得到表面形貌平整，成形良好的焊缝。但进行铝与镁异种接头摩擦搅拌焊时，接头表面形貌很不平整，出现Z字形纹路并伴随裂纹、孔洞、隧道等缺陷，如图1所示。

    而在焊缝力学性能测试中，当焊接参数为700r/min，50 mm/min时得到最高抗拉强度为175N／mm2,这仅为母材A231B的70 010，远远低于同种镁合金或同种铝合金焊接所得到的焊缝抗拉强度。应该指出的是，Bang long Fu及协助研究者得到的力学性能结果在近年的研究成果中属于比较优异的，Ichinori Shigematsu等研究了2 mm厚5052铝合金与A231镁合金摩擦搅拌焊焊缝性能。当焊速为300 mm/min，转速为1 000 r/min、1 200 r/min、1 400

r/min时焊缝成形良好，无缺陷，所获得接头的最大抗拉强度为132 N／mm2，为铝合金最大抗拉强度的66%，镁合金最大抗拉强度的52%。除上述报道外，铝与镁合金异种接头摩擦搅拌焊接头强度都更低，多数在母材强度的50%以下，提高接头强度是研究人员需要解决的重要问题。

2  铝与镁异种轻合金摩擦搅拌焊成形特点与性能

  围绕着这两个问题，本文从以下四个方面评述铝与镁合金异种接头摩擦搅拌焊的研究现状与发展方向。

2.1焊缝成形

    摩擦搅拌焊中，母材相对于搅拌头位置的不同分为前进侧与后退侧。焊缝前进侧为受摩擦产热最大的区域，金属所受应力大，产生的流变明显，而后退侧相对于前进侧受热应力小、流变小。铝合金与镁合金在塑性流动性能上存在差异，镁合金较铝合金软，当其处于后退侧时，能够被搅拌头搅进后侧的空洞中。因此，当镁合金与铝合金分别位于焊缝的后退侧与前进侧时能够得到成形良好的焊缝，反之得到的焊缝缺陷多。

    A．A．McLean等研究了12mm厚的5083铝合金板与AZ31镁合金板摩擦搅拌焊。研究指出：铝合金与镁合金异种接头摩擦搅拌焊的成形首先与铝合金、镁合金位于焊缝的位置有关，如图2所示。

    当铝合金与镁合金分别位于焊缝的前进侧与后退侧时能够得到成形良好的焊缝，相反，铝合金与镁合金分别位于后退侧与前进侧时焊缝缺陷多甚至难以成形。A．A．McLean等注重于前进侧与后退侧的选择，对于搅拌针偏移仅提出了因为镁合金有更好的流动性能，将搅拌头往镁合金母材一侧偏移焊缝中心线能够使焊缝成形改善的结论。但从铝一镁二元相图来看：在450 0C与437℃，镁．铝发生共晶反应，反应式为L→Al+Al3 Mg2与L→Mg+Al12 Mg17。因此，若在焊接过程中使搅拌头偏向铝侧，或者偏向镁侧，都有可能会减少或者抑制金属间化合物的生成，获得优质焊缝。

    Jiuchun Yan等进行了4 mm厚的A231镁合金板与1060铝合金板焊接。研究者分别设计了搅拌头位于焊缝中心，搅拌头向铝侧偏移4 mm与搅拌头向镁侧偏移4 mm三种对比试验。发现当选择搅拌头偏移方式进行焊接时，焊缝成形要比搅拌头位于焊缝中心的更好。如图3所示，当搅拌头位于焊缝中心时，焊缝表面有一条明显的分界线，这会导致接头结合强度差，而当搅拌头偏向铝侧或者镁侧时，焊缝致密，界线消失。

    通过对比多组试验结果，搅拌头偏向铝或偏向镁的方式并非是固定不变的，搅拌头偏移方式的选择与待焊母材的种类、状态、镁合金与铝合金的性能差异等因素密切相关。

    纵观国内外近些年来关于铝合金与镁合金异质接头摩擦搅拌焊的文献，焊缝成形良好的例子中薄板占大多数，如2 mm、3 mm、4.5 mm厚度板材等。而当更厚板焊接时，如6 mm、12 mm等，焊接工艺参数范围则很窄，焊缝成形也差．出现粘刀现象。待焊板材的厚度在铝合金与镁合金异种接头焊接中是一个很重要的影响因素，对焊篷质量的影响主要有以下两方面：①板的厚度影响焊接过程中散热的快慢，薄板散热快，厚板散热慢，热量的积蓄导致温度超过共晶点时即生成金属间化合物；②厚板生成的金属间化合物量多，容易黏附于搅拌头上，对焊接过程十分不利。

2.2焊缝显微组织

    通过铝一镁二元相图的分析，铝合金与镁合金异种接头焊接焊缝显微组织应由铝镁相与基体相混合组成。在实际焊接中，焊接温度场是一个很复杂且不稳定的因素，而铝镁相的形成有一定的条件：①发生组分液化现象对元素的成分范围确定在x(Al)=30%～40%与x(Mg)=70%~60%：②温度要高过共晶点温度。只有在同时满足这两个条件时才有可能产生共晶反应，形成第二相。

    Yutaka S．Sato等研究了6 mm厚的1050铝合金与A231镁合金板材对接的摩擦搅拌焊。典型的铝与镁异种接头如图4所示，铝与镁在界面处出现了高度的交错混合现象，存在铝与镁的分界面或生成了第二相，这些区域往往为接头薄弱区。

    接头显微组织如图5所示。对亮白色(A)与黑色组织(B)进行成分测定，获得两者的成分为w( Al)=39%和w( Mg)=61%以及w( Al)=ll%和w( Mg) =89%。从二元相图分析可以推测黑白相间的共晶组织为Al12 Mg17+Mg固溶体，将搅拌混合区域制成粉末样品并进行XRD分析证实了第二相的存在。

    Y．J．Kwon等研究了2 mm厚的5052铝合金与A231镁合金对接的摩擦搅拌焊组织形貌及力学性能。搅拌区由于搅拌头的搅拌作用，镁合金向另一侧流动并与铝合金相互混合。搅拌区没有发现有共晶组织出现，而在多数的铝．镁合金摩擦搅拌焊试验中均有发现铝一镁共晶组织。

    摩擦搅拌焊的工艺参数不同，对应不同的热输入，接头的显微组织差异较大。当热输入高时接头会出现液态组织，并且发生反应生成第二相；当热输入低到未达到共晶组织形成的温度时，就不会出现共晶相。因此，保证接头成形良好以及具有一定强度的前提下，要尽可能地降低热输入，减少接头金属间化合物的含量一

2.3 焊接过程温度测量与控制

    金属间化合物形成的原因归根结底是焊接温度场，焊接温变场是一个复杂的不断变化的温度循环过程：焊接刚开始时，焊接温度低于共晶反应点时，不生成金属间化合物，随着搅拌头前移，焊缝温度逐渐升高，金属间化合物生成并聚集，对于焊接过程产生不利影响因此研究摩擦搅拌焊过程中的温度分布，台理地控制温度，对于铝合金与镁合金异种接头的焊接起到至关重要的作用。

    焊接过程中产生的温度主要是由搅拌头与被焊板材的摩擦搅拌所致，因此，降低温度的一个方法即为减少搅拌头与板材之间的摩擦热。魏艳妮等进行1060纯铝与AZ31镁合金摩擦搅拌焊的温度场研究，采用带有切削刃的搅拌针与凹面轴肩的搅拌头进行试验，搅拌针形貌如图6所示。

    使用这样的搅拌针，能够使得焊核区域的形成温度较依靠摩擦变形时形成温度低，从而减少了脆性相形成。

    在铝合金与镁合金异种接头摩擦搅拌焊时，除了使用特殊搅拌头降低摩擦因数，亦可以通过外加冷却水的方法，降低焊缝升温速度，有效控制焊缝的温度，使其低于共晶点温度，从而获得优良焊缝。

    M.A．Mofid等将热电偶安装到母材中用以测量焊接过程中温度的变化，如图7所示，Tl、T2、T3、T4四个热电偶对于焊缝中心两两对称，距离中心分别为4 mm与6 mm，测量结果如图8所示[22]。由试验结果可以看出，水下焊接条件下，100 s之前温度几乎没有提高，温升梯度较在空气中焊接的小一些，最终测到的最高温度为378℃，比在空气中直接焊接的低25℃，因此在最终的接头金属间化合物检测中，水下焊接得到的接头所产生的金属间化合物数量明显比在空气中直接焊接所得的接头少，此外，由于低的峰值温度，晶粒长大也被抑制，这两个方面均使接头性能提高。

2.4接头性能及改善

    异种材料焊接主要目的是减轻结构件的重量，提高经济效益，而最重要的是结构件要满足使用要求，因此，异种合金焊接的接头强度就成为评价接头性能的重要指标。由前述内容可知，铝合金与镁合金异种接头摩擦搅拌焊所得到的构件强度低、脆性大，而到目前为止，并未有研究人员完成这方面的工作。在查阅文献的基础上可得出结论：添加中间过渡层金属能够对提高接头强度有作用。

    添加中间过渡层金属在熔焊领域已得到广泛研究，如：Fei Liu等[23]在6061铝合金与A231B镁合金TIG焊对接接头中加Zn焊丝。焊缝由MgZn2、Zn基固溶体和Al基固溶体组成，称为MZAS组元，MZAS组元的存在，割裂了金属间化合物，使其不能连接成网，改善了接头的性能，抗拉强度由28N／mm2提高到93 N/mm2。 Liming Liu,Xujing Liu andShunhuaLiu等对AZ31镁合金与6061铝合金采用激光-TIG复合热源加Ce中间层焊接。加中间层Ce后观察焊缝没有发现明显的裂纹，焊缝熔合区组织形貌变得明显，过渡更加平滑，晶粒变细。除此以外，有研究人员在熔焊时加入Fe、Ti、Cu等元素，对焊缝性能的提高起到了一定作用。

    前面关于熔焊中添加中间过渡层的简介，对于摩擦搅拌焊添加中间过渡层的选择有一定的借鉴作用，但摩擦搅拌焊的特点与传统熔焊大为不同，这对于中间层的物化性能提出了一定的要求：①在焊接过程中搅拌头所能提供的热输人情况下，中间过渡层要能够达到塑化状态，若中间过渡层的熔点很高，达到塑化状态所需要的温度很高，那么在摩擦搅拌焊接过程中中间层有可能会隔断镁合金、铝合金，造成焊不上；②中间过渡层要能够很好地阻隔Mg与Al反应生成金属间化合物，这包括两个方面：其一是单纯的机械阻断；其二是中间过渡层与Mg或Al更容易反应生成其他的化合物；③中间过渡层若与Mg或Al反应，就必须要求其物理化学性能与两者不能差别太大，能够生成比Mg-Al金属间化合物性能更好的化合物，对接头性能有提升。除此以外，中间层要容易获取，成本不能太高，焊接过程中中间层要加工成箔膜状，这就要求它好加工。

3  铝与镁异种轻合金摩擦搅拌焊的前景

  镁合金是一种极具应用前景的结构功能一体化材料，随着应用领域的不断拓展，镁合金的焊接问题也得到越来越多的重视。综合目前的研究现状，铝与镁异种合金摩擦搅拌焊接存在的问题是焊接过程中易形成脆性的第二相AI12 Mg17，第二相的形态、分布和尺寸对接头性能影响较大。作者认为，提高铝与镁异种合金摩擦搅拌焊接头性能主要从以下几个方面考虑：①由铝一镁相图可知，当镁与铝含量的比例偏向镁侧时，易发生L→Al12 Mg17+Mg的共晶反应，形成脆性的金属间化合物，而控制搅拌过程中镁的搅人量，可有效地控制第二相的数量和分布状态；②通常镁／铝搅拌过程会伴随着连续的层状组织形成，如果通过工艺措施，使金属间化合物由层状变成弥散的分布，就能够改善镁／铝接头的性能；③通过外加冷却如水冷，以及使用减低摩擦因数的特殊搅拌头，控制焊接过程中温度始终低于共晶点温度，能

够有效减少或抑制Al12Mg17的形成，改善焊缝成形与性能；④加人中间层金属，适当改变镁／铝搅拌区的元素含量比例来有效阻止Al12 Mg17的形成，优先形成有利于改善接头组织、性能的弥散相。

4摘要：

     铝合金与镁合金异种接头焊接难度大，接头质量差，摩擦搅拌焊技术成为铝合金与镁合金异种接头焊接的新方向。对近些年来铝合金与镁合金异种接头摩擦搅拌焊的研究现状进行了综述，概括了焊缝成形、接头显微组织、焊接温度测量与控制及接头力学性能等方面的问题。得出了金属间化合物的形成严重影响焊接质量的结论，并提出了改善该问题的方法以及未来的发展方向。