铝镁搅拌摩擦焊接接头组织结构与力学性能的研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.57M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 铝镁搅拌摩擦焊接接头组织结构与力学性能的研究# 时晖1，郭立杰2，余泰吾1，董丰波2，陈科1,3** （1. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240； 2. 上海航天设备制造总厂，上海 200245； 3. 上海市高温材料精密成形重点实验室，上海 200240）摘要：通过改变铝镁搅拌摩擦焊接中搅拌头偏移量和搅拌头针长,调控接头焊合区内组织结构尤其是金属间化合物的形貌分布,进而研究影响接头力学性能的组织结构因素.研究结果表明:铝镁搅拌摩擦焊接接头强度可达 180MPa.接头的拉伸强度、断裂模式与接头的宏微观组织结构有密切的联系.焊合区内的材料混合区和铝镁界面是力学性能的薄弱环节.要想提高接头性能,一方面要避免大块金属间化合物在材料混合区内的形成,另一方面要增加界面处金属间化合物结构的复杂度和机械咬合程度. 关键词：搅拌摩擦焊接，组织结构，力学性能，金属间化合物，界面结构 Study on structure and mechanical property of Al/Mg FSW joints 5 10 15 SHI Hui1, GUO Lijie2, YU Taiwu1, Dong Fengbo2, CHEN Ke1,3 20 (1. School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240; 2. Shanghai Spaceflight Manufacture (Group) Co., Ltd, Shanghai 200245; 3. Shanghai Key Laboratory of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240) Abstract: The role and influence of structure on the mechanical properties of Al/Mg FSW joints was studied by changing the tool offset and pin length, which result in different types of joint structures. The results show that, the ultimate tensile strength of Al/Mg FSW joints can reach 180MPa. The tensile strength/fracturemode is intimately related to the macro- and micro-structure of the welding joints. The materials intermixing region and Al/Mg interface are crucial zones in the nugget zone. In order to promote the mechanical properties of the joints, firstly, it is essential to avoid the formation of large intermetallic compounds in the materials intermixing region; then, it is beneficial to enhance the complexity of intermetallic compounds at the interface and the extent of mechanical intrelocking. Key words: Friction stir welding; Structure; Mechanical property; Intermetallic compounds; Interfacial structure 25 30 35 0 引言由于节能减重的迫切需求，拥有低密度和高比强度的镁合金在交通运输领域吸引了越来越多注意。因此，镁合金和铝合金的之间的连接成为了一项关键的技术问题，以便拓展镁合金的应用领域并提升设计的灵活性。然而，传统的熔焊会带来粗大的晶粒和大量脆性的金属间化合物，会对焊接接头的力学性能有很大的影响[1]。 40 搅拌摩擦焊接，作为一种新型的固相焊接技术，具有热输入量低和材料混合可控的优点，被认为是实现良好的异种材料焊接接头的有效方式[2,3]。目前，搅拌摩擦焊接已经被成功运基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20120073120120)；上海航天技术研究院-上海交大航天先进技术联合研究中心资助项目(USCAST2012-12)；上海市闵行区产学研合作计划项目(2013MH137) 作者简介：时晖（1992-），男，研究生，搅拌摩擦焊接通信联系人：陈科(1983-),男,副教授,搅拌摩擦焊接. E-mail: chenke83@sjtu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 用于铝/钢[4,5]，铝/铜[6-8]，铝/钛[9,10]等异种材料连接之中。很多研究中报道了搅拌摩擦焊接在铝镁异质焊接中的应用，其中绝大多数结果的强度和延伸率都很有限[1,11-13]。较差力学性能的出现基本都归因于金属间化合物的生成[1,11-13]。然而， 45 目前对于包括金属间化合物在内的组织结构如何影响接头的力学性能尚没有清晰的阐释。在本研究中，在固定搅拌头转速和走速的情况下，通过改变搅拌头的偏移量和搅拌头针长，对 3mm 的 6061 铝合金和 AZ31 镁合金进行搅拌摩擦焊接。通过参数的调整来探索不同接头组织对于接头力学性能的影响，探索影响接头力学性能的组织因素，从而为提升接头力学 50 性能提供方向和依据。 1 实验方法与内容本实验对尺寸为 500 mm×300 mm×3 mm 的 AA6061 铝合金和 AZ31 镁合金板进行对接搅拌摩擦焊。焊接所用搅拌摩擦焊机型号为 FSW-LM2-1012。搅拌头用热处理工具钢（H13 钢）制成，外部特征为：轴肩直径 12 mm；搅拌针形状为圆锥三截面，直径 4 mm，针长 2.7 mm 55 和 2.4 mm。AZ31 镁合金放在焊接的前进侧。通过实验优化后选择的焊接参数为：焊接转速 600rpm，走速 100mm/min，搅拌头倾角 3°；根据搅拌头针长不同区分为 A 系列（针长 2.7 mm）和 B 系列（针长 2.4 mm），搅拌头偏移量为-0.5 mm,0 mm,0.5 mm 和 1 mm（以偏前进侧为正，偏后退侧为负）。本文中设计的焊接参数归纳于表 1。待焊铝、镁合金板在焊接前都经过清洗和打磨，以去除杂质和氧化层。 60 对无缺陷的焊接样品在 Zwick/Roell 8406 上进行拉伸试验。样品切取方向与焊接方向垂直。每道焊缝各取 3 个样品。拉伸样品在试验前经过清洗和磨光。拉伸速率为 1mm/min。切取焊缝的横截面制作成金相样品。要进行 SEM 观察的样品都经过磨光和抛光。而金相样品在磨光和抛光的基础上还需要腐蚀，腐蚀分为三步：首先用含 10mL 醋酸、10mL 蒸馏水、6g 苦味酸和 100mL 乙醇的溶液腐蚀 10s，其次用含 20g 氢氧化钠和 100mL 蒸馏水的溶液腐蚀 40s， 65 最后使用含 4g 高锰酸钾、2g 氢氧化钠和 100ml 蒸馏水腐蚀 10s。实验也将拉断后的断口制成金相样品，观察面也是焊缝的横截面。使用 FEI NOVA NanoSEM 230 扫描电子显微镜观（SEM）测样品的微观组织，并使用能谱仪（EDS）分析样品中的相组成。表 1 焊接参数（小五号宋体） Tab. 1 Welding parameters 焊接样品搅拌头针长(mm) 搅拌头偏移量(mm) A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 70 2 结果与分析 2.1 焊合区宏微观组织结构 -0.5 0 0.5 1 -0.5 0 0.5 1 2.7 2.7 2.7 2.7 2.4 2.4 2.4 2.4 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1 显示了 A1-A4 和 B1-B4 接头横截面焊合区宏观组织的金相结果。如图所示，各个样品焊合区内存在明显的材料混合区，材料混合区区域面积随着搅拌头偏镁的增多而逐渐增 75 大，而材料混合区内的材料混合程度却逐渐减小。铝镁界面的形状呈现“之”字形，上半部分和下半部分呈现不同的界面方向。由图中可以看到当搅拌头偏镁时，“之”字界面的上半部分所占的比例相对较大。 80 Fig. 1 Macrostructure of cross sections of the joints: (a)-(d) A1, A2, A3, A4; (e)-(h) B1, B2, B3, B4 图 1 接头横截面焊合区宏观组织：(a)-(d) A1, A2, A3, A4; (e)-(h) B1, B2, B3, B4 图 2 为 A1 样品材料混合区中的微观组织结构。在图 2 (a)中，由 EDS 分析结果可知，材料混合区域内包含：条带型分布在镁中的 Al12Mg17 颗粒，与铝条带交错分布的大块 Al3Mg2 条带。图 2 (b)中可以看到材料混合区内的金属间化合物内部出现了焊接裂纹。 85 图 3 为 B1 样品材料混合区内的微观组织结构。由图 2 (a)中金相结果可以看出，材料混合区内既有条带又有条带状分布的颗粒，都分布在镁基体中。图 2 (b)中电镜结果和 EDS 分析显示，材料混合区内的条带和颗粒为 Al12Mg17 相。 90 图 2 A1 样品材料混合区内微观组织结构 (a) 电子显微照片 (b) 光学显微照片 Fig. 2 Microstructure in the materials intermixing region of A1 sample (a) SEM (b) OM 图 3 B1 样品材料混合区内微观组织结构 (a) 光学显微照片 (b) 电子显微照片 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 95 Fig. 3 Microstructure in the materials intermixing region of B1 sample (a) OM (b) SEM 图 4 为 A4 品铝镁材料界面处的微观组织结构。从图中可以看出，铝镁界面上出现了一层连续的金属间化合物薄层，层厚小于 1 μm。图 5 为 B4 铝镁材料界面处的微观组织结构。从图中可以看出，铝镁界面处出现了较为 100 复杂的界面结构。图 5 (a) 所示的界面呈现积压喷射状结构，金属间化合物错杂地排布在界面周围的铝基体一侧。而图 5 (b) 所示的界面呈现多层的叠状结构，金属间化合物也排布在界面周围的铝基体一侧。B4 样品中金属间化合物的厚度不均，从 0.5 μm 到 5 μm 不等。 105 图 4 A4 样品铝镁界面内微观组织结构 (a) 光学显微照片 (b) 电子显微照片 Fig. 4 Microstructure in the Al/Mg interface of A4 sample (a) OM (b) SEM 图 5 B4 样品铝镁界面微观组织结构 (a) 挤压喷射状金属间化合物结构 (b) 多层堆叠金属间化合物结构 Fig. 5 Microstructure in the Al/Mg interface of B4 sample (a) extruded IMC morphology (b) multi-layer IMC 110 morphology 2.2 接头力学性能图 6 为 A1，B4 和 A4 样品拉伸断裂后横截面的金相组织。图 6（a）所示 A1 样品断裂发生在材料混合区内部，图 6（b）和（c）所示 B4 和 A4 样品断裂发生铝镁界面处。仔细观察可以发现，B4 样品裂纹扩展路径与铝镁界面并不完全匹配，而 A4 样品裂纹扩展路径 115 则完全沿铝镁界面展开。图 7 为 A1，B4 和 A4 样品拉伸断裂后横截面的微观组织结构。由此可知，A1 样品断裂发生在材料混合区内的金属间化合物的内部。而 B4 和 A4 中，裂纹则沿着界面处的金属间化合物进行扩展。 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 120 图 6 拉伸断裂后横截面宏观组织：(a) A1，(b) B4，(c) A4 Fig. 6 As-fractured cross sections - macrostructure: (a) A1，(b) B4，(c) A4 125 图 7 拉伸断裂后横截面微观组织：(a) A1，(b) B4，(c) A4 Fig. 7 As-fractured cross sections - microstructure: (a) A1，(b) B4，(c) A4 根据不同的断裂路径和焊合区组织，可以将断裂分为三种不同的模式。模式 1：断裂发生在材料混合区内大块的金属间化合物的内部； 130 模式 2：断裂发生在铝镁界面的周围，铝镁界面呈现复杂的多层金属间化合物结构；模式 3：断裂发生在铝镁界面上，铝镁界面呈现单层的连续金属间化合物结构。其中，A1 样品属于模式 1，A2，A3 和所有 B 系列样品属于模式 2，而 A4 属于模式 3。图 8 为所有样品的拉伸强度情况。可从中看出，模式 2 的整体拉伸强度最好，而模式 1 的拉伸强度最低。B 系列样品的拉伸强度均高于 A 系列样品的拉伸强度。A 系列中 A2 拥有最高 135 的拉伸强度，而 B 系列中 B3 拥有最高的拉伸强度，为 180.3 MPa。图 8 拉伸强度 Fig. 8 Ultimate tensile strenth - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 140 通过断裂模式 2 与断裂模式 3 比较可以发现，虽然断裂裂纹都在铝镁界面延伸，但断裂模式 2 中裂纹并非完全沿界面断裂，这与界面处相对复杂的金属间化合物结构息息相关。当界面结构复杂时，裂纹无法完全沿界面金属间化合物扩展，导致裂纹扩展路径中会经过铝镁的基体，从而增加了裂纹扩展所需要的能量。而断裂模式 3 中界面处金属间化合物呈现单层连续的特点，界面较为平滑，使得裂纹易于沿界面处金属间化合物进行连续扩展，从而使得 145 力学性能显著低于断裂模式 2 的拉伸强度。在断裂模式 2 中，不同样品的拉伸强度也有较大的差异（108 Mpa ~ 180 MPa）。根据横截面宏观金相可以看出，拉伸强度超过 150Mpa 的三组样品 B2，B3 和 B4“之”字的上部界面所占比例很大，在 1/2 左右。而其他三组 B1，A2 和 A3 上部界面所占比例则很小，在 1/5 左右。对于 B2，B3 和 B4 三组样品，上部界面呈现锯齿状分布，这与焊接过程中铝 150 以条带状进入镁基体相关，从而很大程度上增加了铝镁界面的长度和机械咬合程度。 3 结论本文对 AZ31 和 6061 的 3mm 板对接搅拌摩擦焊接进行了研究，通过改变搅拌头偏移量和搅拌头针长探究了影响铝镁异质搅拌摩擦焊接中力学性能的组织因素。可得到如下结论： 155 1）焊合区内金属间化合物主要分布在材料混合区内和铝镁界面处，是焊接接头的薄弱区域。 2）焊接接头有三种不同的断裂模式：模式 1 裂纹在材料混合区的大块金属间化合物内部；模式 2 裂纹在铝镁界面的附近；模式 3 裂纹在铝镁界面处。其中，模式 2 具有最好的力学性能。 3）要提高接头强度，一方面需要控制材料混合区的组织结构，大块的金属间化合物对接头 160 力学性能减弱作用明显；另一方面需要控制界面结构，复杂的多层金属间化合物界面结构更有利于提升界面的强度。致谢（可选）感谢高等学校博士学科点专项科研基金、上海航天技术研究院-上海交大航天先进技术联合 165 研究中心、上海市闵行区产学研合作计划对本项目提供的资金支持。 [1] Chen, Y. and K. Nakata, Friction stir lap joining aluminum and magnesium alloys[J]. Scripta Materialia, 2008. 58(6): p. 433-436. [2] Mishra, R.S. and Z. Ma, Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering: R: Reports[J], 2005. 50(1): p. 1-78 [3] Akinlabi, E.T. and S.A. Akinlabi, 6 - Friction stir welding of dissimilar metals, in Advances in Friction-Stir Welding and Processing[J], M.K.B. Givi and P. Asadi,Editors.2014, Woodhead Publishing. p. 241-293 [4] Chen, T. and W.-B. Lin, Optimal FSW process parameters for interface and welded zone toughness of dissimilar aluminium-steel joint[J]. Science and Technology of Welding & Joining, 2010. 15(4): p. 279-285 [5] Coelho, R.S., et al., Microstructure and Mechanical Properties of an AA6181-T4 Aluminium Alloy to HC340LA High Strength Steel Friction Stir Overlap Weld.Advanced Engineering Materials[J], 2008. 10(10): p. 961-972 [6] Liu, P., et al., Microstructure and XRD analysis of FSW joints for copper T2/aluminium 5A06 dissimilar materials[J]. Materials letters, 2008. 62(25): p.4106-4108. [7] Ouyang, J., E. Yarrapareddy, and R. Kovacevic, Microstructural evolution in the friction stir welded 6061 170 175 180 185 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn aluminum alloy (T6-temper condition) to copper[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2006. 172(1): p. 110-122 [8] Barekatain, H., M. Kazeminezhad, and A.H. Kokabi, Microstructure and Mechanical Properties in Dissimilar Butt Friction Stir Welding of Severely Plastic Deformed Aluminum AA 1050 and Commercially Pure Copper Sheets[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2014. 30(8): p. 826-834 [9] Nimer, S., J. Wolk, and M. Zupan, Location and Orientation Specific Material Property Evaluation of Friction Stir Welded Ti-5111[J]: A Microsample Approach.Advanced Engineering Materials, 2014. 16(4): p. 452-458 [10] Dressler, U., G. Biallas, and U. Alfaro Mercado, Friction stir welding of titanium alloy TiAl6V4 to aluminium alloy AA2024-T3[J]. Materials Science and Engineering:A,2009. 526(1): p. 113-117. [11] Khodir, S.A. and T. Shibayanagi, Friction stir welding of dissimilar AA2024 and AA7075 aluminum alloys[J]. Materials Science and Engineering: B, 2008. 148(1):p.82-87. [12] Firouzdor, V. and S. Kou, Al-to-Mg friction stir welding: effect of material position, travel speed, and rotation speed[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010. 41(11): p. 2914-2935 [13] Kwon, Y., I. Shigematsu, and N. Saito, Dissimilar friction stir welding between magnesium and aluminum alloys[J]. Materials Letters, 2008. 62(23): p. 3827-3829 190 195 200 205 - 7 -

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