旋转速度对镁/铜异种金属搅拌摩擦焊接头成形及拉伸性能的影响

毛育青 ，杨 平 ，黎 宁 ，柯黎明 ，夏志风 ，张士晶

（1.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌 330063；2.南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063；3.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043）

0 引言

现代工业中的许多金属零部件都需要在高温、强腐蚀、强电磁场等恶劣环境中服役，因而对这些零部件的综合性能提出了更高的要求。但是，有些结构件只使用一种金属制造是无法满足实际工程应用中的使用要求。若能将异种金属材料连接起来组成复合的结构件，不但可以充分利用各金属材料的特性，还可以使不同的金属材料在同一复合结构件中发挥各自的最大优势。当前，异种金属连接已成为一种快速发展的新工艺方案。通常，焊接将作为异种金属材料连接的重要方法之一，已在航空航天、交通运输等领域中得到了广泛的应用[1-4]。

镁合金作为轻合金的代表，具有密度低、高比强度、良好的导热性能和易加工等特点，在航空航天、汽车、电子仪器等行业中获得诸多的应用[5-6]。铜合金具有优良的导热导电性能、良好的加工性能及耐腐蚀特性等特性，已在电气、交通、化工等领域得到广泛的应用[7-8]。如果能将这两种合金焊接在一起，将进一步扩大它们的应用领域。然而，由于这两种合金的物理特性如熔点、热膨胀系数、晶体结构等方面相差太大，导致它们的焊接难度很大[9-11]。目前，镁/铜异种合金的焊接方法主要包括气体保护焊、冷金属过渡焊、钎焊、扩散焊等。刘黎明等[12]采用TIG 焊方法对AZ31B 镁合金和T2 紫铜进行连接，经研究发现，在TIG 焊过程中，2 种金属之间发生了相互扩散，形成大量的Mg2Cu和MgCu2金属间化合物，接头力学性能很差。景敏等[13]对镁/铜合金的冷金属过渡焊接进行了研究，结果表明，受铜原子快速扩散的影响，接头内部产生了大量的金属间化合物。王怀建等[14]则采用扩散钎焊的方法对两金属进行了焊接，结果发现在接头中镁/铜合金界面处形成了Mg2Cu 和MgCu2以及复杂的Mg-Al-Cu 三元化合物。由上述可知，采用传统的熔焊方法焊接镁/铜异种合金时，由于其焊接热输入量较大，在接头内部无法避免地形成大量脆性金属间化合物，导致接头的力学性能严重下降。搅拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）作为一种固相连接技术，焊接过程中母材不发生熔化且焊接热输入量较小，因而可有效减少异种金属焊接时产生的脆性金属间化合物，这种方法被认为是异种金属最理想的焊接方法[15-16]；但是，目前关于镁/铜合金FSW 的研究仍停留在工艺探索阶段。

鉴于此，本研究以镁/铜合金FSW 焊接为研究对象，在保持其他工艺条件相同的情况下，通过改变搅拌头旋转速度，研究其对镁/铜合金FSW 接头的宏观形貌、显微组织及拉伸性能的影响。根据此研究结果，为探索镁/铜合金FSW 接头的成形机理奠定基础。

1 试验及方法

试验选用圆锥形左螺纹搅拌头，搅拌头的夹持柄和轴肩均选用热处理后的H13 钢制成，搅拌针的材料为镍基高温合金（GH4169）。为了提高FSW 接头成形质量，将搅拌头结构进行了优化设计，其中，在轴肩端面加工了3 个螺旋凹槽，每个螺旋凹槽的加工深度为0.5 mm，轴肩的外围直径为21 mm；搅拌针尺寸：根部直径为6 mm，端部直径为5 mm，长度为4.8 mm；搅拌针表面螺距为1 mm。试验材料选用厚度为5 mm 的T2 紫铜和AZ31镁合金作为母材，其加工尺寸为150 mm×45 mm。焊前使用砂纸将表面打磨干净，去除其表面氧化物，使用丙酮擦洗干净，吹干后待焊。FSW 对接试验均在自行改装的X35K 型立式搅拌摩擦焊机上完成。焊接工艺参数：焊接速度为95 mm/min；搅拌头旋转速度分别为750、950、1180 r/min；倾斜角为0°；轴肩下压量为0.2 mm。根据前期试验结果，焊接时需要将搅拌针偏向镁合金一侧1 mm，镁/铜合金FSW 焊接示意图如图1 所示。

图1 镁/铜合金FSW 焊接示意图Fig.1 Sketch of friction stir welding Mg/Cu alloys

焊后沿垂直于焊接方向的接头中焊接稳定位置处截取金相观察试样和拉伸性能测试试样。金相试样经打磨、抛光后进行腐蚀。由于2 种金属的腐蚀特性不同，需要分别配制不同的腐蚀剂。其中，接头中铜合金侧的腐蚀剂为50 mL NH4OH+20 mL H2O2+50 mL H2O 的混合溶液，接头镁合金的腐蚀剂采用4 mLHNO3+96 mL C2H5OH 的硝酸酒精溶液。分别采用金相显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察接头各区域内的显微结构。此外，需将拉伸性能测试试样打磨好后，采用万能拉伸试验机进行力学测试。拉伸试样的尺寸如图2所示。

图2 FSW 接头拉伸试样加工尺寸Fig.2 Sizes of tensile specimen of FSW joint

2 结果与讨论

2.1 旋转速度对焊缝表面宏观形貌的影响

分别在750、950、1180 r/min 的旋转速度下获得的焊缝表面宏观形貌如图3 所示。由图3可见，在保持焊接速度为95 mm/min 不变的前提下，随着搅拌头旋转速度从750 r/min 升高至1180 r/min，焊缝表面成形质量先变好后变差。其中，当采用750 r/min 的搅拌头旋转速度焊接时，焊缝表面出现了明显的起皮现象，焊缝返回侧出现了较明显的飞边（图3a）；随着搅拌头旋转速度升高至950 r/min 时，焊缝表面变得更光滑，表面无明显的起皮现象，焊缝两侧飞边较少（图3b）；继续升高搅拌头旋转速度至1180 r/min 时，焊缝表面有被挤出金属出现，表面成形质量反而变差（图3c）。

图3 不同搅拌头旋转速度下获得的焊缝表面宏观形貌Fig.3 Surface morphology of welds produced at different tool rotation speeds

由FSW 焊接成形特点可知，在搅拌头形状及尺寸等条件相同的情况下，搅拌摩擦产热量由搅拌头旋转速度和焊接速度决定，其中，搅拌摩擦焊接过程的热输入量计算公式[17]可表示为：

式中：qE表示焊接热输入量；n表示搅拌头旋转速度；P表示FSW 焊接压力；μ表示摩擦系数；R1、R2分别表示轴肩和搅拌针的半径。由于本试验中的其他工艺参数基本一致，轴肩和搅拌针的直径均为定值，且在平稳焊接过程中摩擦系数和焊接压力也是一固定值。因此，可以将这些影响因子合并成一常数k。

由式（1）可知，当焊接速度相同时，FSW 焊接热输入总量随着搅拌头旋转速度的升高而增大。其中，当搅拌头旋转焊接速度为750 r/min 时，由于FSW 焊接过程中热输入量较低，焊缝金属的塑化程度较低，焊缝塑化金属流动性较差，从而导致焊缝表面成形较差，焊缝表面出现了起皮现象且两侧产生较大飞边。适当提高搅拌头的旋转速度，焊接过程中的热输入量显著增大，焊缝金属的塑化程度增大，金属充分流动，焊缝成形质量明显提高。然而，当搅拌头旋转速度太高时（增大至1180 r/min），由于焊接热输入量太大，焊缝金属升温速度太快，金属的瞬时峰值温度过高，导致焊缝局部易出现液化现象，焊接时液化金属被挤出焊缝表面，并最终在焊缝表面凝固[18]。

2.2 旋转速度对焊缝横截面形貌的影响

图4 为采用不同旋转速度焊接获得的焊缝横截面宏观形貌。由图4 可见，在保持95 mm/min焊接速度不变的情况下，适当增加搅拌头旋转速度有利于提高焊缝内部成形质量。其中，采用750 r/min 的搅拌头旋转速度焊接时，焊核区的混合区较小；混合区内的镁、铜合金混合程度较低，只有少量的镁合金被搅进紫铜内部；混合区底部出现了明显的隧道槽缺陷（图4a）。随着搅拌头旋转速度增加至950 r/min 时，焊核区的混合区的尺寸明显增大，成椭球形分布；混合区内的镁、铜合金的混合程度增大，主要由被搅碎的镁、铜合金交替叠加而成；焊核区内部隧道槽缺陷消失（图4b）。但是，继续增大搅拌头旋转速度至1180 r/min 时，焊核区的混合区尺寸反而变小；镁、铜合金金属的混合程度显著降低，仅有少量的镁合金混合进入铜合金内部；混合区底部出现了细小的孔洞缺陷（图4c）。

图4 Mg/Cu 合金FSW 接头横截面形貌Fig.4 Cross sections of different FSW joints of Mg/Cu alloy

FSW 焊接过程中，搅拌头旋转速度不仅影响焊接热输入量[19]，对焊缝塑性金属迁移总量也有显著影响。由“抽吸-挤压”理论可知，焊缝中混合区尺寸大小与“抽吸-挤压”效应的强弱程度有关[20]。在其他条件相同的情况下，受搅拌针螺纹驱动的焊缝塑性金属沿轴向方向上的迁移总量取决于搅拌头的旋转速度。适当增大搅拌头旋转速度可显著增加焊缝塑性金属向下的迁移总量。由此可知，当搅拌头旋转速度从750 r/min 增加至950 r/min 时，一方面，焊缝塑性金属的迁移量增多；另一方面，焊缝热输入量增加，焊缝金属的峰值温度升高，焊核区周边冷金属的约束力明显降低，导致焊缝焊核区内塑化金属对周边冷金属的挤压力增大，塑化金属的迁移距离增加，镁/铜异种金属的混合程度增大，使得内部隧道槽、孔洞等缺陷消失。但是，当搅拌头旋转速度过大时，与搅拌头表面接触的焊缝塑性金属的升温速度太快，瞬时峰值温度太高，容易导致搅拌头与塑性金属接触状态由黏着摩擦瞬间转变为滑动摩擦[21]，导致焊接热输入总量反而降低，向下迁移的焊缝塑性金属总量减少，焊缝中心混合区内镁、铜合金的混合程度下降明显，造成混合区内部出现孔洞缺陷。

2.3 微观结构

在95 mm/min 的焊接速度、950 r/min 的旋转速度的工艺参数下焊接获得的接头组织形貌如图5所示。其中，图5a 为接头的横截面形貌，1、2 区域分别为镁合金一侧的热影响区、热机械影响区，3、4 区域为紫铜侧的热机械影响区、热影响区。由图5 可见，镁/铜合金FSW 接头由4 个典型区域组成，分别为母材区、热影响区、热机械影响区和焊核区，其中，焊核区位于接头中心位置。受搅拌头强烈的搅拌摩擦力作用，接头镁、铜两侧的热机械影响区均由被拉长的变形显微组织组成（图5c、图5d）。接头热影响区内的显微组织则发生了明显粗化（图5b、图5e）。接头中心焊核区主要由被搅碎的镁、铜合金呈层片状交替叠加而成。

受焊接温度场和力场作用的影响，接头混合区内的显微组织均可能发生变化[22]。对图5a 中焊核区的局部区域（区域5）进行SEM 观察及EDS分析，结果如图6 所示。焊核区主要由3 种组织组成，分别为白色的长条状组织、灰色的片状组织和变形严重的层片状组织（图6a）。放大观察层片状组织，可见该组织由灰、白相间的金属相互叠加而成，由EDS 分析结果可知，该层片状组织包含Mg、Cu 元素（图6c、图6d）。

图5 接头各区域内的显微组织Fig.5 Microstructures of different zones in the joint

图6 焊缝中心混合区内局部区域的SEM 图及EDS 分析Fig.6 SEM images and EDS analysis of local areas in the weld mixed zone

为了进一步确认混合区各位置处的产物成分，对图6a 中A、B、C 处进行EDS 分析，结果见表1。由表1 可知：A 处Cu 元素的质量比为98.66%，表明该白色长条状物质主要为被搅碎的铜合金；B 处的Mg 元素质量比为79.96%，表明混合区内的灰色物质主要为破碎的镁合金；而C 处的层片状组织由Mg、Cu 两元素组成，两元素的质量比分别为43.45%、56.55%，经换算得出Mg、Cu 两者的原子比约为2：1，表明该层片状组织为新生成的Mg2Cu金属间化合物。

表1 混合区内各处的元素含量分布 (质量分数/%)Table 1 Distribution of Element Contents in Mixed Areas (mass fraction/%)

2.4 拉伸性能

图7 为不同旋转速度下获得的各接头的拉伸性能。由图7 可知，随着搅拌头旋转速度从750 r/min增加到1180 r/min，接头的抗拉强度呈先增大后减小的趋势。其中，当搅拌头旋转速度为750 r/min时，所获得的接头抗拉强度最低，仅为38.7 MPa。适当增加搅拌头旋转速度至950 r/min 时，接头的抗拉强度得到显著提高，高达81.7 MPa，提高了111.2%。继续升高搅拌头旋转速度至1180 r/min时，接头的抗拉强度开始下降，为60.8 MPa。

图7 不同搅拌头旋转速度条件下获得的接头抗拉伸性能Fig.7 Tensile properties of FSW joints produced at different tool rotation speeds

由图4 结果可以发现，当搅拌头旋转速度较小时，焊接热输入总量较低，Mg、Cu 金属的混合程度较差，且接头混合区底部产生了明显的隧道槽缺陷，导致接头的抗拉强度最差。随着搅拌头旋转速度的升高，焊接过程中的热输入总量增大，焊缝金属的塑化程度明显提高，流动能力增强，且向下迁移的塑性金属总量增多，使得接头内部隧道槽、孔洞等缺陷消失，接头抗拉强度得到显著提高[23]。但是，继续增大搅拌头旋转速度时，由于搅拌头与焊缝塑性金属的接触界面摩擦状态发生了变化，焊缝两塑化金属的混合程度变差，且混合区底部出现了细小的孔洞缺陷，导致接头的抗拉强度开始降低。

3 结论

1）在95 mm/min 的焊接速度下，当采用950 r/min 的搅拌头旋转速度焊接时，所获得的接头表面成形良好，内部无隧道槽或孔洞缺陷。

2）适当增加搅拌头旋转速度，有利于焊缝中心混合区Mg、Cu 合金充分混合，该混合区主要由被搅碎的长条状Cu 合金、片状Mg 合金和新生成的少量Mg2Cu 金属间化合物组成。

3）随着搅拌头旋转速度的增加，接头的抗拉强度先增大后减小。当搅拌头旋转速度为950 r/min时，接头的抗拉强度为81.7 MPa。