纯铝/镁合金异种金属连续驱动轴向摩擦焊接工艺分析

吴 龙

（中国船级社质量认证公司重庆分公司，重庆 401123）

纯铝/镁合金材料从上世纪70年代已经备受各个领域重视。但是纯铝/镁合金自身存在膨胀系数大、熔点低、导热系数与比热容大等诸多特点，传统焊接工艺在开展施工时，很容易在焊接接头上形成大量脆性金属间化合物，导致焊接热裂纹、气孔、和金素烧损等诸多问题。如何把控异种金属连续驱动轴向摩擦焊接工艺各项参数，强化纯铝/镁合金焊接质量，已经成为当前焊接领域技术研究热点之一。

1 摩擦焊接内涵概述

摩擦焊接是一种当前较为流行、先进的焊接技术。摩擦焊接技术手段相比熔焊、接头组织为锻造组织，切实避免了传统焊接当中出现气孔、裂纹、夹渣等诸多缺陷。摩擦焊接还可以与扩散焊、电阻焊等固相焊接技术进行联合使用。在焊接过程当中材料发生剧烈塑性流动，这样较大材料变形可以有效改善金属之间的化合物分布状态。摩擦焊接的焊接时间较短、焊接效率高等特点，能够对Al-Mg金属间化合物生产进行控制，切实保障Al-Mg金属焊接质量。

2 纯铝/镁合金异种金属摩擦焊接性

纯铝/镁合金异种金属在开展摩擦焊接的过程中，因为诸多影响因素很容易对焊接质量带来影响。为了切实保障摩擦焊接质量，需要在开展焊接之前对材料性能进行分析。影响材料擦焊接的因素主要有材料互溶性、材料表面氧化膜、材料力学性能、材料高温氧化性、材料生成脆性相、材料摩擦的摩擦系数、材料脆性。针对纯铝/镁合金异种金属来说，影响摩擦焊接质量的因素主要有以下内容。①因为Al原子和Mg原子之间的晶体结构存在较大差异，并且两者物理热以及物理化学性质也不尽相同，导致摩擦焊接过程中容易出现问题。Al-Mg金属之间溶性相对较低，两者最大溶解度为12.7%，并且在室温的影响下，两者溶解度变动也较大。②Al-Mg金属氧化性较强，导致焊接难度较高、焊接性较差。冷却结晶时，晶粒之间存在的养护无更加容易使晶粒之间结合能力降低[1]。针对Al、Mg金属来说，两者都是金属性质较为活泼的金属物质，那么非常容易在焊接表面形成高熔点、高硬度的氧化膜，并生成三氧化二铝或者氧化镁等金属元素，很难在焊接过程中破碎，容易增加焊接工作困难。③相比镁元素来说，铝元素的比热容相对较大，并且热导效率较高、塑性强。但是客观来说，两者的热学性能存在较大差异，摩擦焊接过程当中若不能同步变形，那么会对焊接工程带来较大困难。并且铝元素与镁元素之间的溶解度相对较低，在焊接时很容易产生金属化合物。在437℃～450℃之间，容易发生共晶反应，并且焊接界面生成脆性相，导致焊接界面的局部焊接应力较大，容易降低焊接接头性能。

3 纯铝/镁合金异种金属连续驱动轴向摩擦焊接工艺

为了明确纯铝/镁合金异种金属连续驱动轴向摩擦焊接质量，文章针对纯铝/镁合金异种金属摩擦焊接过程中，摩擦焊接工艺系数对纯铝/镁合金异种金属焊接质量影响进行分析，从微观层次上把控各项技术参与对纯铝/镁合金异种金属焊接带来的影响，分析出保障纯铝/镁合金异种金属摩擦焊接质量技术要点。

3.1 焊接参数对摩擦焊接头的影响

结合焊接测试实验结果，可以明确得出随着摩擦力压力与顶锻压力的不断增加，焊接实验样本的轴向缩短量也呈现出逐渐增加的情况。详细分析焊接样本可以明确观察到，不同焊接参数开展焊接，都并未出现空洞、焊接漏洞等缺陷，展现了摩擦焊接技术手段优势。随着摩擦焊接时间的增加，对纯铝/镁合金异种金属材料形变影响较高、与轴向缩短量成正比[2]。针对摩擦时间、顶锻压力、摩擦压力进行比较，主轴转速对接头轴向缩短量的影响相对较小。在开展摩擦焊接过程中，纯铝侧与镁合金的变形量会随着焊接参数变化而出现变化。纯铝/镁合金焊接时出现较大形变，更加容易促使摩擦界面处塑性材料交换、更加容易发生元素相互扩散，在冶金物理化学反应之下，切实保障了焊接接头质量。

3.2 焊接压力对摩擦焊接头的影响

在摩擦焊接当中，摩擦压力对于焊接接头温度会造成影响。在开展实验的过程中，选择了两组摩擦压力进行分析，分别是：30mpa、90mpa；其他参数固定为：t=10s、n=2200rmp。通过测试分析，在开展摩擦焊接的过程中，初期阶段的摩擦行为，可以促使材料温度急速上升。

随后，焊接操作会使两侧工件材料出现前塑性形变，这时界面区域热与散热系数之间保持平衡，这时温度便不会再持续增加。当摩擦压力在90mpa时，镁合金侧最高温度可以达到437℃。随着摩擦时间不断增加，对于镁合金材料的温度不会有太多影响，而对于纯铝材料来说，测温度影响相对较大。

从实验结果证明，相比之下，镁合金侧温度最高时总要大于纯铝材料焊接最高温度，这表明了两侧母材的热物理性质相差较大。虽然纯铝材料与镁合金材料之间的热扩散系数相对较近，但是纯铝材料导热率比镁合金材料导热效率较高。

3.3 摩擦压力与顶锻压力对焊接接头界面宏观组织影响

为了切实有效的分析焊接参数对摩擦焊接头的影响，分别对不同摩擦压力、不同顶锻压力下的接头组织进行了详细分析，三组数据分别是a（p1=30mpa、p2=60mpa）；b（p1=30mpa、p2=150mpa）；c（p1=90mpa、p2=150mpa）。通过实验分析得出，随着摩擦压力与顶锻压力的不断增加，焊接接头的形变更加明显，并且轴向缩短量更。在焊接接头当中高温区域热塑性金属，在较高摩擦压力之下，会产生加剧塑性流动，在高摩擦压力之下塑性形变的厚度也相对较高，顶锻压力很容易造成对热塑性材料二次挤出。顶锻压力较大，镁合金侧的飞边体积则会比纯铝材料一侧飞边体积更大[3]。但是将摩擦力从30mpa提升到90mpa之后，那么两边的随性形变区域厚度也会发生变化，纯铝材料一侧的飞边体积则会大于镁合金一侧飞边体积。

为了进一步对飞边挤出现象进行分析，对摩擦界面边缘开展了SEM二次电子像形貌特征分析，发现在摩擦界面形成了一层化合物，主要成分是Al12Mg17和Al3Mg2。在实际开展焊接的过程中，因为纯铝材料和镁合金的形变，会造成摩擦边界处形成一定压力，在界面处金属之间化合物的影响很容易造成飞边不能顺利向反方向流动与形变，造成摩擦界面母材出现流动方式变化，不会出现卷边、飞边问题。

4 结语

总而言之，摩擦焊接工艺作为一种具备科学性的焊接技术，可以切实满足纯铝/镁合金异种金属的焊接加工需求，确保纯铝/镁合金异种金属焊接质量。异种金属连续驱动轴向摩擦焊接工艺，作为一种具备科学性、高效性的焊接技术，可以切实满足纯铝/镁合金焊接需求，但是受到工件结构等诸多因素影响，很容易造成工件自身等诸多因素限制，导致工件焊接出现质量问题。

在实际开展焊接的过程中，必须要明确各项影响焊接质量因素，并有针对性的把控摩擦焊接工艺和焊接参数，确保纯铝/镁合金异种金属连续驱动轴向摩擦焊接水平，促进我国金属加工领域的可持续发展。