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基于添加中间层Zn的铝/镁合金冷金属过渡焊工艺与性能研究

他进国, 薛诚, 蒋成燕, 王旭东, 贾浩, 费文龙

他进国, 薛诚, 蒋成燕, 等. 基于添加中间层Zn的铝/镁合金冷金属过渡焊工艺与性能研究[J]. 焊接, 2024(12):56 − 60. DOI: 10.12073/j.hj.20231206001
引用本文: 他进国, 薛诚, 蒋成燕, 等. 基于添加中间层Zn的铝/镁合金冷金属过渡焊工艺与性能研究[J]. 焊接, 2024(12):56 − 60. DOI: 10.12073/j.hj.20231206001
Ta Jinguo, Xue Cheng, Jiang Chengyan, et al. Process and mechanical properties of cold metal transition welding of Al/Mg alloy based on adding intermediate layer Zn[J]. Welding & Joining, 2024(12):56 − 60. DOI: 10.12073/j.hj.20231206001
Citation: Ta Jinguo, Xue Cheng, Jiang Chengyan, et al. Process and mechanical properties of cold metal transition welding of Al/Mg alloy based on adding intermediate layer Zn[J]. Welding & Joining, 2024(12):56 − 60. DOI: 10.12073/j.hj.20231206001

基于添加中间层Zn的铝/镁合金冷金属过渡焊工艺与性能研究

基金项目: 甘肃省教育厅高等学校创新基金项目(2022B-254);兰州工业学院青年科技创新项目(2024KJ-15)。
详细信息
    作者简介:

    他进国,硕士;主要从事先进焊接技术、异种金属材料连接等方面的研究;jinguota@qq.com

  • 中图分类号: TG442

Process and mechanical properties of cold metal transition welding of Al/Mg alloy based on adding intermediate layer Zn

  • 摘要:
    目的 

    在工业生产过程中,铝合金和镁合金的连接不可避免,由于铝合金和镁合金热物理性能差异较大,在焊接过程中容易形成脆性的金属间化合物,导致接头强度降低。

    方法 

    为了提高接头的强度,该文采用冷金属过渡焊接法,对1 mm厚的6061铝合金和AZ31B镁合金板通过添加中间层Zn箔进行搭接焊接试验,焊接速度为4 mm/s,送丝速度为2.7 mm/s,电弧电压为15 V,焊接电流分别选用37 A,42 A,47 A。采用扫描电镜和光学显微镜研究了未添加中间层和添加中间层下接头的宏观形貌、显微组织及界面化学成分,并采用万能拉伸试验机对接头的力学性能进行了表征。

    结果 

    结果表明:中间层Zn的加入改善了铝/镁合金冷金属过渡焊接头的成形质量,改变了异种金属界面处的结合状态和微观组织,很大程度抑制了Al-Mg脆性化合物的产生,进而提高接头的力学性能。

    结论 

    该研究结果不仅丰富了铝/镁异种合金的薄板焊接,也为实际工业生产提供了一定的理论指导。

    Abstract:

    [Objective] In the industrial production process, connection of aluminum alloy and magnesium alloy was inevitable. Due to significant difference in the thermophysical properties between aluminum alloy and magnesium alloy, brittle intermetallic compounds were prone to form during welding process, resulting in a reduction in strength of welded joints. [Methods] To enhance strength of welded joints, cold metal transfer welding method was employed to conduct a lap welding test on 1 mm thick 6061 aluminum alloy and AZ31B magnesium alloy plates by adding an intermediate layer of Zn foil in this paper. Welding speed was 4 mm/s, wire feed speed was 2.7 mm/s, arc voltage was 15 V, and welding current was selected as 37 A, 42 A, and 47 A respectively. Macroscopic morphology, microstructure and interface chemical composition of welded joints without intermediate layer and with intermediate layer were investigated by scanning electron microscope and optical microscope. Mechanical properties of welded joints were characterized by universal tensile testing machine. [Results] The results showed that addition of intermediate layer Zn improved forming quality of Al/Mg alloy cold metal transfer welded joints, changed bonding state and microstructure at the interface of dissimilar metals, and significantly inhibited generation of brittle Al-Mg compounds, thereby improving mechanical properties of welded joints. [Conclusion] The results of this study not only enriched thin plate welding of Al/Mg dissimilar alloys but also provided certain theoretical guidance for actual industrial production.

  • 随着工业技术的高速发展,结构轻量化在航空航天、军工及交通等领域的要求越来越高,同时在《中国制造2025》中,也已把轻量化当成产业发展的重要方向[12]。轻金属材料铝合金和镁合金都具有密度低、比强度高、比刚性高等优点,正被广泛地应用于工业制造中。但是,在汽车生产过程中,不可避免的要进行铝合金与钢、镁合金异种金属的焊接,由于铝合金和镁合金热物理性能差异较大,焊接接头中容易出现脆性的金属间化合物,严重恶化接头的力学性能,因此,如何控制铝/镁焊接接头中金属间化合物的产生和生长是目前学者们研究的重点[35]。李敬福等学者[6]对铝/镁异种金属进行电阻焊试验,结果表明:添加中间层Zn阻止了铝/镁合金的直接接触,抑制了接头中脆性的金属间化合物的产生,提高了接头力学性能。因此,该文采用CMT冷金属过渡焊技术,以6061铝合金和AZ31B镁合金作为研究对象进行焊接试验,研究中间层Zn对焊缝成形、界面组织、元素分布和接头力学性能的影响,并阐述影响机理,为后续铝/镁合金异种金属的连接提供理论指导。

    试验采用尺寸为100 mm×50 mm×1 mm的6061铝合金板和AZ31B镁合金板,中间层采用质量分数为99.99%的高纯度Zn箔,厚度为0.1 mm。焊前,将铝合金和镁合金板材表面用砂纸打磨除去氧化层,并用丙酮将板材和Zn箔表面清洗干净,吹干待用。采用搭接的焊接方式,上板是镁合金,下板是铝合金,中间层为Zn箔,焊接示意图如图1所示。

    图  1  焊接装置示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of welding device

    试验采用Fronius CMT焊机进行,焊丝选用ϕ1.0 mm的ER4043,保护气体为氩气。在铝/镁合金冷金属过渡搭接焊过程中,采用厚度为0.1 mm的Zn箔置于镁合金和铝合金中间,焊接速度选用4 mm/s,送丝速度为2.7 mm/s,电弧电压为15 V,焊接电流分别选用37 A,42 A,47 A。焊后采用线切割切取拉伸试样和金相试样,每组工艺下取3个拉伸试样和2个金相试样。用材料拉伸试验机进行拉伸试验,金相试样依次通过240号、400号、800号、1200号、1500号和2 000号砂纸打磨后抛光,采用成分为苦味酸、乙酸、乙醇和蒸馏水的腐蚀剂对试样进行腐蚀处理,腐蚀时间为10~12 s,采用扫描电镜和金相显微镜分析接头的显微组织。

    图2为焊接速度为4 mm/s、焊接电流为42 A,是否添加中间层下试样的焊缝宏观形貌。图2(a)为不添加中间层Zn箔的焊缝宏观形貌,图2(b)为添加中间层Zn箔的焊缝宏观形貌,对比图2(a)、图2(b)可知,不添加中间层的焊缝表面不平整,正面铺开长度小,使铝/镁合金的有效结合面积变小;焊缝熔宽和余高较大,余高较大会导致焊趾局部应力集中,容易萌发裂纹,影响接头的承载能力。添加中间层的焊缝表面光滑平整,没有未熔合、咬边、裂纹等缺陷,此现象表明:在铝/镁合金冷金属过渡搭接焊过程中添加中间层Zn箔可以显著改善焊接接头的宏观形貌。

    图  2  是否添加中间层下的铝/镁合金搭接焊焊缝宏观形貌
    Figure  2.  Macroscopic morphology of Al/Mg alloy lap welding weld without or with adding intermediate layer. (a) without adding intermediate layer; (b) with adding intermediate layer

    图3为添加中间层,焊接速度为4 mm/s,焊接电流选用37 A,42 A,47 A下试样的焊缝宏观形貌。可以看出,3种工艺下接头的宏观形貌各不相同,但是总体上均优于未添加中间层的焊缝成形质量。在图3(a)中,由于焊接电流较小,刚开始电弧燃烧不稳定,焊缝不连续而且容易出现未熔合缺陷,随着焊接过程中热量的扩散,且电弧燃烧稳定,接头成形良好;在图3(b)中,由于电流大小适中,电弧燃烧稳定,接头成形良好美观,焊缝连续均匀,无明显裂纹;在图3(c)中,由于电流增大,焊接热输入变大,焊接过程中热量的传递和累积导致出现穿孔性缺陷,使焊缝不连续,直接影响接头的力学性能。因此,在添加中间层Zn箔的条件下,1 mm厚铝/镁合金冷金属过渡搭接焊最佳工艺参数为v=4 mm/s,I=42 A,选择该工艺参可以获得质量可靠、优质美观的焊接接头。

    图  3  不同焊接电流下的铝/镁合金搭接焊焊缝宏观形貌
    Figure  3.  Macroscopic morphology of Al/Mg alloy lap welding weld under different welding current. (a) I=37 A; (b) I=42 A; (c) I=47 A

    铝合金和镁合金异种材料采用冷金属过渡焊连接时由于焊接接头中产生大量的Mg-Al脆性相,严重影响了接头的强度。因此,为了抑制接头脆性相的产生,在铝合金和镁合金焊接时,添加中间层Zn箔,研究中间层对组织和性能的影响。图4为未添加中间层和添加中间层Zn箔的铝/镁合金搭接接头的金相组织。由图可知,未添加中间层的界面过渡层很薄,铝合金与焊缝金属形成了良好的界面结合;未添加中间层的镁合金侧界面处形成了较厚脆性相的过渡层,界面过渡层形态为平直型且两侧呈平面状,焊缝形成了柱状晶组织。

    图  4  未添加中间层和添加中间层下接头的金相组织
    Figure  4.  Metallographic structure of welded joints without adding intermediate layer and with adding intermediate layer

    添加中间层铝合金侧界面处Zn与铝合金形成固溶体和少量的Al-Mg-Zn化合物,致使中间层的厚度增加,界面过渡层由较薄的平直型转变为呈小锯齿状的波浪型。添加中间层镁合金侧界面处由于锌和镁晶体结构相同,二者相遇后更容易形成大量的金属间化合物和少量的Al-Mg,Al-Mg-Zn化合物,界面过渡层的厚度增加,形态也由较薄的平直型转变为呈小锯齿状的波浪型,焊缝形成了等轴晶。由此可见,中间层Zn的加入改变了界面过渡层、焊缝的组织和成分,改善了铝合金、焊缝及镁合金的界面结合状态,且界面的形态也发生了明显的变化[7]

    图5v=4 mm/s,I=42 A的添加中间层Zn的铝/镁合金搭接接头不同区域扫描电镜能谱线扫描分析结果。由图可知,在铝合金侧界面处从Al到焊缝Al的质量分数略程下降趋势,Mg的质量分数略程上升趋势;在焊缝中,Al的质量分数明显高于Mg的质量分数,且Al和Mg的质量分数在一定范围内波动;在镁合金侧界面处从Mg到焊缝Al的质量分数发生明显下降趋势,Mg的质量分数发生了特变明显的上升趋势。从铝合金到焊缝再到镁合金,Zn的质量分数一直在轻微波动,以中间层Zn为界,镁合金侧界面处Zn的质量分数明显低于铝合金侧界面处Zn的质量分数。根据Mg-Zn,Al-Zn二元相图,Zn在Mg中的最大溶解度为3.5%,Zn在Al中的最大溶解度为16.5%[8]。在电弧的高温作用下,中间层Zn向两侧扩散,两侧的Al和Mg也向焊缝扩散,通过短暂的互扩散,铝合金侧界面处形成少量Al-Zn固溶体,镁合金侧界面形成了少量的Mg-Zn固溶体,焊缝中形成了大量的Mg-Zn共晶组织和少量的Al-Mg-Zn化合物,从而取代了连续的Mg-Al金属间化合物,提高了接头的承载能力[7]

    图  5  添加中间层下搭接接头不同区域线扫描结果
    Figure  5.  Line scanning results of different areas in bottom lap joints with adding intermediate layer

    对焊接速度为4 mm/s,焊接电流选用37 A,42 A,47 A工艺下添加中间层得到的拉伸试样和对焊接速度为4 mm/s,焊接电流为42 A工艺下未添加中间层得到的拉伸试样进行拉伸试验测量,结果如图6所示。由图可知,添加中间层焊接接头的最大抗拉强度随着焊接电流的增大而先增大后减小,原因是随着焊接电流的增大,焊接热输入增大,促进了中间层Zn在母材表面的润湿铺展性,增大了中间层Zn与母材铝/镁的结合面积,焊缝中Zn元素的扩散更加均匀,从而使接头的强度有所增加;当焊接电流为42 A时,接头的最大抗拉强度达到峰值34.1 MPa。随着焊接电流的不断增加,热输入增加,焊接温度不断升高,部分中间层Zn被烧损,减少了中间层Zn与母材铝/镁的结合面积,从而使接头的强度有所降低。添加中间层试样的抗拉强度均高于未添加中间层试样的抗拉强度,由此可见,通过添加中间层Zn可以提高铝/镁合金焊接接头的强度。分析认为焊缝中加入Zn元素改变了界面区及焊缝中的组织和成分,在铝侧界面形成了Mg-Zn,Al-Mg-Zn化合物,在镁侧界面形成了Mg-Zn化合物,这样就阻碍了Al和Mg形成Mg17Al12和Mg2Al3脆性金属间化合物,明显改善了接头的力学性能。

    图  6  中间层和焊接电流对接头力学性能的影响
    Figure  6.  Influence of interlayer and welding current on mechanical properties of welded joints

    (1)与未添加中间层的铝/镁合金冷金属过渡焊相比,通过添加中间层Zn可以显著改善铝/镁合金冷金属过渡焊接头宏观形貌和成形质量。而且中间层Zn的加入可以改变界面过渡层的组织、化学成分和结合状态。

    (2)添加中间层Zn的铝/镁合金冷金属过渡焊接头界面由Al-Zn固溶体、Al-Mg-Zn化合物和Mg-Zn化合物组成,由于Zn的存在,很大程度抑制了Al-Mg脆性化合物的产生,进而提高接头的力学性能。

  • 图  1   焊接装置示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of welding device

    图  2   是否添加中间层下的铝/镁合金搭接焊焊缝宏观形貌

    Figure  2.   Macroscopic morphology of Al/Mg alloy lap welding weld without or with adding intermediate layer. (a) without adding intermediate layer; (b) with adding intermediate layer

    图  3   不同焊接电流下的铝/镁合金搭接焊焊缝宏观形貌

    Figure  3.   Macroscopic morphology of Al/Mg alloy lap welding weld under different welding current. (a) I=37 A; (b) I=42 A; (c) I=47 A

    图  4   未添加中间层和添加中间层下接头的金相组织

    Figure  4.   Metallographic structure of welded joints without adding intermediate layer and with adding intermediate layer

    图  5   添加中间层下搭接接头不同区域线扫描结果

    Figure  5.   Line scanning results of different areas in bottom lap joints with adding intermediate layer

    图  6   中间层和焊接电流对接头力学性能的影响

    Figure  6.   Influence of interlayer and welding current on mechanical properties of welded joints

  • [1] 李邦鹏. 磁场辅助镁/铝异种金属CMT焊接工艺及组织性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019.

    Li Bangpeng. Research on process and structure of magnetic field assisted Mg/Al dissimilar alloys CMT welding[D]. Harbin, China: Harbin Institute of Technology, 2019.

    [2] 单琪, 张超, 谢鹏, 等. 铝合金与镀铜钢CMT熔钎焊技术研究[J]. 热加工工艺, 2024, 53(1): 48 − 52, 57.

    Shan Qi, Zhang Chao, Xie Peng, et al. Research on CMT welding-brazing technology of aluminum alloy and copper plated steel[J]. Hot Working Technology, 53(1): 48 − 52, 57.

    [3] 王佳杰, 宋晓国, 武鹏博, 等. 铝/钛异种金属激光/激光-CMT复合熔钎焊工艺及其组织与力学性能[J]. 焊接学报, 2023, 44(2): 54 − 60. doi: 10.12073/j.hjxb.20220617003

    Wang Jiajie, Song Xiaoguo, Wu Pengbo, et al. Process, microstructures and mechanical properties of Al/Ti dissimilar metals with laser/laser-CMT hybrid welding-brazing[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2023, 44(2): 54 − 60. doi: 10.12073/j.hjxb.20220617003

    [4] 陈钟宋. 铝镁合金的焊接工艺及质量控制措施[J]. 焊接技术, 2021, 50(4): 70 − 73.

    Chen Zhongsong. Welding process and quality control measures of al-mg alloy[J]. Welding Technology, 2021, 50(4): 70 − 73.

    [5] 张超, 吴定勇, 杨辉, 等. 铝合金CMT熔敷工艺对添加Nb中间层钛/铝构件成形及组织的影响[J]. 焊接技术, 2022, 51(8): 1 − 6.

    Zhang Chao, Wu Dingyong, Yang Hui, et al. Effect of CMT deposition processes of Al alloy on the forming and microstructure of Ti/Al dissimilar materials with Nb interlayer[J]. Welding Technology, 2022, 51(8): 1 − 6.

    [6] 李敬福, 陈强. 基于添加Zn中间层的汽车用镁/铝异种金属电阻点焊工艺与性能研究[J]. 热加工工艺, 2016, 45(9): 184 − 186.

    Li Jingfu, Chen Qiang. Study on process and properties of Mg/Al dissimilar metal resistance spot welding for automobile based on adding Zn intermediate layer[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(9): 184 − 186.

    [7]

    Abdollahzadeh A, Shokuhfar A, Cabrera J M, et al. The effect of changing chemical composition on dissimilar Mg/Al friction stir welded butt joints using zinc interlayer[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2018, 34: 18 − 30. doi: 10.1016/j.jmapro.2018.05.029

    [8] 金玉花, 吴永武, 毕胜, 等. Zn粉辅助Al/Mg异种合金搅拌摩擦搭接连接[J]. 兰州理工大学学报, 2018, 44(4): 26 − 31. doi: 10.3969/j.issn.1673-5196.2018.04.006

    Jin Yuhua, Wu Yongwu, Bi Sheng, et al. Zn powder-assisted friction stir lap welding of Al/Mg heterogeneous alloying plates[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2018, 44(4): 26 − 31. doi: 10.3969/j.issn.1673-5196.2018.04.006

图(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-05
  • 刊出日期:  2024-12-22

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