机械轻量化用轻合金的FSSW接头组织与性能

于 颖

（长春职业技术学院，吉林长春130033）

机械轻量化用轻合金的FSSW接头组织与性能

于 颖

（长春职业技术学院，吉林长春130033）

采用搅拌摩擦点焊进行了机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的搭接焊试验，测试和分析接头的显微组织、物相组成、硬度分布和力学性能。结果表明，与母材相比，FSSW接头焊核区只发现α-Mg基体而未发现Mg17Al12相，FSSW接头焊核区硬度与母材相当，硬度最低值位于前进侧热影响区；接头系数达到90％。

搅拌摩擦点焊；轻合金；Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V合金；机械轻量化；FSSW

0 前言

搅拌摩擦点焊（Friction Stir SpotWelding，简称FSSW）是在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型焊接方法，在机械、汽车、轮船、航空航天等轻合金焊接方面有着极具前途的市场化应用[1]。目前，随着机械工业的不断发展，机械轻量化的呼声越来越高，轻合金是机械轻量化的首选材料。为了满足机械轻量化的需求，本研究在前期工作基础上进行了机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的FSSW试验，并进行接头的显微组织、物相组成、硬度分布和力学性能的测试与分析，为机械轻量化用轻合金的焊接提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 试样材料

被焊母材为机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的挤压板材，挤压温度320℃、挤压比20∶1，母材尺寸300mm×100mm×6mm。母材的化学成分采用SEA-1000A型X射线荧光光谱仪进行分析，分析结果如表1所示。被焊母材的室温拉伸性能如表2所示。

表1 母材的化学成分Tab.1 Chem ical com position of the basematerial％

1.2 试验方法

采用StirSpot型搅拌摩擦点焊机，以搭接方式进行机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的试验，搭接长度250mm。试验流程如图1所示。搅拌头材质为H13钢，搅拌头轴肩直径13mm、搅拌针直径6mm、搅拌针长5.75mm，搅拌头为平面加细螺纹型。FSSW的工艺参数如表3所示。

表2 母材的室温力学性能Tab.2 M echanical properties of the basematerialat room tem perature

图1 焊接工艺流程Fig.1 Process of the welding

表3 FSSW的工艺参数Tab.3 Process parameters of FSSW

采用GX15型光学显微镜（OM）和EVO18型扫描电子显微镜（SEM）观察接头的显微组织。采用Rigaku D/max2500/PC型号X射线衍射仪分析接头的物相组成，扫描范围20°～80°、扫描速度4°/min，测试电压40 kV、电流30mA。采用HVS-1000Z型显微硬度计测试接头的硬度分布。采用HY-932型拉伸试验机测试接头的力学性能，测试温度为室温，并采用EVO18型扫描电子显微镜观察拉伸断口。

2 试验结果和讨论

2.1 显微组织

机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金FSSW接头的显微组织OM照片如图2所示。由图2可知，与母材相比，FSSW接头焊核区晶粒明显细化，这是因为在FSSW过程中焊核区晶粒同时承受剧烈的机械搅拌和温度场作用而发生了彻底的动态再结晶，表现为细小的等轴晶组织；而热机械影响区晶粒由于承受的机械搅拌和温度场作用均小于焊核区，所以一些晶粒发生了动态再结晶，而一些晶粒只发生了塑性变形；热影响区晶粒由于离搅拌针较远，只承受温度场作用而未受到机械搅拌作用，所以晶粒只是较母材稍有增大[2-5]。这与之前报道的AZ31、AZ91等镁基轻合金的显微组织变化一致[6]。

2.2 XRD分析

机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金母材及其FSSW接头焊核区的XRD图谱如图3和图4所示。对比图3和图4可知，母材由α-Mg基体和Mg17Al12第二相组成；而FSSW接头焊核区则只有α-Mg基体，未发现表征Mg17Al12化合物的衍射峰。这是因为在搅拌摩擦焊过程中，焊核区温度一般约为400℃，而Mg17Al12化合物相在370℃开始溶入α-Mg基体中[7-8]。因此，在Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的FSSW接头焊核区仅有α-Mg基体相。

2.3 硬度分布

机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金FSSW接头的硬度分布如图5所示。粗略地讲，搅拌针直径表征的是焊核区，而搅拌头轴肩直径表征的是绝大部分温度场作用区域。从图5可以看出，接头焊核区硬度与母材相当，硬度最低值位于前进侧热影响区。这是因为虽然焊核区晶粒较母材明显细化促使硬度提高，但是另一方面，焊核区由于第二相Mg17Al12溶入α-Mg基体中，导致硬度下降，二者的共同作用使焊核区硬度与母材相当。

2.4 力学性能

机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金母材及其FSSW接头的室温力学性能测试结果如图6所示。由图6可知，与母材相比，FSSW接头的抗拉强度、屈服强度和延伸率均有所下降；但抗拉强度和屈服强度的下降较少，延伸率下降较多；FSSW接头的抗拉强度从334MPa减小至301MPa，接头系数（即接头抗拉强度与母材抗拉强度的比值）达到90％；接头屈服强度从206MPa减小至184MPa，达到母材的89％；接头的延伸率从14％减小至8％，达到母材的57％。这是因为在FSSW过程中，虽然焊核区晶粒较母材得到了显著细化，但是FSSW接头的热影响区，尤其是前进侧热影响区是接头最为薄弱的区域。

3 结论

（1）机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的FSSW接头焊核区晶粒由于同时承受剧烈的机械搅拌和温度场作用而发生动态再结晶，形成细小的等轴晶组织；热机械影响区晶粒由于承受的机械搅拌和温度场作用均小于焊核区，一些晶粒发生动态再结晶得到细化，另一部分晶粒只发生了塑性变形；热影响区晶粒由于离搅拌针较远，只承受温度场作用，故晶粒较母材稍有增大。

图2 接头显微组织OM照片Fig.2 OM photograph ofm icrostructure for the weld

图3 母材XRD图谱Fig.3 XRD pattern of the basematerial

图4 FSSW接头XRD图谱Fig.4 XRD pattern of the friction stir spot weld

（2）Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金母材由α-Mg基体和Mg17Al12第二相组成；而FSSW接头焊核区则只有α-Mg基体，未能发现表征Mg17Al12化合物的衍射峰。这主要是因为在搅拌摩擦焊过程中，Mg17Al12化合物相溶入到α-Mg基体中。

图5 接头硬度分布Fig.5 Hardness distribution of the weld

图6 试样室温力学性能测试结果Fig.6 Test resultsofmechanicalproperties for the sam ples at room temperature

（3）机械轻量化用Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V新型轻合金的FSSW接头焊核区硬度与母材相当，硬度最低值位于前进侧热影响区；接头系数达到90％。

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M icrostructure and properties of friction stir spotweld of light alloy for lightweightmachine

YU Ying
（Changchun Vocational Institute of Technology，Changchun 130033，China）

Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V new-type light alloy for lightweightmachine was welded by the method of friction stir spot welding，and the microstructure，phase composition，microhardness and mechanical properties were tested and analyzed.The results showed that compared with the basematerial，the NZ of friction stir weld composed ofα-Mgmatrix without Mg17Al12phase，besides，the microhardness in the NZ was commensurate with the BM，and the lowest microhardness was in the heat-affected zone of advancing side.Furthermore，the weld efficiency could reach by 90％.

friction stir spotwelding；lightalloy；Mg-8Al-1Zn-0.2Nd-0.1V alloy；lightweightmachine；FSSW

TG456.9

A

1001-2303（2015）07-0140-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.30

2014-11-02

于颖（1962—），女，吉林公主岭人，副教授，学士，主要从事机械工程，焊接技术的教研工作。