刘 澳，华 鹏，李玉虎，李海宁，李先芬

（合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009）

0 前 言

在轻量化技术发展过程中，铝、镁合金在新能源汽车、轨道交通、航空航天等领域被广泛应用[1-2]。采用传统熔焊方法焊接铝镁异种合金时容易产生气孔、裂纹等缺陷，另外由于焊接温度高，焊缝内容易生成大量Al-Mg金属间化合物(intermetallic compounds, IMCs)，导致焊接质量差[3]。搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）是一种加工效率高、焊接热输入低的新型固相连接技术，能很好地完成铝、镁合金的焊接[4-5]。

国内外学者针对搅拌头形状及尺寸、工艺参数、接头形成机制、IMCs 生成机制等方面开展了诸多研究[6]。周振鲁等[7]研究了搅拌头形貌对FSW 搭接接头的横截面形貌与拉剪性能的影响规律，结果表明，全螺纹搅拌头将材料堆积至搅拌针尖端，尖端半螺纹搅拌头螺纹的起始端对周围材料有向下的作用力，根部半螺纹搅拌头在螺纹的末端及搅拌针尖端堆积材料。Jiang 等[8]研究了搅拌针螺纹对铝镁合金FSW 焊接界面热产生、温度场、材料流动和混合的影响，发现搅拌针螺纹的作用主要体现在增加材料在剪切层中的混合程度，螺纹的存在使铝镁界面更加曲折。张涛等[9]通过选择不同的焊接工艺参数对镁铝异质合金进行异种金属搅拌摩擦焊焊接，结果表明，一定范围内，接头的抗拉强度和硬度整体会随着旋转速度的增加而上升，焊核区的晶粒经过动态回复再结晶变得细小均匀，随着旋转速度的增加，焊接接头由脆性断裂逐渐变为韧性断裂。Gotawala 等[10]研究了AZ31 镁合金和6061 铝合金FSW 后的组织和织构，研究发现，在高温塑性变形过程中织构和显微组织发生演变，在搅拌区域两种材料都经历了晶粒细化，Mg 侧和Al 侧均存在倾斜的基底织构和立方织构。Zeng 等[11]系统研究了铝镁FSW在不同条件下沿材料流动路径的微观结构，确定了包括4 个阶段的微观结构演化的普遍特征，FSW 中的动态再结晶机制取决于焊接条件，动态回复和动态再结晶的延迟是FSW 过程中细化晶粒的有效方法。Beygi 等[12]研究发现，铝镁FSW 期间IMCs 的形成包括固态扩散和液态扩散两种机制，液态扩散机制产生的IMCs 被认为是连续的。

综上所述，采用FSW 焊接技术对铝镁板材进行焊接工艺试验的探索，对于材料向轻量化方面发展具有十分重要的应用价值。而本研究通过研究Al-Mg 的FSW 搭接接头在不同焊接速度、搅拌速度及下压量条件下接头微观组织、焊缝界面及IMCs 的变化，探究其焊接工艺参数与物理性能的关系。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验母材采用规格为75 mm×150 mm×3 mm的7003 铝合金和AZ31 镁合金板材，化学成分见表1。

表1 7003铝合金及AZ31镁合金化学成分

1.2 焊接工艺

试验前首先将铝合金及镁合金板材表面打磨干净并用酒精、丙酮清洗，搭接长度为30 mm，镁板在上，铝板在下，如图1 所示。采用搅拌摩擦焊机进行接焊试验，搅拌头为圆锥螺纹型，搅拌针长度为4.5 mm，焊接工艺见表2。

表2 焊接工艺及参数

图1 铝板镁板搭接方式示意图

1.3 试样检测

对焊接接头搭接进行宏观形貌、微观组织形貌及显微硬度分析。依据GB/T 11363—2008 标准进行拉剪试验，随后采用SEM 对断口形貌进行观察，并对断口进行XRD分析。

2 试验结果及分析

2.1 工艺参数对焊接宏观形貌的影响

图2为不同搅拌速度下焊缝表面宏观形貌及截面形貌。结果显示，不同转速下焊缝表面均无缺陷，在后退侧均存在较为严重的飞边，当转速较低时，焊缝表面存在较多的毛刺，随着转速的提高，焊缝表面由粗糙变得光滑，纹路变得更为致密。转速为300 r/min 时，前进侧没有观察到Hook 缺陷（又称吊钩缺陷），当转速为600 r/min和950 r/min 时，前进侧出现了Hook 缺陷，这是因为转速的增加导致前进侧材料的上移，另外转速为950 r/min 时，在后退侧出现了尺寸较大的Hook 缺陷，这是因为转速的增加导致搅拌区内材料塑性流动程度增大，提高了材料的机械变形速率，导致后退侧有更多的材料上移。另外，当转速较低时，IMCs 数量较少，且主要分布在搅拌区底部、前进侧Hook 处及镁板前进侧中部，当转速为950 r/min 时，在整个搅拌区内都能观察到大量IMCs，这是因为随着热输入增加，焊接峰值温度增大，冶金反应剧烈，更容易生成IMCs。随着旋转速度的增加，铝镁界面过渡区形状逐渐由平滑变得曲折复杂，接头机械互锁程度有所增加。

图2 不同搅拌速度下焊缝表面宏观形貌及截面形貌

图3为不同焊接速度下焊缝表面宏观形貌及截面形貌，从图3可看出，当焊接速度23.5 mm/min和30 mm/min时，焊缝表面光滑致密，没有发现宏观缺陷；当焊接速度增加到75 mm/min时，焊缝表面出现了严重的犁沟缺陷，这是因为焊接速度过快导致材料无法及时填补焊接过程中产生的瞬时空腔。观察截面形貌可知，当焊接速度为23.5 mm/min 时，后退侧出现了较大尺寸的Hook缺陷，搅拌区底部及前进侧镁板中部存在大量IMCs；当焊接速度为75 mm/min 时，接头成形质量差，由于热输入较低没有观察到IMCs，搅拌区底部出现了隧道缺陷，根据抽吸-挤压理论，使用右旋螺纹搅拌头时，材料沿着搅拌针表面向下流动，容易在搅拌针尖端附近形成瞬时空腔，当空腔未被及时填满就会形成隧道型缺陷[13]。

图3 不同焊接速度下焊缝表面宏观形貌及截面形貌

图4为不同下压量下焊缝表面宏观形貌及截面形貌，从图4可以观察到，不同轴肩下压量下焊缝成形均无缺陷。当轴肩下压量为0.3 mm 时，由于搅拌头轴肩顶锻压力较小，不利于金属的塑性流动，铝镁连接界面较为平滑，没有形成有效的机械互锁，没有观察到明显的IMCs，当下压量增大时，顶锻压力增大，利于金属流动，铝镁界面连接处生成的IMCs逐渐增加。

图4 不同下压量焊缝表面宏观形貌及截面形貌

通过对比发现，600-30-0.7、950-23.5-0.7、950-30-0.7、950-30-0.5 四种焊接参数的焊接接头无明显缺陷，且焊缝界面冶金结合良好。

2.2 微观组织分析

图5所示为典型的铝镁异种金属FSW焊接接头截面形貌，焊接工艺参数为950-30-0.7。将焊缝截面分4 个区域，由数字1～4 表示，1 区域为IMCs 薄层，2 区域为搅拌区底部铝镁交界界面，3 区域为前进侧（advancing side，AS）的Hook处，4区域为后退侧（retreating side，RS）的Hook处。3区域前进侧及4区域后退侧的搭接界面向上迁移深入搅拌区形成Hook 形貌，根据Hook 放大图可见，RS的Hook尺寸明显大于AS的Hook尺寸，且RS的Hook更为复杂曲折。搅拌区内部主要为镁合金，底部存在大量IMCs，镁板前进侧1区域处存在一个沿水平方向延伸的IMCs薄层。铝镁界面过渡区形状复杂曲折，机械互锁程度较高。

对图5 中1 区域IMCs 薄层进行线扫描，EDS 结果如图6（a）所示，IMCs 薄层主要由镁元素组成，同时存在少量铝元素的成分起伏。对图5 中2 区域铝镁交界处进行面扫描，EDS 结果如图6（b）、图6（c）所示，红色显示铝元素分布，绿色显示镁元素分布，可以看到在铝镁交界处铝元素和镁元素发生了扩散，相比之下铝元素更为密集而镁元素较为分散，因此铝元素向镁侧扩散的数量较多。对图5 中3 区域A 处和4 区域B 处进行点扫描，结果如图7 所示。根据元素比例并结合后续断口XRD 结果可知A、B处的相（见表3），可以看到，搅拌区中主要由网格状的Al12Mg17组成，网格内部由镁基体和Al12Mg17共同组成。由于Al12Mg17易形成在富镁区，而搅拌区内部主要为镁合金母材，因此形成了大量Al12Mg17IMCs。

表3 EDS点扫结果

图5 焊缝截面各区域形貌

图6 图5中2区域扫描结果

图7 图5中3区域A处和4区域B处点扫描结果

在本试验中，有效搭接宽度（effective lap width，ELW）表示AS尖端到RS尖端的水平距离，有效板厚（effective sheet thickness，EST）表示Hook结构到上板表面的最短距离，将EST和ELW的乘积定义为有效承载面积（loading area，LA）。

对4组较优参数的EST和ELW进行测量并统计，结果如图8 所示。从图8 可以看出，当搅拌速度增加时，材料的塑性流动增强促使后退侧材料上移量及后退侧Hook 尺寸增大，导致EST 减小；而转速增大也导致搅拌针的机械搅拌区域增加，因此ELW 增加，混合区整体尺寸增加；当焊接速度增加时，接头热输入降低，较低的热输入使塑性材料具有更慢的流动速率，但是较小的塑性程度会导致对热机影响区材料的推力增加，从而导致了铝镁混合区整体尺寸的增加[14]；当下压量减小时，由于搅拌针在铝板内作用长度减少，因此铝镁混合区整体尺寸减小。综上所述，当下压量增大、焊接速度增加、旋转速度增加时，EST 减小，ELW 增大，LA 增大。由此可知最优工艺参数为：搅拌速度为950 rpm，焊接速度为30 mm/min，下压量为0.7 mm，其EST 最小值为1.27 mm、ELW最大值为4.64 mm。

图8 不同工艺参数接头EST、ELW以及LA尺寸统计图

2.3 硬度测试

对优选的950-30-0.7工艺下的搭接接头进行硬度测试，结果如图9所示。从图9可看出，铝合金母材平均硬度88.6HV0.05，镁合金母材平均硬度53.8HV0.05。搅拌区内存在大量连续分布的硬而脆的铝镁IMCs，接头硬度升高，最高144.8HV0.05。

图9 950-30-0.7工艺参数条件下搭接接头显微硬度分布

2.4 拉剪测试

对四组较优参数下的搭接接头进行拉剪试验，拉剪力结果如图10所示。从图10可以看出，当下压量增大、焊接速度增加、旋转速度增加时，拉剪力增大。拉剪力在950-30-0.7 工艺下出现最大值，拉剪力最大为4.02 kN；对于950-30-0.5工艺，由于搅拌区材料未能充分混合，铝镁界面连接处形状较为平滑，机械互锁程度较低，因而拉剪力较小；对于950-23.5-0.7 工艺，较高的热输入导致材料塑性增加，对热机影响区材料的作用力减小，从而导致了铝镁混合区整体尺寸减小；对于600-30-0.7 工艺，较低的ELW 导致混合区尺寸减小，因而拉剪力较小。将图10 不同工艺参数下拉剪力测试结果与图8统计结果进行对比，可以看出，拉剪力与LA 呈正相关，这表明影响拉剪力大小的主要因素为LA，LA越大，接头拉剪力越大。

图10 不同工艺参数下接头拉剪力测试结果

2.4.1 断口分析

搭接接头断口宏观形貌如图11 所示，裂纹首先萌生于Hook 尖端处，Hook 处由于形状尖锐且存在部分微孔洞，容易引起应力集中，所以通常为裂纹萌生的初始位置。加载过程中裂纹沿铝镁搭接界面逐步扩展，最后铝板和镁板完全分离发生断裂，这种裂纹沿搭接界面拓展进而断裂的方式称为界面断裂形式。

图11 搭接接头断口宏观形貌

图12 为不同工艺参数搭接接头断口微观形貌，由图12 可知，在搭接界面处普遍存在亮白色的IMCs，950-23.5-0.7 工艺的Al 侧发现大量白色的IMCS，这是因为此工艺的转速和下压量最大，行进速度最小，因此热输入最大，生成大量的IMCS；950-30-0.5 工艺的断口和950-30-0.7 工艺的断口都可以观察到明显的撕裂棱；600-30-0.7 工艺Al 侧断口可以清晰地看到断口表面分布层状的IMCs，Mg 侧则存在少量韧窝。

图12 不同工艺参数搭接接头断口形貌

对950-30-0.7 工艺Mg 侧断口进行面扫描，扫描分析结果如图13 所示。结果表明，在断口附近铝镁元素以IMCs 的形式存在，且呈台阶状。另外，不同参数组下断口微观表面均没有发现韧窝的存在，剪切试样沿着剪切受力方向开裂，铝镁搭接界面为接头的弱连接区域，造成接头的失效断裂[15]。结合图11 接头断裂位置和图12 断口形貌分析可知，常规铝镁FSW 焊接接头断裂方式为解理脆性断裂。

图13 950-30-0.7参数组接头Mg侧断口面扫描结果

2.4.2 断口XRD测试

图14 为950-30-0.7 参数组接头Mg 侧断口XRD 物相分析图谱，从XRD 物相分析图谱中可以看到IMCs 主要组成为Al12Mg17和Al3Mg2，该结果进一步证明了图7 中出现的网格状IMCs为Al12Mg17，出现Al3Mg2的主要原因可能是因为断口处某些区域的铝元素富集，更容易生成Al3Mg2。

图14 950-30-0.7参数组接头Mg侧断口XRD图谱

3 结 论

（1）焊接工艺参数对焊缝表面成形质量有显著影响。随着转速的提高，焊缝表面纹路变得更加光滑致密，后退侧Hook 尺寸明显增加。行进速度过大会导致冶金反应不充分，焊缝表面出现严重的犁沟缺陷，搅拌区底部出现隧道缺陷。随着压下量的增大，前进侧飞边消失，后退侧飞边尺寸有所增加，接头机械互锁程度增加。焊接工艺参数为950-30-0.7时焊缝成形最为良好。

（2）焊缝截面可观察到明显的Hook 形貌，RS Hook尺寸大于AS Hook且更曲折。搅拌区由网格状Al12Mg17组成，内部由镁基体和Al12Mg17组成，AS上空存在一个沿水平方向延伸的IMCs薄层。在铝镁界面交界处，铝元素更易向镁侧扩散。

（3）铝合金母材平均硬度为88.6HV0.05，镁合金母材平均硬度为52.5HV0.05，焊缝中心由于铝镁IMCs 的存在，其硬度显著高于两侧母材硬度，硬度值最高为144.8HV0.05。

（4）焊接工艺参数对EST 和ELW 尺寸影响较大。当下压量、焊接速度或旋转速度增加时，EST 减小，ELW 增大，有效承载面积增大。EST最小值和ELW 最大值均出现在950-30-0.7 参数组，分别为1.27 mm 和4.64 mm。影响拉剪强度大小的主要因素为有效承载面积的大小，随着搭接接头有效承载面积的增加，拉剪力逐渐增大，拉剪力最大值出现在950-30-0.7 参数组，最大值为4.02 kN，断裂方式为解理脆性断裂，且断口处有较多Al12Mg17和Al3Mg2金属间化合物。