純鋁/鎂合金異種金屬連續驅動軸向摩擦焊接工藝分析

吳 龍

（中國船級社質量認證公司重慶分公司，重慶 401123）

純鋁/鎂合金材料從上世紀70年代已經備受各個領域重視。但是純鋁/鎂合金自身存在膨脹系數大、熔點低、導熱系數與比熱容大等諸多特點，傳統焊接工藝在開展施工時，很容易在焊接接頭上形成大量脆性金屬間化合物，導致焊接熱裂紋、氣孔、和金素燒損等諸多問題。如何把控異種金屬連續驅動軸向摩擦焊接工藝各項參數，強化純鋁/鎂合金焊接質量，已經成為當前焊接領域技術研究熱點之一。

1 摩擦焊接內涵概述

摩擦焊接是一種當前較為流行、先進的焊接技術。摩擦焊接技術手段相比熔焊、接頭組織為鍛造組織，切實避免了傳統焊接當中出現氣孔、裂紋、夾渣等諸多缺陷。摩擦焊接還可以與擴散焊、電阻焊等固相焊接技術進行聯合使用。在焊接過程當中材料發生劇烈塑性流動，這樣較大材料變形可以有效改善金屬之間的化合物分布狀態。摩擦焊接的焊接時間較短、焊接效率高等特點，能夠對Al-Mg金屬間化合物生產進行控制，切實保障Al-Mg金屬焊接質量。

2 純鋁/鎂合金異種金屬摩擦焊接性

純鋁/鎂合金異種金屬在開展摩擦焊接的過程中，因為諸多影響因素很容易對焊接質量帶來影響。為了切實保障摩擦焊接質量，需要在開展焊接之前對材料性能進行分析。影響材料擦焊接的因素主要有材料互溶性、材料表面氧化膜、材料力學性能、材料高溫氧化性、材料生成脆性相、材料摩擦的摩擦系數、材料脆性。針對純鋁/鎂合金異種金屬來說，影響摩擦焊接質量的因素主要有以下內容。①因為Al原子和Mg原子之間的晶體結構存在較大差異，并且兩者物理熱以及物理化學性質也不盡相同，導致摩擦焊接過程中容易出現問題。Al-Mg金屬之間溶性相對較低，兩者最大溶解度為12.7%，并且在室溫的影響下，兩者溶解度變動也較大。②Al-Mg金屬氧化性較強，導致焊接難度較高、焊接性較差。冷卻結晶時，晶粒之間存在的養護無更加容易使晶粒之間結合能力降低[1]。針對Al、Mg金屬來說，兩者都是金屬性質較為活潑的金屬物質，那么非常容易在焊接表面形成高熔點、高硬度的氧化膜，并生成三氧化二鋁或者氧化鎂等金屬元素，很難在焊接過程中破碎，容易增加焊接工作困難。③相比鎂元素來說，鋁元素的比熱容相對較大，并且熱導效率較高、塑性強。但是客觀來說，兩者的熱學性能存在較大差異，摩擦焊接過程當中若不能同步變形，那么會對焊接工程帶來較大困難。并且鋁元素與鎂元素之間的溶解度相對較低，在焊接時很容易產生金屬化合物。在437℃～450℃之間，容易發生共晶反應，并且焊接界面生成脆性相，導致焊接界面的局部焊接應力較大，容易降低焊接接頭性能。

3 純鋁/鎂合金異種金屬連續驅動軸向摩擦焊接工藝

為了明確純鋁/鎂合金異種金屬連續驅動軸向摩擦焊接質量，文章針對純鋁/鎂合金異種金屬摩擦焊接過程中，摩擦焊接工藝系數對純鋁/鎂合金異種金屬焊接質量影響進行分析，從微觀層次上把控各項技術參與對純鋁/鎂合金異種金屬焊接帶來的影響，分析出保障純鋁/鎂合金異種金屬摩擦焊接質量技術要點。

3.1 焊接參數對摩擦焊接頭的影響

結合焊接測試實驗結果，可以明確得出隨著摩擦力壓力與頂鍛壓力的不斷增加，焊接實驗樣本的軸向縮短量也呈現出逐漸增加的情況。詳細分析焊接樣本可以明確觀察到，不同焊接參數開展焊接，都并未出現空洞、焊接漏洞等缺陷，展現了摩擦焊接技術手段優勢。隨著摩擦焊接時間的增加，對純鋁/鎂合金異種金屬材料形變影響較高、與軸向縮短量成正比[2]。針對摩擦時間、頂鍛壓力、摩擦壓力進行比較，主軸轉速對接頭軸向縮短量的影響相對較小。在開展摩擦焊接過程中，純鋁側與鎂合金的變形量會隨著焊接參數變化而出現變化。純鋁/鎂合金焊接時出現較大形變，更加容易促使摩擦界面處塑性材料交換、更加容易發生元素相互擴散，在冶金物理化學反應之下，切實保障了焊接接頭質量。

3.2 焊接壓力對摩擦焊接頭的影響

在摩擦焊接當中，摩擦壓力對于焊接接頭溫度會造成影響。在開展實驗的過程中，選擇了兩組摩擦壓力進行分析，分別是：30mpa、90mpa；其他參數固定為：t=10s、n=2200rmp。通過測試分析，在開展摩擦焊接的過程中，初期階段的摩擦行為，可以促使材料溫度急速上升。

隨后，焊接操作會使兩側工件材料出現前塑性形變，這時界面區域熱與散熱系數之間保持平衡，這時溫度便不會再持續增加。當摩擦壓力在90mpa時，鎂合金側最高溫度可以達到437℃。隨著摩擦時間不斷增加，對于鎂合金材料的溫度不會有太多影響，而對于純鋁材料來說，測溫度影響相對較大。

從實驗結果證明，相比之下，鎂合金側溫度最高時總要大于純鋁材料焊接最高溫度，這表明了兩側母材的熱物理性質相差較大。雖然純鋁材料與鎂合金材料之間的熱擴散系數相對較近，但是純鋁材料導熱率比鎂合金材料導熱效率較高。

3.3 摩擦壓力與頂鍛壓力對焊接接頭界面宏觀組織影響

為了切實有效的分析焊接參數對摩擦焊接頭的影響，分別對不同摩擦壓力、不同頂鍛壓力下的接頭組織進行了詳細分析，三組數據分別是a（p1=30mpa、p2=60mpa）；b（p1=30mpa、p2=150mpa）；c（p1=90mpa、p2=150mpa）。通過實驗分析得出，隨著摩擦壓力與頂鍛壓力的不斷增加，焊接接頭的形變更加明顯，并且軸向縮短量更。在焊接接頭當中高溫區域熱塑性金屬，在較高摩擦壓力之下，會產生加劇塑性流動，在高摩擦壓力之下塑性形變的厚度也相對較高，頂鍛壓力很容易造成對熱塑性材料二次擠出。頂鍛壓力較大，鎂合金側的飛邊體積則會比純鋁材料一側飛邊體積更大[3]。但是將摩擦力從30mpa提升到90mpa之后，那么兩邊的隨性形變區域厚度也會發生變化，純鋁材料一側的飛邊體積則會大于鎂合金一側飛邊體積。

為了進一步對飛邊擠出現象進行分析，對摩擦界面邊緣開展了SEM二次電子像形貌特征分析，發現在摩擦界面形成了一層化合物，主要成分是Al12Mg17和Al3Mg2。在實際開展焊接的過程中，因為純鋁材料和鎂合金的形變，會造成摩擦邊界處形成一定壓力，在界面處金屬之間化合物的影響很容易造成飛邊不能順利向反方向流動與形變，造成摩擦界面母材出現流動方式變化，不會出現卷邊、飛邊問題。

4 結語

總而言之，摩擦焊接工藝作為一種具備科學性的焊接技術，可以切實滿足純鋁/鎂合金異種金屬的焊接加工需求，確保純鋁/鎂合金異種金屬焊接質量。異種金屬連續驅動軸向摩擦焊接工藝，作為一種具備科學性、高效性的焊接技術，可以切實滿足純鋁/鎂合金焊接需求，但是受到工件結構等諸多因素影響，很容易造成工件自身等諸多因素限制，導致工件焊接出現質量問題。

在實際開展焊接的過程中，必須要明確各項影響焊接質量因素，并有針對性的把控摩擦焊接工藝和焊接參數，確保純鋁/鎂合金異種金屬連續驅動軸向摩擦焊接水平，促進我國金屬加工領域的可持續發展。