基于镀锌钢板的铝镁异种金属CMT焊接试验研究(4)
图1.6 Mg-Al的合金相图
如图1.6所示为Mg-Al二元合金状态图。从Mg-Al二元相图看出，在Al角有L→α（Al）+β（Al8Mg5）二元共晶反应，在共晶温度下，Mg在α（Al）中的最大固溶度为17.4%；100℃时Mg的溶解度为1.9%。因此含Mg量低于17.4% 的合金，平衡结晶时，只出现初生α（Al），不出现α（Al）+β（Al8Mg5）二元共晶组织；但在不平衡结晶时，将有L→α（Al）+β（Al8Mg5）共晶反应，形成α（Al）+β（Al8Mg5）二元共晶体。同时，在熔焊和固相焊过程中，还易形成Mg3Al2及MgAl等金属间化合物。
镁和铝异种材料焊接性特点主要有以下几个方面[7]。
镁和铝极易氧化。Mg和Al均属于活泼金属，很容易与氧结合形成MgO 和Al2O3氧化膜，尤其是Al2O3结构致密且熔点很高（2050℃），很难将其去除。这不仅阻碍两种金属的连接，而且使接头区容易产生夹杂、裂纹等缺陷，使接头结合性能变差。
镁和铝液态时相互溶解度小。由Mg-Al二元合金相图可知，Mg与Al在低温时彼此溶解度很小，因为Mg为密排吹冰方结构而Al为面心立方结构，晶体结构的不同是Mg/Al间相互溶解度差的原因之一。较低的相互溶解度使两种金属形成熔合区十分困难，难以形成有效的结合。
镁和铝在高温时气体溶解度大。镁和铝在高温时均能溶解一定量的气体，而在固态时溶解度则很低，这易使得熔合区在凝固时氢来不及逸出而产生气体，使熔合区塑韧性降低。
总之，镁铝之间相互溶解度、熔点、线胀系数差别较大，两者之间很容易形成氧化膜，并且镁具有较大的热脆性。采用一般的焊接工艺易产生裂纹和气孔等焊接缺陷，并且在焊缝中极易形成大量的Mg-Al系脆性金属间化合物。所以两者之间的焊接十分困难。
1.4.2铝镁异种金属焊接研究现状
1.4.2.1搅拌摩擦焊
Somasekharan等人将AZ31 B镁合金与6061-T6铝合金进行搅拌摩擦焊连接[8]，试验发现焊缝区和过渡区均出现了动态再结晶细晶组织，从基体金属、过渡区一直到焊缝区，晶粒尺寸明显呈现减小趋势，焊缝区未出现孔洞等焊接缺陷，接头中相互流动的漩涡和涡流所形成的插排结构清晰可见。焊缝区形态多样，但分界线明显，属于典型的搅拌摩擦焊组织形貌。显微硬度试验显示，在焊缝和过渡区，硬度明显上升，推断在此处生成了脆性相化合物。
西工大课题组采用搅拌摩擦焊对5mm厚的AZ31镁合金和LY12铝合金进行连接[9]拉伸试验表明试样的平均抗拉强度达到47.62MPa，断口位于焊缝且分两层，呈锯齿状，可以判断是延性断裂，但伸长率很低。焊缝出现片层结构，是由于材料的彼此挤压而相互挤入，并有明显的搅拌痕迹，片层结构的出现导致接头的力学性能有所降低，镁铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织如图1.7。
图1.7镁铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织
国内西安交大课题组采用搅拌摩擦焊连接厚度均为3mm的MB3镁合金和1060铝合金的异种轻质高强材料[10]，焊缝抗拉强度为52MPa，镁合金在搅拌过程中呈片层状嵌入到铝合金基体中，片层间可以看到明显的脆性断裂迹象和小孔缺陷，在界面连接处还发现了狭长的中间层。从焊接接头断口的扫描电镜形貌（如图1.8）可以得到[11]，单侧启裂的拉伸断口没有观察到明显的纤文区和剪切唇这一特征，而是在一侧出现少量的韧窝和大量的变形区特征，中部区域以解理为主，小部分以准解理特征，表明焊接接头的脆性较大。接头焊核附近有大片的黑色不规则区域，能谱分析表明，接头区域中存在大量的金属间化合物相Al12Mg17，导致接头高度脆化。
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