工艺参数对Mg-3Zn-0.5Y合金搅拌摩擦焊接接头组织与性能的影响

吕建刚 陈曦 张磊

摘要：采用搅拌摩擦焊对Mg-3Zn-0.5Y合金板材进行焊接，获得了成型较好、无缺陷的焊缝，研究了工艺参数对焊接接头显微组织及力学性能的影响。结果表明，当焊速为110 mm/min时，转速在600～1 300 r/min范围内能够得到成型良好的焊缝，随着转速的升高，接头强度先升高后减小;当搅拌头旋转电机转速为1 100 r/min时，焊接速度在90～110 mm/min范围内能够获得成型良好的焊缝，随着焊接速度的提高，接头强度先提高后减小。拉伸断裂方式主要为韧脆混合断裂。当搅拌头旋转运动速度为1 100 r/min、焊速为110 mm/min时，Mg-3Zn-0.5Y合金焊缝综合力学性能较优，拉伸强度达到222.5 MPa。

关键词：搅拌摩擦焊;Mg-Zn-Y合金;微观组织;力学性能

中图分类号：TG453+.9 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）10-0022-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.05

0 前言

准晶是介于晶体和非晶体之间的一种同时具有旋转对称性和准周期性平移序的固态物质[1]，其具有导电[2-3]、导热性好[4-5]，硬度高[6]，耐磨性好[7]等优点，近年来成为研究的热点之一。罗治平等[8]首次在缓冷Mg-Zn-Y合金中发现Ⅰ相（稳定二十面体准晶相）;Lee等[9]发现Mg-Zn-Y合金中当w（Zn）/w（Y）为6时，增强相为力学性能较好的单一准晶相。目前对准晶增强的制备方法以轧制、挤压等塑性加工工艺研究较多，如Bae[10]、Su等[13]均获得了综合力学性能良好的Mg-Zn-Y轧制态合金。Singh等人[11]等研究发现，Ⅰ相在挤压态合计中能有效钉扎位错，促进再结晶形核，有利于合金力学性能的提升。Tong等[12]发现500 ℃热处理后再进行热挤压能有效提高Mg-Y-Zn合金的抗拉强度。但对于准晶增强Mg-Zn-Y系合金，目前较少研究其焊接工艺。

由于常规镁合金易高温氧化、高温易吸氢、热膨胀系数较大，采用传统熔化焊工艺易产生夹杂、气孔、裂纹等缺陷[14]。搅拌摩擦焊是一种固态连接技术[15]，焊接温度低、热影响区小，因此可有效减少传统熔焊缺陷的产生。尤其是对于镁、铝及其他低熔点合金，FSW优势明显[16-18]。目前，关于镁合金的搅拌摩擦焊研究主要集中于Mg-Al系、Mg-Zn-Zr系合金，如AZ31[19]、AZ91[20]、ZK60[21]等多种商用镁合金的FSW均取得了较好的结果。Yaobin Wang等[22]发现Mg-Zn-Y系合金搅拌摩擦加工能够细化铸态Mg-6Zn-1Y-0.5Zr的晶粒，并且改善延伸率。Chang-Yong Lee等[23]发现Mg-3Zn-1Y的搅拌摩擦焊焊核区接头硬度大于母材。G. M. Xie等[24]在焊速80～110 mm/min下得到了拉伸性能达到母材性能90%的Mg-Zn-Y-Zr合金焊接接头。

文中针对Mg-3Zn-0.5Y三元合金，研究FSW工艺参数对其接头组织和力学性能的影响规律。

1 试验材料与方法

试验材料为挤压态Mg-3Zn-0.5Y合金板，板厚5 mm，主要化学成分如表1所示，主要力学性能为：拉伸强度275.0 MPa，断后延伸率14.9%，维氏硬度61 HV。焊前经打磨、酒精擦拭及干燥处理。

采用二维搅拌摩擦焊机对焊Mg-3Zn-0.5Y合金板，搅拌头采用内凹式轴肩形式，轴肩直径20 mm，锥形搅拌针长4.78 mm，如图1所示。焊接过程中搅拌头倾角统一为2.5°，搅拌头转速范围600～1 300 r/min，焊接行进速度90～130 mm/min。焊后进行室温拉伸试验，并使用扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌，使用X射线衍射仪（Cu靶和Kα靶）分析物相组成。

2 试验结果与分析

2.1 焊缝成形特点

转速 100 r/min时，不同焊接速度下（90 mm/min、110 mm/min、130 mm/min）FSW焊接接頭宏观形貌照片如图2所示。可以看出，焊缝表面均成型良好，无明显沟槽、起皮等缺陷，当焊速上升到130 mm/min时，产生少量飞边。

焊速为110 mm/min时，不同转速下的FSW接头宏观形貌如图3所示。在600～1 100 r/min转速下，焊接接头表面基本平整，光滑，无明显飞边、沟槽和未焊合等缺陷;由图3d可知，当转速升至1 300 r/min时，焊缝周围开始产生少量的飞边。

2.2 焊接接头的组织特征

当转速为1 100 r/min、焊速为110 mm/min时，Mg-3Zn-0.5Y合金FSW焊接接头的横截面宏观形态如图4所示。接头组织为典型的FSW焊接接头组织，由轴肩区（SAZ）、焊核区（WN）、热机发展影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材区（BM）组成，接头内部无缺陷。

在转速为1 100 r/min、焊速110 mm/min时，Mg-3Zn-0.5Y合金FSW焊接接头横截面微观组织如图5所示。其中图5a为母材BM微观组织，为明显的挤压变形组织，主要由α-Mg等轴晶粒及晶间沉淀相组成，沉淀相为Ⅰ相。图5b为典型受热长大的HAZ微观组织，因只受到搅拌头摩擦生热的热循环作用，α-Mg晶粒未受搅拌头机械搅拌作用发生塑性变形，因此，平均晶粒尺寸与母材相比略有增长。图5c为TMAZ微观晶粒组织，TMAZ受搅拌头的机械搅拌力作用，α-Mg晶粒沿着金属流动方向向上伸长，同时受热循环作用，α-Mg晶粒受热发生再结晶，两者共同作用使α-Mg晶粒尺寸减小。图5d为WN区细小等轴晶微观组织，该区同时受剧烈的搅拌头机械搅拌作用及摩擦生成较高温度的热作用，所以晶粒在发生剧烈塑性变形的同时也发生动态再结晶，晶粒来不及长大而被机械力作用打碎，形成一个细小的等轴晶，α-Mg平均晶粒结构尺寸约为3.34 μm。

2.3 不同参数下FSW接头显微组织

不同FSW工艺参数下Mg-3Zn-0.5Y合金接头的微观组织如图6所示。当焊接速度为110 mm/min时，不同转速下的焊接接头均无明显显微缺欠，WN平均晶粒尺寸分别为2.79 μm、3.27 μm、3.34 μm和3.74 μm，WN平均晶粒尺寸与转速成正比。当转速1 100 r/min，焊速分别为90 mm/min、110 mm/min和130 mm/min时的WN平均晶粒结构尺寸分别为3.80 μm、3.34 μm、3.21 μm，WN平均晶粒尺寸与焊速成反比。根据热力学公式[25]：

=k

α（1）

式中 k、α为常数;T为熔核温度;ω为转速;v为焊接速度。可以看出，当w增加时，T升高;当v减小时，T升高。又根据晶粒长大的动力学公式

Dr=A0exp

-tn（2）

式中 A0和R为常数;T为温度;Dr为在一定温度下保温时间t之后的平均晶粒尺寸。可以看出，随着T的上升，Dr也在逐渐增大;在一定参数范围内，WN的Dr与v成反比，与w成正比。理论公式的推演与图6微观组织变化规律相一致。

不同焊接参数时Mg-3Zn-0.5Y合金XRD图谱如图7所示。由图7可知，挤压态Mg-3Zn-0.5Y合金母材及接头WN区均主要由α-Mg、Mg3Zn6Y、Mg3Zn3Y2三种物相组成，即在搅拌摩擦焊接过程中，合金的相组成没有变化。

2.4 接头力学性能

图8a为在相同焊速110 mm/min时，不同转速下的力学性能变化。随着转速的提升，焊接接头的力学性能（抗拉强度、屈服强度及延伸率）先增大后减小。当转速为1 100 r/min时，抗拉强度和延伸率达到最大值，为222.5 MPa和4.55%。当转速降低时，焊接热输入降低，焊缝接头处金属塑性流动不充分，焊缝成型相对较差，导致焊接接头塑性较差。当转速增加时，热输入增加，接头处金属塑性流动充分，焊接接头接头力学性能增强，但是如果旋转速度继续增大，热输入不断增加，WN区晶粒长大，力学性能降低。

图8b为在相同转速1 100 r/min时，不同焊速下的力学性能变化。当焊接速度由90 mm/min增大至130 mm/min时，焊接接头力学性能的变化趋势均是先增大后减小。焊速越低，焊接接头的热输入越大，焊核区晶粒尺寸越粗大，降低接头力学性能。随着焊速的增加，在一定范围内焊接接头的热输入逐渐减小，接头力学性能随着焊核区晶粒尺寸的减小逐渐增强，而当焊接速度过大时，又会造成热输入不足导致的焊缝上下层的受热不均匀等，影响焊接过程中金属的塑性流动性，导致力学性能降低。由图8还可以看出，不同工艺参数下焊接接头的力学性能都不如母材，主要原因是热影响区受热输入影响，平均晶粒尺寸随热输入增大而增大，且TMAZ区存在较高的残余应力，这些都会造成接头力学性能下降。

不同参数下Mg-3Zn-0.5Y合金FSW接头的室温拉伸断裂形貌如图9所示。由图9可知，断口主要由韧窝、撕裂棱及解理台阶组成，能够判斷焊接接头的主要断裂模式为韧脆混合断裂。

3 结论

（1）采用FSW成功焊接了厚度5 mm的Mg-3Zn

-0.5Y合金挤压态板材，当搅拌头转速为1 100 r/min、焊速110 mm/min时，可得到综合力学性能较优且表面良好无缺陷的焊缝，抗拉强度222.5 MPa，延伸率4.55%，抗拉强度达到母材性能的80.9%，但屈服强度和延伸率性能降低较大。

（2）Mg-3Zn-0.5Y合金FSW焊接接头室温拉伸的断裂方式主要为韧脆混合断裂，且断口处韧窝底部存在第二相颗粒。

参考文献：

[1] 范长增. 准晶研究进展（2011～2016）[J]. 燕山大学学报， 2016，40（2）：95-107.

[2] Xu M，Teng X Y，Geng J W. Effect of cooling rateson sol- idification and microstructure of rapidly solidified Mg57- Zn37Y6 quasicrystal alloy[J]. Journal of Materials Research， 2015，30（21）：3324-3330.

[3] Nagle T D，Cardoso Kátia Regina，Witor W，et al. The for- mation of quasicrystal phase in Al-Cu-Fe system by mec- hanical alloying[J]. Materials Research，2012，15（5）：749- 752.

[4] 李雪辰，邓辉，迟志艳，等. 准晶材科的结构特征和材料 特性的研究[J]. 装备制造技术，2009（3）：9-11.

[5] 张利明，董闯. 准晶材料性能及应用研究现状[J]. 材料导 报，2000（1）：22-24.

[6] 孟祥敏，佟百运，吴玉混. Al65Cu20Co15准晶体的力学 性能[J]. 金属学报，1994（2）：61-64.

[7] 朱先勇，于思荣，刘兆政. 普通凝固Mg-Zn-Y准晶材料 的摩擦磨损特性[J]. 摩擦学学报，2013（2）：152-156.

[8] Luo Z P，Zhang S Q，Tang Y L，et al. On the Stable Qua- sicrystals in Slowly Cooled Mg-Zn-Y Alloys[J]. Scripta Metallurgica Et Materialia，1995（32）：1411-1416.

[9] Lee J Y，Kim D H，Lim H K，et al. Effects of Zn/Y ratio on microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Y al- loys[J]. Materials Letters，2005，59（29-30）：3801-3805.

[10] Bae D H，Kim S H，Kim D H，et al. Deformation behavior of Mg-Zn-Y alloys reinforced by icosahedral quasicrysta- lline particles[J]. Acta Materialia，2002，50（9）：2343-2356.

[11] Singh A，Osawa Y，Somekawa H，et al. Ultra-fine grain size and isotropic very high strength by direct extrusion of chill- cast Mg-Zn-Y alloys containing quasicrystal phase[J]. Sc- ripta Materialia，2011，64（7）：661-664.

[12] Tong L B，Li X H，Zhang H J. Effect of long period stack- ing ordered phase on the microstructure，texture and mec- hanical properties of extruded Mg-Y-Zn alloy[J]. Materials Science & Engineering A，2013（563）：177-183.

[13] Su Z G，Li R G，An J，et al. Effect of Rolling Temperature on the Microstructures and Mechanical Properties of Mg97- Zn1-Y2 Magnesium Alloy[J]. Journal of Materials Engine- ering & Performance，2010，19（1）：70-76.

[14] Zhang H，Lin S B，Feng J C，et al. Defects formation pro- cedure and mathematic model for defect free frictionstir welding of magnesium alloy[J]. Materials and Design，2006 （27）：805-809.

[15] 王國庆，赵衍华. 铝合金的搅拌摩擦焊接[M]. 北京：中国 宇航出版社，2010.

[16] London B，Mahoney M W，Bingel B，et al. Experimental methods for determining material flow in friction stir welds [J]. Proceedings of the Third International Symposium on Friction Stir Welding，2001（9）：27-28.

[17] 栾国红，关桥. 高效固相焊接新技术-搅拌摩擦焊[J]. 电 焊机，2005，35（9）：258-263.

[18] 杨素媛，刘冬冬. 镁合金搅拌摩擦焊的研究现状与展望 [J]. 稀有金属，2014（5）：896-903.

[19] LI W Y，FU T，HUTSCH L，et al. Effects of tool rotational and welding speed on microstructure and mechanical pro- perties of bobbin-tool friction-stir welded Mg-AZ31[J]. Ma- terials & Design，2014（64）：714-720.

[20] Nakata KInoka，Inoki S，Nagano Y，et al. Weld ability off- riction stir welding of AZ91D magnesium alloy thixomold- edsheet[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals，2001， 51（10）：528-533.

[21] Xie G M，Ma Z Y，Geng L. Effect of microstructural evol- ution on mechanical properties of friction stir welded ZK60 alloy[J]. Materials Science and Engineering：A，2008，486 （1-2）：49-55.

[22] Xie G M. Microstructural evolution and mechanical prop- erties of friction stir welded Mg-Zn-Y-Zr alloy[J]. Materials Science and Engineering A，2007（471）：63-68.

[23] Wang Y. Microstructural evolution and mechanical proper- ties of Mg-Zn-Y-Zr alloy during friction stir processing[J]. Journal of Alloys and Compounds，2017（696）：875-883.

[24] Lee C Y，Lee W B，Yeon Y M，et al. The Joint Character- istics of Friction Stir Welded Mg-Zn-Y Alloy[J]. Materials Science Forum，2005（475-479）：555-558.

[25] Commin L，Dumont M，Masse J E，et al. Friction stir welding of AZ31 magnesium alloy rolled sheets：influence of proce- ssing parameters[J]. Acta Materialia，2009（57）：326-334.