【摘 要】
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铝/镁异种金属复合结构具有优异的综合性能,在航空航天、轨道交通等对结构轻量化要求较高的领域具有极大的应用价值。本文采用新型的搅拌摩擦点焊-钎焊（Friction Stir Spot Welding–Brazing,FSSW-B）复合焊接技术对铝/镁异种金属进行搭接点焊,研究了不同焊接工艺参数对复合焊接的接头宏观形貌、界面组织以及静态力学性能的影响规律。并通过与搅拌摩擦钎焊（Friction Sti
【基金项目】
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国家自然科学基金（51865035）； 江西省教育厅科技项目（DA202103162）；
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铝/镁异种金属复合结构具有优异的综合性能,在航空航天、轨道交通等对结构轻量化要求较高的领域具有极大的应用价值。本文采用新型的搅拌摩擦点焊-钎焊（Friction Stir Spot Welding–Brazing,FSSW-B）复合焊接技术对铝/镁异种金属进行搭接点焊,研究了不同焊接工艺参数对复合焊接的接头宏观形貌、界面组织以及静态力学性能的影响规律。并通过与搅拌摩擦钎焊（Friction Stir Spot Brazing,FSSB）接头进行对比,建立力学性能贡献模型,量化复合焊接接头中搅拌摩擦焊和钎焊区域对静态力学性能、疲劳性能的贡献。获得的主要结论如下:添加0.5 mm厚度的中间层锌钎料能够实现铝/镁异种金属FSSW-B复合焊接,典型的FSSW-B接头包括搅拌区、热力影响区、热影响区、母材区以及匙孔区。其中热力影响区的界面处为接头形成钎焊连接的主要区域。在钎焊连接区中,界面组织分为上下两层,上层界面主要组织为Mg Zn2,靠近铝板处存在Al/Zn固溶体;下层界面主要组织为Mg7Zn3,其中存在第二相Mg Zn。热影响区的界面处存在钎焊反应的过渡区域,中间层界面的锌钎料熔合线为母材与反应区的分界线。FSSW-B接头界面处由于生成了金属间化合物,显微硬度升高;铝板侧从焊点边缘到搅拌区,显微硬度有下降的趋势,并且靠近轴肩的位置硬度有明显波动;镁板侧靠近搅拌区的位置硬度升高,其它位置硬度变化不明显。复合焊接接头的拉剪试验表明,随着搅拌头旋转速度从550 rpm增加到1350 rpm和下压量从0 mm增加到1 mm,复合焊接接头的抗拉剪性能都呈现先增大后减小的趋势;当搅拌头旋转速度为950 rpm、轴肩下压量为0.5 mm时,接头的抗拉剪力最大,达到7600 N。选择最优工艺参数下制备的接头进行疲劳试验,运用幂函数和最小二乘法对接头的疲劳数据进行拟合,得到应力-寿命曲线,通过计算可以得到铝/镁FSSW-B接头的疲劳极限为3366.6 N。接头疲劳试验的断裂模式分为在疲劳载荷较大时从铝/镁中间层失效的界面剥离断裂,以及在疲劳载荷较小时从镁板母材侧失效的眉状断裂。相较于FSSW-B接头,FSSB接头没有搅拌区,接头包括热力影响区和热影响区,中间层界面主要由Mg Zn2相组成,在中间层下侧边缘位置存在较薄的Mg7Zn3相。另外,接头的硬度变化没有FSSW-B接头那么明显,在铝板侧靠近轴肩边缘位置硬度有降低的趋势。在相同的工艺参数下,FSSB接头能承受的最大拉剪力为4950 N,疲劳极限为3021.5 N,疲劳断裂模式为界面剥离断裂,没有发生眉状断裂。通过对FSSW与FSSW-B两种焊接接头建立理想模型,定量计算出搅拌区对复合焊接接头拉剪性能的贡献率为40.73%,对接头疲劳极限的贡献率为18.33%,搅拌区对静力学性能的提升有明显效果,但对疲劳性能的影响较小。根据疲劳数据和拟合相关系数,FSSW-B接头疲劳性能分散性较大,搅拌区在一定程度上弱化了接头的疲劳性能。
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