AZ31镁合金搅拌摩擦胶接点焊接头组织和性能研究

李湘宁，焦建强，杨大龙，丁成钢

（1.中车大连机车研究所有限公司，辽宁大连116021；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

0 前言

胶接（Bonding）是利用在连接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件连接起来的工艺方法，是对焊接的补充，在特定条件下可以提供特殊的功能[1]。搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，简称FSSW）是在搅拌摩擦焊的基础上新开发的一种新型固相连接技术。与传统电阻点焊相比，搅拌摩擦点焊焊接热入量低，工件变形较小，焊接质量稳定；节省能源、降低成本；工艺过程简单，只需简单的编程即可实现焊接过程[2]。国内外相关机构已将FSSW技术用于汽车生产和制造中铝合金与钢的连接，并可实现双相不锈钢与高强马氏体不锈钢的连接[3-5]。将胶接技术与搅拌摩擦点焊技术复合而成的胶焊连接方法（Bongding-FSSW），能实现有效、统一的机械结合、冶金结合和化学结合，是对传统的胶接-电阻点焊（胶焊）工艺技术的继承和发展，是一种将搅拌摩擦点焊与胶接相结合的新颖、高效的复合连接工艺方法。

研究AZ31镁合金搅拌摩擦胶接点焊（Bonding-FSSW）接头的组织和力学性能，为Bonding-FSSW方法的应用提供必要的工程依据。

1 试验材料和方法

试验材料为3mm厚AZ31镁合金薄板，尺寸200mm×50mm×3mm，化学成分如表1所示。所有焊点均采用搭接形式，搭接面积50mm×50mm。在自行改装设计的搅拌摩擦焊机上进行FSSW试验，采用圆柱形带凹槽搅拌头，其材料为热作模具钢，搅拌针螺纹方向为左旋，轴肩直径18mm，搅拌针直径4.0mm，搅拌针长度4.5mm。

表1 AZ31镁合金的主要化学成分 %

焊前用细砂纸打磨试样上下表面，并用酒精擦拭，以去除氧化膜、水及油污。试件制备的工艺路线为：布胶→搅拌摩擦点焊→固化。Bonding-FSSW成型及接头的宏观形貌如图1所示，接头结合良好，未发现成型缺陷。

图1 Bonding-FSSW成型及接头的宏观形貌

参照JISZ3136-1999标准规定加工Bonding接头、FSSW接头、Bonding-FSSW接头拉伸剪切试样[6]，每种接头3个试样，在万能试验机上进行剪切性能试验，测量焊点的抗剪载荷。

制备接头金相试样并分析接头组织。

2 试验结果和分析

2.1 AZ31镁合金Bonding-FSSW接头组织

FSSW接头的微观组织如图2所示。母材（BM）的晶粒大小不均匀，组织中存在部分变形孪晶、粗晶（见图2a）。焊核区（WN）组织由细小等轴晶粒组成（见图2b）。与母材组织相比，焊核区晶粒变得细小，且分布较为均匀。在FSSW过程中，高速旋转的搅拌头与焊核区金属摩擦生热，焊核区金属产生塑性流动，同时搅拌针对该区金属原始晶粒产生机械破碎作用，焊核区金属在搅拌摩擦热的作用下发生动态回复和再结晶，由于AZ31镁合金的导热系数较大，散热较快，晶粒没有足够的时间长大，故焊核区形成细小等轴晶。图2c为热机械影响区（TMAZ）微观组织，该区位于搅拌头作用边缘，在搅拌头旋转摩擦作用下，金属产生塑性流动，组织受搅拌头摩擦和挤压作用发生一定程度的变形和破碎，在焊接热循环作用下，热机影响区晶粒发生动态回复和再结晶过程，但由于所受搅拌作用和摩擦热没有焊核区剧烈，晶粒在分布上没有焊核区的细小、均匀。图2d为接头底部热影响区（HAZ）组织，该区晶粒较粗大，且大小、分布不均匀。在FSSW过程当中，热影响区金属没有受到搅拌针强烈搅拌作用以及轴肩的摩擦作用，未发生动态再结晶，晶粒较为粗大。

胶接区、胶接层与焊核的交界区的组织如图3所示。胶接层厚度60～70 μm，且较为均匀，胶接层与母材结合良好，未出现成型缺陷（见图3a）。胶接层与焊核界面组织如图3b所示，界面附近的胶层仍然保留，但厚度有所减少，而且末端出现一些变形，这是因为在FSSW过程中胶层受到热和力作用，界面未出现气孔和夹杂缺陷。

2.2 接头力学性能

接头的拉伸剪切试验结果如表2所示。用密封胶进行胶接点焊，接头的抗拉伸剪切能力与FSSW接头相当，一方面说明密封胶只起密封作用，不具备承受载荷的能力，另一方面表明，胶接剂对搅拌摩擦点焊焊核的力学性能影响较小。使用高强粘结剂进行搅拌摩擦胶接点焊，接头的抗拉伸剪切性能明显优于单一的搅拌摩擦点焊、胶接接头的抗拉伸剪切性能。

搅拌摩擦胶接点焊接头在保证密封功能的前提下，具有足够的抗拉伸剪切性能，其拉伸剪切力大于搅拌摩擦点焊和胶接接头的拉伸剪切力之和。胶黏剂对搅拌摩擦点焊焊核的形成和微观组织影响不大，胶焊接头未出现成型缺陷。

图2 FSSW接头的微观组织

图3 胶接区、胶接层与焊核交界区的组织

表2 接头拉伸剪切力 kN

3 结论

（1）焊核区形成细小、均匀的等轴晶粒，而热机影响区和热影响区形成较为粗大的晶粒，且晶粒大小不均匀。（2）胶黏剂对搅拌摩擦点焊焊核的形成和微观组织影响较小，胶焊接头未出现成型缺陷。（3）使用高强胶黏剂的Bonding-FSSW接头抗拉伸剪切性能明显优于Bonding接头和FSSW接头的抗拉伸剪切性能。

参考文献：

[1]顾继友.胶接理论与胶接基础[M].北京：科学出版社，2003.

[2]Allen CD，ArbegastWJ.Evaluationoffrictionstirspot welds in2024aluminium[C].SocietyofAutomo tiveEngineers，2005.

[3]Mazda Develops words Fist Aluminum Joining Technology Using Friction Heat[EB/OL].Http//www.mazda.com/public ity/release/0227e.html.

[4]SakanoR，Murakami K，YamashitaK，et al.Developmentof Spot FSW Robot System for Automobile Body Members[C].The 3rd International Symposium，Japan，2001.

[5]Feng Z，Santella M L，David S A，et al，Friction Stir Spot Welding of Advanced High-Strength Steels-A Feasibility Study[C].SocietyofAutomotive Engineering，2005.

[6]JISZ3136-1999，电阻点焊及凸焊接头剪切试验的试件尺寸及试验方法[S].