铝/镁异种材料搅拌摩擦焊接研究(2)
镁合金是一种迅速崛起的新型绿色工程结构材料，由于材料具有高的比强度，而且具有良好的吸收震动的性能，在很多领域都有非常广阔的应用前景，例如：航空航天、汽车工业、电子通讯等领域。然而镁合金的强大的发展潜力却处处受到连接问题的限制。因此良好的连结技术的将极大的促进镁合金在日常生活中的应用。
要想进一步扩大镁合金作为结构材料在高新技术领域的应用，必须将镁与目前在各种轻金属工程结构中占据主导地位的铝合金结合起来[4,5]。如果能将铝合金与镁合金焊接在一起，同时能获得性能优良的焊接结构，就能在工件不同的位置发挥不同的作用，充分发挥各自的性能优势。镁合金和铝合金在生活的各个方面都会碰到[6]。例如在汽车制造方面，汽车方向盘与连杆、汽车变速箱等；在自行车制造方面，自行车车架与其他零部件等均将会遇到Mg合金与Al合金的连接问题；在我国国防和航空航天事业中减轻重量方面，例如飞机机翼、舱体、各种机匣及火箭壳体、卫星用井字架等均大量采用Mg合金，也势必存在Mg合金与Al合金的连接问题，等等很多情况下都存在铝/镁异种金属焊接的问题[7]。
铆接和焊接是目前连接异种材料的常用方法[8]。然而通过铆接连接的异种材料结构存在质量大、制造工艺复杂、密性差等缺点，其结构强度一般不如焊接。电弧焊等传统的焊接方法在焊接异种材料时又很难获得高质量的焊接接头[9]。因此异种材料的连接存在严重的瓶颈。1991年英国焊接研究所研究发明了一种先进的新型固相连接技术——搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）[10]，其具有高效低耗、焊接温度低于母材熔点、接头残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点。与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊对材料的适应性更强，基本不受材料的物理化学性能、力学特性及晶体结构等因素的影响，对克服不同材料间性能差异带来的焊接困难具有极大的优势[11]，因此搅拌摩擦焊焊接异种材料是技术发展的必然趋势[12]。
1.2 铝/镁异种合金焊接的特点和研究现状
1.2.1 铝/镁合金的焊接特点
铝合金是银白色的轻金属，密度较小为2.7g/cm3，熔点较低约为660℃。铝合金具有密度小、塑性好、良好的耐蚀性、较高的比强度（强度/密度）、易于加工、低温下良好的力学性能及可回收等优点[13]。然而对于现代社会迅速发展，铝合金已不能满足现代材料技术的要求，镁合金是比铝合金更适应现代社会进步的步伐的一种有色金属，具有更低的熔点（650℃）、更低的密度（1.74g/cm3）、较高的比强度和比刚度，更具有高的抗震能力，能承受比铝合金更大的冲击载荷[14]。镁合金被广泛的应用于航空航天、国防、汽车和电子等工业部门，对于汽车，每使用1kg镁合金，在寿命期内可减少30kg尾气排放[15]。然而镁合金由于自身性质的限制，必须与其他材料结合使用，所以需要实现铝/镁异种合金焊接连接。
铝/镁复合结构件的密度很小，同时比强度又比较高，在使结构件的强度不降低的同时，大大减轻了结构件的重量，铝/镁复合结构达到了轻量化的目标、降低了能源消耗，具有良好的经济效益，因此今后的发展中拥有独特的优势。随着铝/镁复合结构件在航空航天、汽车等领域的应用越来越广泛，铝/镁异种金属的焊接问题是一个巨大的挑战[16]。
想要提高Al/Mg焊接接头的焊接质量，我们就需要分析铝/镁异种金属的焊接特点。表1.1描述了铝和镁两种金属的相关物理性质，对照两者的物理性质可以看出：二者的线膨胀系数都很大且存在差异，因此在焊接时容易发生变形；二者的熔点都比较低，导致焊接时容易出现合金元素的蒸发烧损[17]；此外，二者的晶格类型不同，使得Mg与Al之间的相互溶解度小。这些因素都将导致铝/镁异种金属在焊接时很难得到质量优良的焊缝。图1.1为Mg-Al二元相图，分析可知在中间成分凝固时会生成了Mg2Al3、Mg17Al12等类型的金属间化合物，这些金属间化合物是脆性物质，极易引发断裂。因此在进行铝/镁异种金属焊接的过程中也会出此脆性的金属间化合物。