镁铝异种合金搅拌摩擦焊综述

蒋 勇，崔成武，周培山，贺祥峰

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自贡 643010；2.西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都610500；3.西南石油大学（南充）工程学院，四川南充637001；4.成都外国语学校，四川 成都611731）

镁铝异种合金搅拌摩擦焊综述

蒋 勇1，崔成武2，周培山3，贺祥峰4

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自贡 643010；2.西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都610500；3.西南石油大学（南充）工程学院，四川南充637001；4.成都外国语学校，四川 成都611731）

铝镁合金搅拌摩擦焊中峰值温度超过Al12Mg17和Al3Mg2形成的共晶温度，两种金属间化合物的形成不可避免。通过将镁合金置于前进侧、搅拌针偏向镁合金，采用液氮或水下搅拌摩擦焊，加入中间层过渡金属等方法可降低搅拌摩擦焊过程中的热输入，有效减少焊核区金属间化合物的数量。采用锥形螺纹搅拌针对接、配合直径约为3.5倍板厚的内凹型轴肩可提供适当的热输入，促进材料塑性流动，增加两种材料相互交融的程度，提高接头抗拉强度；超声辅助搅拌摩擦焊技术可破坏脆性界面层进而提高接头强度。

镁合金；铝合金；搅拌摩擦焊；工艺参数

0 前言

铝合金因其轻量化、耐蚀性好、比强度高、导电和导热性能良好等特点，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车工业等领域[1]。镁合金是一种比铝合金更轻的有色金属，比强度和比刚度较高，同时抗震性能和电磁屏蔽性能良好[2]；铝/镁异种金属的复合结构能够充分发挥两种金属的优良性能，扬长避短，具有重要的实用价值和现实意义。然而镁和铝在晶体结构等物理化学性能方面存在差异，两者之间容易生成各种脆性金属间化合物；加上其热导率、热膨胀系数和熔点的差异，导致采用熔焊方法焊接铝镁异种合金得到的焊缝残余应力大，易产生气孔、裂纹等缺陷[3-5]。硬而脆的金属间化合物也影响接头的力学性能，难以获得理想的焊接接头[6]。

搅拌摩擦焊（FSW）是由英国焊接研究所于1991年发明的新型固相连接技术。焊接过程中母材不熔化，能够有效地避免气孔、裂纹、夹杂等缺陷，对于异种金属的焊接具有较大优势[7]。镁铝异种合金搅拌摩擦焊主要存在的问题是：接头界面处金属间化合物的存在会影响接头的机械性能，金属间化合物使界面处硬度陡升陡降，而其硬脆性又使得拉伸过程中接头在界面处发生脆断，降低接头的机械性能。在铝镁异种合金搅拌摩擦焊过程中，金属间化合物的产生不可避免。目前对于金属间化合物的产生有两种观点：一种认为镁铝异种合金搅拌摩擦焊过程中产生了液相，在液相凝固过程中形成了金属间化合物；另一种认为镁铝异种合金在固相高温下，通过镁铝原子的相互扩散形成金属间化合物[8]。根据铝镁二元相图[9]可知，Al12Mg17（γ）和Al3Mg2（β）两种金属间化合物分别在437℃与450℃下形成。

基于铝镁异种合金的实际工程价值及其搅拌摩擦焊存在的问题，本研究主要探讨工艺参数对铝镁异种合金搅拌摩擦焊接头显微组织及机械性能的影响，为今后的研究工作及实际生产提供参考。

1 搅拌头

搅拌头是搅拌摩擦焊设备的重要组成部分，主要分为轴肩和搅拌针两部分。轴肩直径、搅拌针形状和尺寸等因素直接影响搅拌摩擦焊过程中的热输入与材料塑性流动，进而对接头组织、金属间化合物层尺度与分布、机械性能产生影响。

S.Malarvizhi等人[10]研究了6 mm厚AA6061-T6铝合金和AZ31B-O镁合金在转速400 r/min、焊接速度0.33 mm/s的工艺参数下，不同直径的轴肩（12 mm、15 mm、18 mm、21 mm、24 mm）对接头机械性能的影响。结果表明，采用轴肩直径为21 mm（3.5倍板厚）的搅拌头可获得最大抗拉强度为192 MPa的焊接接头，焊缝结合率可达到较低强度母材的89%。

M.Simoncini等人[11]研究了1 mm厚AA5754铝合金和AZ31镁合金在不同工艺参数下的搅拌摩擦焊接头组织及机械性能。结果表明：采用无搅拌针搅拌头焊接异种合金较难；采用带有搅拌针的搅拌头可焊接铝镁异种合金，在铝合金置于前进侧、转速为 600～1 400 r/min、焊接速度为 40～300 mm/min时焊缝表面成形良好，机械性能有所提高。

2 工艺参数

在搅拌摩擦焊对接接头焊接过程中，主要的工艺参数种类如图1所示。工艺参数的差异引起焊接过程中热输入及材料塑性流动的不同，进而影响接头的显微组织及机械性能。

图1 搅拌摩擦焊工艺参数类别Fig.1 Parameters of friction stir welding

2.1 热输入的影响

影响搅拌摩擦焊过程热输入的因素很多，主要包括转速、焊接速度、材料位置与搅拌针位置等。转速与焊接速度的匹配对应不同的热输入；材料的相对位置和搅拌针位置主要影响接头的材料流动，在一定程度上也会影响热输入。

Taiki Morishige等人[12]对比研究3mm厚A5052-H铝合金和AZ31B镁合金的激光焊和搅拌摩擦焊，确定了优化的搅拌摩擦焊工艺参数（见图2）：铝合金置于前进侧，转速为800～1 600 r/min，焊接速度100～400mm/min。研究结果表明，A5052-H铝合金和AZ31B镁合金采用搅拌摩擦焊的方式结合率可达61%，明显高于激光焊接头；最大硬度值与热输入呈线性关系，采用低热输入可抑制Al12Mg17金属间化合物的形成。

OtmarKlag等人[13]研究了AA5454铝合金与AZ91镁合金搅拌摩擦焊接头显微组织及机械性能。研究发现，转速220～460 r/min、焊接速度10 mm/min时，转速对温度及成形的影响如图3所示。焊核区金属间化合物相的产生不能避免，界面处形成几微米厚的高硬度金属间化合物层；局部熔化区域发生在440℃，临界温度区间为430～440℃；大量γ-Al12Mg17与β-Al3Mg2金属间化合物的存在使得接头界面层脆化。拉伸试验中，断裂沿焊核区脆性金属间化合物层扩展。

VAHID FIROUZDOR等人[14]研究了1.6 mm厚6061-T6铝合金与AZ31B-H24镁合金的搅拌摩擦焊。结果表明，镁合金置于前进侧、且搅拌针偏向镁合金一侧可使得更多的镁合金进入焊核区与铝合金相互融合，提高机械性能；在低焊速、高旋转速度下，将镁合金从返回侧换为前进侧可大幅度降低金属间化合物的数量；低焊速下，镁合金置于前进侧可降低热输入，不利于金属间化合物与液态薄膜的形成，进而提高接头强度。而高焊速下将镁合金置于前进侧，会导致焊核区材料塑性流动不充分，易形成孔洞，从而影响接头机械性能。

图2 A5052-H铝合金与AZ31B镁合金搅拌摩擦焊工艺窗口[12]Fig.2 Process window of A5052-H/AZ31B by FSW[12]

图3 转速对AA5454铝合金与AZ91镁合金搅拌摩擦焊接头温度及成形的影响[13]Fig.3 Effort of rotation speeds on the temperature and formation of the FSW-ed joints between AA5454 and AZ91[13]

M Azizieh等人[15]研究了3mm厚AA110铝合金和AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头显微组织和机械性能。结果表明，当搅拌针偏向镁合金一侧时可获得无缺陷焊缝。由转速与焊接速度的比值可知，接头的峰值温度在共晶反应温度范围内（430～460℃），接头的拉伸性能较好。转速过高时，形成液相更多；焊接速度过低时，材料混合不充分；两种情况均不利于焊缝的成形。接头中存在Al3Mg2和Al12Mg17金属间化合物，转速与焊接速度的比值为28～32时，接头拉伸性能最好。

2.2 材料及搅拌针位置的影响

搅拌摩擦焊接时通常将较软的材料置于返回侧。室温时AZ31镁合金较软，在搅拌摩擦焊过程中焊接温度大于150℃时，铝合金较软。研究表明，镁合金置于前进侧，搅拌针向镁合金侧偏置可获得较小的热输入[14-17]。G.Buffa等人[18]研究了2 mm厚6061-T6铝合金与AZ31镁合金的搅拌摩擦焊。结果表明，AZ31镁合金置于前进侧时可获得良好的焊接接头，而6061-T6铝合金置于前进侧时金属间化合物的数量显著增加。

Naotsugu Yamamoto等人[19]研究了4 mm厚AZ31B镁合金与A5083铝合金搅拌摩擦焊。结果表明，在转速500 r/min、焊接速度100 mm/min、搅拌针无偏置的焊接参数下可获得无缺陷接头。当搅拌针偏向铝合金一侧时，金属化合物的厚度增加；当镁合金与铝合金之间相互融合作用受到金属间化合物层厚度增加的影响时，接头抗拉强度明显下降。这说明金属间化合物层的长大主要受Al、Mg反应扩散控制。

2.3 焊接环境的影响

金属间化合物的形成与焊接过程中的热输入有关。在铝镁异种合金搅拌摩擦焊过程中，当温度高于共晶温度时，易在接头形成Al12Mg17和Al3Mg2，使接头机械性能变差。在水中或液氮环境下进行搅拌摩擦焊，通过水或液氮对焊接过程降温，降低热输入，产生的金属间化合物层厚度明显小于空气中搅拌摩擦焊接头的金属间化合物层。相同工艺参数下，水下或液氮环境中搅拌摩擦焊获得的接头机械性能更好[20-22]。

2.4 焊后热处理的影响

对搅拌摩擦焊接头进行焊后热处理会影响接头金属间化合物层的厚度变化。随着热处理时间的延长，金属间化合物层厚度增加，不利于接头机械性能。

Pooya POURAHMAD等人[23]研究了焊后热处理对10 mm厚6063铝合金和纯镁搅拌摩擦焊接头的影响。结果表明，焊缝上部经历轴肩的挤压和高温作用，形成了 2 μm 厚的 Al3Mg2或 β 相（w（Al）=63.93%，w（Mg）=36.07%）；经过1 h或者 2 h热处理后，Al3Mg2金属间化合物层厚度分别为4μm和12μm；经过4h热处理后，Mg与β相之间形成新的金属间化合物 Al12Mg17，γ（w（Al）=43.24%，w（Mg）=56.76%）和β金属间化合物层厚度约为23 μm。1h热处理后试样的抗拉强度增加，主要是由于应力释放大于新的热膨胀应力。随着热处理时间的继续增加，接头抗拉强度降低，主要是由于β相厚度的增加与新的脆性γ金属间化合物相的形成。

2.5 其他因素的影响

由于镁铝异种合金搅拌摩擦焊接头易产生脆性金属间化合物，采用添加中间层金属作为过渡层的方式可有效降低金属间化合物的含量，在两工件间添加填充层[24]或通过冷喷涂方式[25]将中间层置于待焊工件表面。焊接完成后，在界面处形成平缓的过渡，有利于提高接头机械性能。

随着对结构件性能要求的不断提高，复合式焊接方法逐步得到推广。超声辅助搅拌摩擦焊[26]、红外热源辅助搅拌摩擦焊[27]等焊接方法有效地提高了焊接效率和焊接质量。

3 结论

（1）铝镁合金搅拌摩擦焊过程中的峰值温度超过Al12Mg17和Al3Mg2形成的共晶温度，这两种金属间化合物的形成不可避免。焊接接头因金属间化合物层的硬脆性易导致裂纹产生，拉伸过程中易形成沿金属间化合物层的脆断。

（2）两种合金对接时，采用锥形螺纹搅拌针，匹配合直径约为3.5倍板厚的内凹型轴肩可提供适当的热输入，促进材料塑性流动，增加两种材料相互交融的程度，提高接头抗拉强度。

（3）镁合金置于前进侧、搅拌针偏向镁合金可降低搅拌摩擦焊过程中的热输入，降低金属间化合物的含量；液氮或水下搅拌摩擦焊可降低峰值温度，加快冷却速度，显著减少金属间化合物的形成；搅拌摩擦焊中加入中间层过渡金属可有效减少焊核区金属间化合物数量。超声辅助搅拌摩擦焊技术可破坏脆性界面层，进而提高接头强度。

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Review on friction stir welding of magnesium and aluminum dissimilar alloys

JIANG Yong1，CUI Chengwu2，ZHOU Peishan3，HE Xiangfeng4
（1.Atlantic China Welding Consumables，Inc，Zigong 643010，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；3.School of Engineering，Southwest Petroleum University，Nanchong 637001，China；4.Chengdu Foreign Languages School，Chengdu 611731，China）

Because the peak welding temperature of the Al-Mg dissimilar friction stir welding（FSW）exceeds the eutectic temperature of Al12Mg17and Al3Mg2，formation of these two intermetallic compounds（IMC）is invitable.However，the heat input of FSW process and the amount of IMC can be reduced by placing the magnesium alloy on the advancing side，transfering the pin into magnesium alloy，crarrying out the FSW process in the water or liquid nitrogen and employing a third transition material.The tapered threaded pin and a concave shoulder with the diameter of 3.5 times of the thickness of plate can provide the proper heat input and promote the material flow，as a consequence，the intermixing of these two materials and the tensile strength of the joint will increase.Ultrasound supported friction stir welding can also break the brittle interface layer and improve the joint strength.

magnesium alloy；aluminium alloy；friction stir welding；process parameters

TG453+.9

C

1001-2303（2017）10-0104-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.22

本文参考文献引用格式：蒋勇，崔成武，周培山，等.镁铝异种合金搅拌摩擦焊综述[J].电焊机，2017，47（10）：104-108.

2017-01-20；

2017-09-01

蒋 勇（1967—），男，高级工程师，硕士，主要从事焊接新材料的研发管理工作。E-mail：814320915@qq.com。