铝镁异种金属搅拌摩擦搭接焊接头微观组织与力学性能研究

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采用传统的熔化焊焊接铝镁异种金属时,接头具有大量的组织缺陷,导致接头结合强度较低。为了避免熔化焊带来的接头组织缺陷,本文采用搅拌摩擦搭接焊(Friction stir lap welding,FSLW),分别在空气与水中对铝镁异种金属进行焊接。利用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和X射线衍射仪等方法对空气与水介质中铝镁异种金属FSLW接头的宏观形貌、晶粒尺寸、金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)等微观组织进行了表征,并对焊接接头的显微硬度、剪切性能进行了评价,本文得到的主要研究结果如下:空气中铝镁异种金属FSLW时,采用圆锥螺纹搅拌针焊接接头成形性优良。高转速导致接头的成形性较差,降低转速可提高接头的成形质量。与母材相比,接头Al侧与Mg侧搅拌区(Stir zone,SZ)的晶粒分别由39μm和27μm细化至1μm和6.5μm。转速升高促使晶粒细化。接头Al/Mg搭接界面元素互扩散生成了IMC层。IMC层由颗粒状的Al12Mg17、Al3Mg2、MgZn2和Al2Cu相聚集形成。转速升高导致接头IMC层厚度增加。IMC导致接头的硬度急剧升高。接头界面分布的IMC层恶化了接头的剪切性能,剪切断裂沿着IMC层断裂,断口表面分布有大量的片层状IMC。水下搅拌摩擦搭接焊(Subermedged friction stir Lap welding,SFSLW)降低了铝镁异种金属的焊接温度,水介质中高转速焊接接头的成形质量较高。与空气中焊接接头相比,SFSLW接头的晶粒被细化,接头Al侧与Mg侧SZ区的晶粒尺寸分别为0.5μm和2.9μm。转速升高促使SFSLW接头晶粒细化。水冷作用抑制了接头界面的元素扩散,降低了界面元素的反应速率,界面未生成IMC层,仅分布有细小的颗粒状Al12Mg17、Al3Mg2、MgZn2及Al2Cu相。晶粒细化促使接头Mg侧SZ区的硬度升高。与空气中接头相比,SFSLW接头剪切性能提高了127%,这主要归因于接头晶粒细化和未产生脆性IMC层。SFSLW接头沿着Al/Mg搭接界面断裂,断口表面分布有少量细小的IMC。
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