鎂鋁異種金屬的攪拌摩擦膠接點焊

丁成鋼，楊 慧

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028）

0 前言

目前，膠接與焊接是工業中最常用的兩種連接技術，為了改善焊接接頭的連接性能，出現了將膠接與焊接復合起來的新工藝——膠焊[1-2]。膠接點焊技術是一種將點焊與膠接相結合的新穎、高效的復合連接工藝[3]，它是在點焊前或點焊完成后，在焊點周圍的裂縫狀間隙中加入膠粘劑的一種連接方法。攪拌摩擦膠接點焊是膠接點焊中極其特殊的一種，它是將膠接技術與攪拌摩擦點焊技術復合而成的膠焊連接方法。

異種金屬焊接是指把兩種或兩種以上不同的金屬在一定工藝條件下進行焊接加工的過程。由于異種金屬的化學成分和物理性能明顯不同，因此異種金屬焊接比同種金屬復雜得多。Mg和Al均屬于較活潑元素，并且Mg極易與A1反應生成金屬間化合物，這給鎂合金與鋁合金的焊接帶來困難。當采用傳統的熔焊方法焊接鎂鋁異質金屬時，在接頭中容易產生氣孔、夾渣、熱裂紋、合金元素燒損及焊縫區軟化等問題，特別是在接頭界面處容易生成大量的Mg-Al金屬間化合物，嚴重降低了接頭性能[4]。

本研究針對AZ31鎂合金與5052鋁合金異種輕質高強材料進行了攪拌摩擦膠接點焊試驗，并分析了接頭特征、組織特點、硬度等。

1 試驗材料和方法

試驗材料為工程中常用的AZ31鎂合金和5052鋁合金薄板，尺寸規格均為200mm×50mm×3mm。選用攪拌頭形狀為圓錐帶凹槽，攪拌針長度和軸肩尺寸大小分別為2.8cm和φ16mm、3.4cm和φ16mm、2.8 cm和φ18 mm的三種攪拌頭，編號分別為A、B、C。攪拌頭A設計效果及尺寸如圖1所示。首先將三種攪拌頭在同一工藝參數下進行點焊試驗，每個工藝參數選三個試樣，對比分析抗剪試驗結果，最終選出優佳的攪拌頭進行后續試驗。試驗采用的膠接劑為黑色密封膠SIKAFLEX，該膠接劑的部分性能指標如表1所示。

圖1 攪拌頭A設計及尺寸Fig.1 Design and size of pin tool A

表1 黑色密封膠部分性能指標Tab.1 The performance of SIKAFLEX

試驗用工藝參數為:旋轉速度950 r/min，焊接停留時間6 s，軸肩下壓量4.3 mm。在經過XKA714C數控銑床自行改裝而成的攪拌摩擦焊機上進行試驗，取接頭在金相顯微鏡上觀察其組織特點，并利用FM-700顯微硬度計進行顯微硬度分析。

2 試驗結果和分析

2.1 攪拌頭形狀對焊點的影響

在選定的焊接工藝參數下進行試驗，不同攪拌頭下焊點的外觀形貌如圖2所示，表2為各接頭的力學性能。

表2 抗剪試驗結果Tab.2 Shear resistance force resultskN

由圖2可知，攪拌頭B所形成焊點表面外觀成形質量較差，出現了飛邊現象，并且抗剪力較低，飛邊的產生主要是由于攪拌頭B的攪拌針過長所造成的。在旋轉攪拌過程中，軸肩、攪拌針與被焊金屬之間旋轉擠壓產生大量的摩擦熱，摩擦熱使焊接金屬產生塑性變形，攪拌針越長，其在焊接過程中攪動的塑性金屬越多，部分金屬在攪拌針旋轉作用和軸肩作用下擠壓出去產生飛邊。與其相比較，運用攪拌頭A和攪拌頭C的焊點外觀成形質量要強于攪拌頭B，這是由于攪拌頭A與攪拌頭C攪拌針的長度（均為2.8 cm）比攪拌頭B長度（3.4 cm）要短，在焊接過程中所形成的塑性金屬量適中，沒有多余的塑性金屬溢出，并且抗剪力有所提高，如表2所示。而攪拌頭C與攪拌頭A相比，兩者攪拌針的長度相同，而攪拌頭C的軸肩相對較大，增大后的軸肩與金屬之間接觸面積增大，摩擦作用增強，產生了大量的摩擦熱，但是在旋轉擠壓的過程中由于接觸面積的增加，摩擦產生的摩擦熱不均勻，造成局部過熱或者局部熱量不充分的現象，導致接頭的性能也可能不均勻，其平均抗剪力要低，而攪拌頭A的抗剪力要相對較大。綜合所述，攪拌頭A相比于其他攪拌頭均表現出了優良的焊接性能。

圖2 不同攪拌頭下的焊點Fig.2 Solder joint of different pin tools

2.2 鎂鋁異種金屬攪拌摩擦膠接點焊接頭組織分析

選取攪拌頭A的點焊試驗結果試件，沿垂直于焊縫方向取樣，將制備好的金相試樣用腐蝕劑擦拭，接頭各區域顯微組織如圖3所示。

圖3 AZ31/5052 Bongding-FSSW接頭各區域顯微組織Fig.3 Bongding-FSSW microstructures of AZ31/5052

圖3a為AZ31鎂合金與5052鋁合金攪拌摩擦膠接點焊鋁板與鎂板界面結合區的顯微組織。從圖中可以看出，鎂側與鋁側結合良好，進一步觀察交接界面處，發現該區域是在攪拌頭高速旋轉摩擦攪動產生的摩擦熱以及軸肩向下擠壓力的雙重作用下，鎂合金、鋁合金以及膠接劑基體原子相互擴散形成的一層新的成分均勻的擴散層，該擴散層使得上下板結合良好。

攪拌針作用區的顯微組織如圖3b所示。由于攪拌針長度的縮短，故其攪動的區域很小。在攪動的區域中晶粒比較細小，且分布均勻，這是由于該處組織受到高速旋轉的攪拌頭摩擦以及攪拌針向下的壓力作用，在高溫和高壓的綜合作用下使得該區域晶粒發生劇烈的塑性變形和再結晶。同時，攪拌頭的強烈攪拌對原始晶粒也起到了一定的破碎作用，故形成了晶粒細小的等軸晶組織。而其他攪拌針作用區中大部分沒有發生明顯的晶粒破碎和再結晶組織，但是在高溫和高壓的綜合作用下也發生了一定的細化。

圖3c為鎂側軸肩作用區組織。軸肩作用區鄰近交界面，該區域的組織只受到攪拌頭摩擦熱作用，沒有發生動態再結晶，不存在塑性流動行為，晶粒結構與母材相似，并且由于受到的熱循環不均勻，使得該處的晶粒粗化，晶粒大小不均勻，整體晶粒尺寸較攪拌針作用區大很多。

2.3 由鋁板到鎂板縱向顯微硬度分析

圖4 由鋁板至鎂板縱向顯微硬度分布Fig.4 Longitudinal micro hardness distributions from Al to Mg

上述工藝參數的三種接頭從鋁板到鎂板縱向顯微硬度分布曲線如圖4所示。顯微硬度近似的呈“A”形分布。可以看出不同試件的硬度分布近似一致，鋁側與鎂側硬度值大體相同，鋁側硬度要比鎂側硬度稍高，并且變化很小，大約為55～65HV，然而在接頭界面結合區，硬度值明顯增大，最高達到了90 HV。材料的攪拌摩擦膠接點焊在焊縫中可能形成了高硬度的金屬間化合物，在焊接過程中部分鋁被攪入鎂合金中，形成了高硬度的脆性組織，使得該區的硬度值明顯提高，這使焊縫變得脆硬，這也是脆性斷裂的主要原因。（2）在攪拌摩擦膠接點焊的過程中，可能有部分膠接劑被攪拌針攪入焊縫，從而在擴散層中形成脆硬組織，導致剪切強度不夠。

3 結論

（1）攪拌針長度的縮短和適當的攪拌頭軸肩尺寸能夠獲得較好的點焊接頭，接頭質量和成型效果均較好。

（2）在連接界面處形成了一個成分均勻的擴散層，該擴散層使得鋁板和鎂板界面結合良好。

（3）縱向硬度試驗中，擴散層附近的硬度值最高，原因是擴散層附近可能產生了大量的脆性相。

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[1]Jones B.A Future for Weldbonding Sheet Steel[J].Welding and Fabrieation，1978，46（7/8）：415－420.

[2]Robert W.Messler.Weld-bonding The best or worst of two processes[J].Industrial Robot，2002（29）：138-148.

[3]Jones B.A Future for Weldbonding Sheet Steel[J].Welding and Fabrieation，1978，46（7/8）：415-420.

[4]李線絨.共晶合金中間層連接鎂鋁異種金屬的界面組織及結合強度研究[J].稀有金屬材料工程，2008，37（11）：2016-2019.