根部未焊合對AZ31B鎂合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響

代 野，李文亞，張志函，馬玉娥

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 航空學院，陜西 西安 710072)

根部未焊合對AZ31B鎂合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響

代 野1，李文亞1，張志函1，馬玉娥2

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 航空學院，陜西 西安 710072)

針對厚4.3 mm的AZ31B鎂合金短針設計攪拌摩擦焊接，研究工藝參數對根部未焊合率的影響，并通過接頭組織與拉伸斷口形貌分析，分析了根部未焊合對接頭抗拉強度的影響。結果表明：焊接速度一定時，當攪拌頭旋轉速度超過臨界值950 r／min時，隨著轉速的增加，接頭根部未焊合率降低。當旋轉速度一定時，焊接速度對接頭未焊合率幾乎無影響。所有拉伸試樣均在根部未焊合界面處起裂并發生斷裂，而焊合區斷口呈現典型的韌脆混合斷裂特征。此外，接頭抗拉強度隨著根部未焊合率的降低而升高，當旋轉速度為1 180 r／min、焊接速度120 mm／min時，接頭的抗拉強度達到最大值188 MPa，為母材強度的76.4%。

攪拌摩擦焊；鎂合金；根部未焊合率；抗拉強度

0 前言

鎂合金是工業應用中最輕的金屬結構材料，因其密度小、比強度高、比剛度高、導熱性能好、屏蔽性好及優良的切削加工性能等特點，在汽車、兵器和航空航天工業中有著廣闊的應用前景[1-2]。然而，鎂合金由于其熔點低、線膨脹系數和導熱系數大以及對氧親合力強等特點，導致其焊接性差，采用傳統的焊接方法難以獲得綜合性能良好的焊接接頭[3]。攪拌摩擦焊(FSW)作為一種節能、環保、高效的新型固相焊接技術，避免了熔焊時的大部分缺陷，且焊縫成形和接頭性能較好，可獲得低應力無變形焊接接頭。FSW這一獨特優勢在焊接輕金屬結構材料(如鎂合金、鋁合金等)中體現尤為突出。目前，國外已成功將FSW用于航空航天、船舶等制造業，國內外學者已對鎂合金FSW進行了大量的試驗和數值模擬工作。但關于AZ31B的FSW研究相對較少，Afrin等人[4]研究了旋轉速度和焊接速度對AZ31B組織和拉伸性能的影響，并分析拉伸斷口。白鋼等人[5]對工藝參數、攪拌頭材料和形狀對AZ31B鎂合金接頭的影響進行了研究，獲得了最優工藝參數。雖然攪拌摩擦焊能夠避免熔焊時產生的裂紋、氣孔等缺陷，但如果焊接參數選擇不當，也會引入新的缺陷，如隧道、Z型線、根部未焊合等。根部未焊合出現的主要原因是攪拌針過短，也有可能是熱輸入不足等[6]。目前尚沒有根部未焊合對攪拌摩擦焊接頭性能影響的相關報道。在此研究了不同工藝參數條件下AZ31B鎂合金FSW接頭根部未焊合對接頭抗拉強度的影響，并分析了接頭組織和拉伸斷口形貌。

1 試驗材料和方法

攪拌摩擦焊接試驗在X5032立式數控銑床上進行。試驗所用母材為100 mm×40 mm×4.3 mm的AZ31B鎂合金，其主要成分如表1所示。試驗所用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼攪拌頭的軸肩直徑為12mm，圓柱形攪拌針直徑3.6 mm、長度3.5 mm，軸肩下壓量0.2 mm，攪拌頭傾角2°。焊后垂直于焊縫方向切取金相和拉伸試樣。金相腐蝕劑為100 ml 2%草酸溶液+2 ml濃硝酸。在西北工業大學自制萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，采用光學金相顯微鏡和掃描電鏡觀察焊縫組織及拉伸斷口。拉伸試樣尺寸參照GB／T 16865-1997，其尺寸如圖1所示。

表1 AZ31B鎂合金母材的化學成分%Tab.1 Chemical composition of AZ31B magnesium alloy

圖1 拉伸試驗試樣尺寸Fig.1 Shape and size of the tensile test specimen

2 試驗結果和分析

2.1 焊接接頭組織分析

在旋轉速度750 r／min、焊接速度90 mm／min條件下，AZ31B鎂合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織如圖2所示。從圖2a可知，接頭由焊核區、過渡區、熱影響區和母材區組成，接頭下方焊縫中心線處有根部未焊合缺陷。從圖2b可知，焊核區晶粒細小且分布均勻，這是由于在攪拌頭的強烈摩擦和擠壓作用下，該區域金屬應變速率最大、溫度最高，使得母材原始粗大晶粒發生劇烈的塑性變形和動態再結晶；圖2c為接頭過渡區組織，可以看出靠近焊縫一側晶粒發生動態再結晶形成細小的等軸晶粒，靠近母材一側晶粒明顯粗大，這與文獻[7-8]研究結果明顯不同；圖2d是熱影響區組織，在該區原始晶粒的部分晶界消失，晶粒長大，其平均尺寸較母材(見圖2e)更粗大。

圖2 AZ31B攪拌摩擦焊接頭光學顯微照片Fig.2 Optical micrographs of the FSW AZ31B Mg alloy

接頭根部未焊合微觀形貌如圖3所示。由圖3可知，接頭組織不均勻，根部未焊合處晶粒明顯比周圍晶粒小。導致這種現象的可能原因是：在焊接過程中，接頭根部未焊合處材料在攪拌頭擠壓和高溫作用下發生了強烈的塑性變形。此外，由于鎂合金的再結晶溫度和激活能較低，在這種熱力耦合的共同作用下，根部未焊合附近原始晶粒被打碎，部分組織發生動態再結晶而形成了不均勻的組織。

圖3 根部未焊合處微觀形貌Fig.3 SEM micrograph of root flaw

2.2 焊接參數對根部未焊合的影響

2.2.1 旋轉速度對根部未焊合的影響

為研究旋轉速度對根部未焊合缺陷的影響，在焊接速度120 mm／min條件下，旋轉速度從750 r／min變化到1180r／min。圖4為焊接速度120mm／min時，旋轉速度對根部未焊合率(根部未焊合率＝根部未焊合厚度／試樣厚度)的影響。由圖4可知，旋轉速度為750 r／min和950 r／min時，接頭未焊合率基本一致，約為15.5%。但當攪拌頭轉速增大到1 180 r／min時，接頭未焊合率明顯下降，約為11.1%。這是由于在本試驗條件下，當旋轉速度超過臨界值(950r／min)，隨著轉速的增加，焊縫中熱輸入增大，攪拌針下方軟化的金屬量增多，金屬間結合好，從而降低了未焊合率。

圖4 根部未焊合與旋轉速度之間的關系Fig.4 Relationshipbetweenratioofrootflawand rotation speed

2.2.2 焊接速度對根部未焊合的影響

為了研究焊接速度對根部未焊合缺陷的影響，在旋轉速度1 180 r／min條件下，焊接速度從60 mm／min變化到120mm／min。圖5為旋轉速度1180r／min時，焊接速度對根部未焊合率的影響。由圖5可知，隨著焊接速度的增加，根部未焊合率變化不大。說明在本試驗條件下，焊接速度對接頭未焊合率幾乎無影響。

圖5 根部未焊合與焊接速度之間的關系Fig.5 Relationship between ratio of root flaw and welding speed

2.3 接頭拉伸斷裂位置和斷口分析

在接頭進行力學性能測試拉伸試驗前，對試樣的縱截面進行了腐蝕以便觀察試件根部未焊合缺陷所在位置。試樣拉伸前后對比如圖6所示，所有拉伸試樣均在根部未焊合界面處起裂并發生斷裂。

圖6 拉伸試樣拉伸前后對比Fig.6 Comparison of specimens before and after tensile test

接頭拉伸斷口形貌如圖7所示。該圖可以明顯分為兩個區域，下方相對光滑區為未焊合區，上方為焊合區。拉伸過程中斷口從焊合區和未焊合區交界處起裂。斷口中存在大量剪切韌窩，韌窩在剪切應力作用下被撕裂和拉長，在斷口上既可看見大量拉長的淺韌窩，又有撕裂棱的存在，斷口呈韌脆混合的斷裂特征。

圖7 AZ31B接頭拉伸斷口形貌Fig.7 SEM image of fracture surface of AZ31B joint

2.4 根部未焊合對接頭抗拉強度的影響

焊接速度120 mm／min條件下，旋轉速度與接頭抗拉強度的關系如圖8所示。由圖8可知，當轉速小于950 r／min時，接頭抗拉強度基本保持不變；當轉速大于950 r／min時，接頭抗拉強度隨著轉速的增加而增大。當旋轉速度1180r／min、焊接速度120mm／min時，接頭的抗拉強度達到最大值188 MPa，約為母材強度(246 MPa)的76.4%。這與圖4所示結果一致。當轉速大于臨界值950 r／min時，接頭未焊合率下降，拉伸過程中接頭的有效接觸面積增大，從而導致接頭的抗拉強度增大。

圖8 焊接接頭的抗拉強度與旋轉速度之間的關系Fig.8 Relationship between joint strength and rotation speed

旋轉速度1 180 r／min時，焊接速度與接頭抗拉強度的關系如圖9所示。由圖9可知，隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強度基本保持不變，約為185 MPa。這與圖5所示結果一致。

3 結論

(1)拉伸試驗得出所有試樣均斷裂在根部未焊合處，斷口呈現典型的韌脆混合斷裂特征。

(2)焊接速度一定時，當攪拌頭旋轉速度超過一定的臨界值時，隨著轉速的增加，接頭根部未焊合率降低。而旋轉速度一定時，焊接速度對接頭未焊合率幾乎無影響。

(3)接頭抗拉強度隨著根部未焊合率的降低而升高。當旋轉速度1 180 r／min、焊接速度120 mm／min時，接頭的抗拉強度達到最大值(188 MPa)，約為母材強度(246 MPa)的76.4%。

圖9 焊接接頭的抗拉強度與焊接速度之間的關系Fig.9 Relationship between joint strength and welding speed

[1]陳亞軍，黃天佑.鎂合金應用現狀及鑄造技術研究進展[J].銅業工程，2005(1)：45-49.

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[5]白 鋼，楊 舜，劉小文，等.鎂合金AZ31B攪拌摩擦焊研究[J].熱加工工藝，2006，35(11)：23-25.

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Effect of root flaw on the mechanical properties of friction stir welded AZ31B alloy joint

DAI Ye1，LI Wen-ya1，ZHANG Zhi-han1，MA Yu-e2
(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The AZ31B magnesium alloy sheet with the thickness of 4.3 mm was welded with friction stir welding(FSW).The effects of different welding parameters on the root flaw were researched.According to the analysis of the microstructure and fracture surface morphology，the effects of root flaw on the tensile properties with different welding parameters were investigated.With the welding speed held constant，when the rotational speed beyond the critical condition of 950 r／min，the tensile strength decreased with increasing rotational speed.When the rotational speed held constant，the tensile strength remained at almost the same level with increasing welding speed.The tensile test results showed that all the fractures were in the position of root flaw and the fracture surface exhibited both ductile and brittle fracture characteristics.Furthermore，a lower ratio of root flaw led to higher yield strength.When the rotation speed is designated as 1 180 r／min，the welding speed of 120 mm／min is optimal for the tensile strength.The tensile strength of the joint reaches 188 MPa，i.e.80%of that of the base material.

friction stir welding；magnesium alloy；radio of root flaw；tensile property

TG456.9

A

1001-2303(2012)07-0068-04

2012-03-06

代 野(1988—)，男，遼寧鐵嶺人，在讀碩士，主要從事摩擦焊接研究工作。