AZ31B镁合金/镀锌钢板电阻点焊接头形成机理

AZ31B镁合金/镀锌钢板电阻点焊接头形成机理

郑 森， 程东海， 陈益平， 胡德安

(南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063)

摘 要：针对2.0 mm厚的AZ31B镁合金以及1.0 mm厚的SPHC镀锌钢板，采用KDWJ-17型三相次级整流电阻焊机进行焊接试验，通过光学金相、扫描电镜等方法分析接头各区域的组织结构和成分分布. 提出了镁锌低熔点化合物挤压机制，分析了Zn元素在镁合金和镀锌钢板电阻点焊中的作用. 结果表明,Zn与Mg元素形成的低熔点化合物MgZn2在电极压力的作用下能填满由于焊接变形引起的间隙,使反应界面密封，促进Fe,Al元素在界面发生处扩散， Fe与Al元素在界面处发生反应生成Fe2Al5化合物，从而形成高强度的镁合金与镀锌钢板的电阻点焊接头.

关键词：镁合金；镀锌钢；电阻点焊；接头形成机理

0 序 言

镁合金具有材料轻、抗拉强度高和减振能力强等优点，钢一直在制造业中占主导地位. 实现镁/钢异种材料的有效连接能充分发挥两种材料的固有性能，对汽车、航空航天等现代工业构件的轻量化设计、节能减排有着重要的积极意义[1,2].

镁钢两种材料在物理、化学性能上有很大的差异，其晶格类型不同，从而造成在液态下极难互熔[3]. 目前镁合金/钢异种材料焊接方法主要涉及在激光-电弧复合热源焊、激光深熔钎焊[4]、真空扩散焊、扩散钎焊、搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、超声波焊及电阻点焊. 但因生成MgO，ZnO，Fe2O3和Al2O3等金属氧化物导致接头强度不够. 电阻点焊广泛应用于航空、汽车工业，前期的试验表明镁合金和镀锌钢板能形成良好的焊接接头[5]，然而目前关于镁/钢异种材料电阻点焊的机理研究报道并不多见. 因此文中拟以镁合金和镀锌钢板为研究对象，对其点焊接头的形成机理进行分析和研究.

1 试验方法

试验选用2 mm厚的Mg-Al-Zn系热轧镁合金板材AZ31B以及1.0 mm厚的SPHC镀锌钢板(镀锌层厚度0.02 mm)作为电阻点焊的焊接材料，AZ31B镁合金化学成分如表1所示. 采用KDWJ-17型三相次级整流电阻焊机进行焊接试验，电极材料选用铬锆铜合金(CuCrZr)，镁合金侧球面半径为R200 mm，电极头端面直径为φ20 mm的球面电极，钢侧电极为端面直径为φ20 mm的平面电极.

表1 AZ31B镁合金化学成分(质量分数,%)

Table 1 Chemical compositions of AZ31B magnesium alloy

AlZnMnSiCuNiMg3.180.960.320.0250.00350.00085余量

试样尺寸为100 mm×25 mm(长×宽)，长度方向上搭接25 mm(图1).

图1 焊件试样示意图(mm)

Fig.1 Schematic diagram of weldment

采用WDW-100型电子万能拉伸机对在相同参数下的镁/钢异种材料点焊接头进行拉伸试验，拉伸机的拉伸速度设定为1 mm/min，试验中每种一组参数条件下焊三个试样，拉剪力取三个试样的平均值作为该参数条件下点焊接头的拉剪力. 试样经切割、镶嵌、磨制、机械抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀. 采用LEICA DMIRM的金相显微镜和QUANTA2000型扫描电子显微镜(SEM)分析接头各区域的显微组织、断口的形貌特征；借助扫描电子显微镜EDS对不同区域进行能谱扫描以确定点焊接头不同区域的元素的成分和含量.

2 试验结果及分析

2.1 接头组织

试验中镁合金与未镀锌钢板无法形成良好的焊接接头，几乎焊接不上. 改用镀锌钢板焊接，可以形成良好的焊接接头，接头的拉剪强度随着焊接时间T(2～14周次)、焊接电流I(20～37.5 kA)以及电极压力p(5～8 kN)的增大均呈先增大后减小的趋势. 最佳工艺参数为T=8周次、I=32 kA、p=7 kN，拉剪力达6.97 kN. 图2为在最佳工艺参数下接头镁合金侧热影响(HAZ)区,镁合金侧接头熔核组织主要由柱状晶和等轴晶组成. 焊接断电后，铜电极在水冷作用下使液态熔核边缘金属温度快速冷却，形成较大的过冷度，使熔核边缘的晶体紧靠着未熔化的镁合金母材发生非自发形核，熔核边缘处于半熔化的镁合金与熔核区的液态镁合金的化学成分相差不大、晶格类型相同，热影响区的晶粒联生长大，并且保持着同一晶轴.

图2 镁合金侧热影响区

Fig.2 HAZ of magnesium alloy side

图3为在最佳工艺参数下形成良好的接头，其中A为镁合金侧，B为接头金属间化合物，C为镀锌钢侧. 镁钢不会反应生成化合物，镁和锌会发生反应生成低熔点的Mg-Zn化合物，对B处进行分析，发现存在Fe,Al元素，几乎没有发现Mg,Zn元素，提出镁锌低熔点化合物挤压机制，低熔点的Mg-Zn化合物在电极压力作用下被挤出熔核中心，并在塑性环边缘处对焊接起到了密封保护的作用.

2.2 锌与镁反应

如表1所示，镁合金中Mg为主要元素，可以将Mg元素视为溶剂，则Al元素在镁合金中占的原子比例为0.029 6，Al元素的含量稀薄. 对于镁合金和未镀锌钢板的电阻点焊，钢侧的Fe原子会大量的接触镁合金中的Mg原子，Mg,Fe元素因晶体结构不同难以发生相互扩散，Fe,Mg又不相互反应生成金属间化合物，因而难以形成焊接接头.

图3 接头区域显微形貌

Fig.3 Microstructure morphology of joint

对于镁合金和镀锌钢板的电阻点焊，结合Zn,Al,Fe,Mg元素的晶体结合能以及熔点，如图4a模型所示，当焊接开始时，Zn元素的晶体结合能最小，在温度的作用下，Zn元素首先被激活，其次是Mg元素，被激活的原子开始相互作用. 由于Zn元素的熔

图4 原子扩散界面处物理模型简图

Fig.4 Schematic diagram of atomic diffusion at interface

点和Mg-Zn共晶反应的温度都较低，因此镁钢首先被熔化的Zn元素和Mg-Zn共晶反应物连接在一起. 由于表面存在氧化物，界面接触电阻较高. 连接面产热量高于母材，在短时间内，熔核中心并没有形成熔核. 电阻热在电极接触的周边区域最集中，导致该区域温度急剧上升，因此在镁合金熔化之前形成了环形的连接区域. AZ31B镁合金母材在焊接过程中除了自身熔化形成镁合金熔核外，还作为液态钎料对两种材料的焊接产生较好的润湿效果，镁与锌反应生成Mg-Zn低熔点共晶产物，该反应能破坏镁合金表面的氧化膜，在电极压力的作用下，液态的锌和Mg-Zn低熔点共晶反应物把破碎的氧化物薄膜挤出焊接的中心，填满了由于焊接变形引起的间隙,使反应界面密封，形成了无氧的条件，从而获得了成形良好的焊接接头.

对被挤出熔核中心的镁锌化合物处元素进行分布测试(图5)，由表2可知试验测得Mg,Zn的原子分数为32.25%,67.75%. 镁与锌发生反应，生成Mg-Zn低熔点共晶反应物，结合Mg-Zn二元相图以及化合物中的Mg,Zn元素分布的分析结果，推测镁锌化合物为MgZn2.

图5 EDS分析镁锌化合物处

Fig.5 Analysis of Mg-Zn compound by EDS

表2 镁锌化合物扫描结果

Table 2 Scanning results of Mg-Zn compound

元素质量分数ω(%)原子分数a(%)MgK15.0432.25ZnK84.9667.75总量100.00100.00

2.3 铁与铝反应

钢侧的Zn元素与镁合金中的Mg元素大量的反应造成镁合金侧紧靠钢侧一边的Mg元素的缺失，则镁合金中的Al原子会大量的裸露出来(图4b)，形成Al原子的富集，此时在镁合金侧Al元素会在界面处形成浓度差，Fe元素也因Zn元素的缺失在界面处形成浓度差. Fe元素和Al元素在浓度梯度的作用下发生相互扩散，破坏了相界平衡，且在温度的作用下能量升高到Fe和Al的原子激活能，Fe,Al原子被激活，Fe,Al原子开始发生反应，为了恢复界面之间的平衡，Fe,Al原子一直不断的扩散并反应. 对镁钢异种材料电阻点焊界面进行元素分布面扫描分析，结果显示，Al元素从镁侧扩散到钢侧，并在界面处出现Al元素的富集现象. Al元素在界面的聚集说明Al与Fe元素在界面处形成了金属间化合物，使得镁合金与镀锌钢板形成焊接接头.

Fe元素和Al元素在浓度梯度的作用下发生相互扩散，并且会发生反应. 结合Fe-Al二元相图可知由Al和Fe元素直接生成的金属间化合物有Fe2Al5,Fe3Al,FeAl,和FeAl3，FeAl2则需要以Fe2Al5作为中间产物.

通过SEM电镜扫描放大处理镁钢界面处的Fe-Al化合物层，如图6所示. 通过对化合物层中的A点进行成分分析，如表3所示,Fe和Al的原子比接近Fe2Al5中Fe和Al的原子比.

图6 镁钢界面反应物层(SEM)

Fig.6 Reactants of magnesium steel interface

表3 镁钢界面扫描结果

Table 3 Scanning results of magnesium steel interface

元素质量分数ω(%)原子分数a(%)AlK46.6564.41FeK43.9729.27CrK9.386.32总量100.00100.00

结合Al-Fe相图以及化合物中的Fe,Al元素分布的分析结果，推出金属间化合物为Fe2Al5. 这些数量少量的金属间化合物层，使得镁合金与钢形成了连接，提高了界面的结合强度.

3 结 论

(1) Zn与Mg元素形成的低熔点化合物MgZn2在电极力的作用下能填满由于焊接变形引起的间隙使反应界面密封，促进Fe,Al元素在界面发生处扩散，为电阻点焊接头的形成提供良好的准备条件.

(2) Fe与Al元素在界面处发生反应生成Fe2Al5化合物，从而形成高强度的镁合金与镀锌钢板的电阻点焊接头.

参考文献：

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收稿日期：2015-01-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(项目批准号51465042);江西省自然科学基金资助项目(20161BAB216100)

作者简介：郑 森，男，1989年出生，硕士研究生. 主要研究方向为异种材料焊接. Email： [e-mail]

中图分类号：TG 442

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2017)02-0083-04