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发表时间：2021/6/15   来源：《科学与技术》2021年第29卷2月5期   作者：贾慎锋

[导读] 镁的密度为1.74 g/cm3，是最轻的金属结构材料，从汽车工业轻量化角度来

        贾慎锋
        上海和达汽车配件有限公司  201712
        摘要：镁的密度为1.74 g/cm3，是最轻的金属结构材料，从汽车工业轻量化角度来说，是发展趋势最大的金属材料。由于镁合金材料与钢材两种材料的强塑性，熔点，组织结构的差异性，元素之间没有可以稳定存在的中间相，化学冶金的连接机制很难成功，因此目前两种材料的连接主要以机械连接（螺栓，铆钉等）为主。但机械连接的强度相对焊接（冶金结合）较低，且实际运用种各种工装、标准件等不仅增加成本且增加汽车的负重，从长期来看不是两种材料连接的最佳方式，而焊接工艺是镁钢异种材料连接的趋势。因此本文从搅拌摩擦焊接(FSW)工艺角度，深入的分析了搅拌摩擦焊接发展的趋势及优势，并且就关键的工艺参数、工艺窗口、及工艺鲁棒性进行研究分析。因此搅拌摩擦焊接是一种比较适合镁钢异种材料连接的方法，通过正交试验的方法很容易找到最优参数已达到最强的力学性能，并且有两种有效的机制保证接头的可靠性。
        关键词：轻量化 搅拌摩擦焊 异种材料连接
        0 引言
        有试验表明，汽车质量每减轻10%，油耗下降6%~8%，排放量下降4%。同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率，使汽车的动力性能提高。因此，汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。汽车轻量化对於降低油耗、减少排放起着至关重要的作用，目前已经成为国内外汽车工业界的研究热点。汽车轻量化主要采取材料轻量化与结构轻量化相结合的方式，而汽车零部件的各种先进成型技术也是轻量化的核心内容。
        为助力“中国制造2025”战略，实现中国汽车强国的目标理想，将以新能源汽车技术为切入点，推动新能源汽车产业升级和企业可持续发展的前瞻视角。镁的密度为1.74 g/cm3，是铝的 2/3，钢的 2/9。是最轻的金属结构材料，从汽车工业轻量化角度来说，是发展趋势最大的金属材料之一。
        而钢作为目前汽车工业中最常用的结构性材料，在功能性与绝对强度上依然具有不可替代性，因此镁合金与传统钢材料的连接就成为了汽车轻量化中亟待解决的问题。
        
1 镁钢异种材料连接综述
        异种材料之间的连接长期以来都是科学研究以及工业生产中的难题，由于镁合金材料与钢材两种材料的强塑性，熔点，组织结构以及可焊性都有极大的差异，加之镁合金中的镁元素与钢材中的铁元素之间没有可以稳定存在的中间相，化学冶金的连接机制很难成功，因此目前两种材料的连接主要以机械连接为主。但机械连接的强度相对焊接（冶金结合）较低，实际生产中的工装成本较高，且本身（螺栓，铆钉等）会增加对于汽车的负重，从长远角度来说不是两种材料连接的最优解，而焊接理应成为镁钢异种材料连接的趋势。
        通过对过去十几年镁钢连接的学术研究成果的调研发现：1.镁钢连接近年来呈现出不断上升的态势，2013年一年在外文核心期刊上的发表量就达到了12篇之多，而在2010年前相关文献数量的总和只有8篇；2.激光焊，搅拌摩擦焊接是目前研究文献数量最多的两种镁钢材料连接的方法，分别占到文献总数的35%与23%，此外，超声波焊接，辊压接合与电阻焊接分别占到12%，12%与9%。
1）激光焊接
        激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，它有自动化程度高、生产效率高、适应性良好的技术特点，被广泛应用于汽车，电子工业、生物医学等领域，但它的局限性在于镁钢界面较弱，断裂强度低容易产生飞溅及底部缺陷以及氧化严重等问题。
2）搅拌摩擦焊接
        搅拌摩擦焊接(FSW)是一项在1991年由英国焊接学院发明的固相连接技术，最初被用于铝合金的焊接中，它有环保节能、性能优异、适应性良好等优点，目前的应用领域包括航空航天，汽车工学以及船舶军工。搅拌摩擦焊接不易产生氧化物及大块的金属间化合物，但搅拌头比较容易磨损且焊接的时间效率较低。
        以下将根据对镁钢异种材料搅拌摩擦焊接文献调研的结果进行可行性分析。
2可行性分析
1）工艺分析
(一)关键工艺参数
        搅拌摩擦焊接中的工艺参数变量很多，其中对于镁钢焊接来说重要的工艺参数有四个，下压量，转速，走速（线焊）以及焊接时长（点焊），此外，搅拌头的设计也是非常关键的变量。
        下压量的大小无论对于点焊还是搭接焊来说都有着至关重要的影响。下压量的不足将导致镁钢原始界面处没有足够的热输入以及变形来产生机械咬合以及化学冶金结合；而下压量过大时，一来热输入量的过大会造成镁合金的过度变形软化以及减薄量的增加，进而影响机械性能；二来当搅拌针插入钢中过深时，搅拌针本身的磨损将会加快，从工业生产的角度来看将导致成本的增加。
        转速是调控热输入量的重要参数，热输入过低过高都不利于焊接，选择一个合适的参数窗口是保证稳定焊接质量的必要条件。
        走速，即焊接速度，影响搭接线焊中的焊缝质量。过高的走速意味着较低的热输入量，也会经常导致材料回填不充分而产生表面毛刺、隧道等缺陷；而过低的走速虽然可以增加热输入一定程度上保证焊缝质量的稳定，但完成焊缝的时间增加，潜在影响了工业生产中的效率，增加成本。因此，在搭接焊中，选择合适的走速值同样重要。
        焊接时长，指点焊中搅拌针下降到设定最低位置后的停留时间，过短的焊接时长意味着更少的热输入量，也意味着界面处镁与钢材料之间没有足够的时间进行塑性变形和材料流动，不利于机械咬合和冶金结合的生成，直接影响了接头强度。
        搅拌头设计在许多文献和实验中被证明直接改变了材料流动模式以及接头连接效率。除了基本的轴肩尺寸、针长、形状之外，在轴肩表面以及搅拌针侧面或地面的一些额外的设计都会显著改变焊接结果。
        
(二)工艺窗口
        目前所调研的有关镁钢异种材料搅拌摩擦焊接的文献中，绝大多数都是搭接焊的实验，根据文献调研的结果，分别分析以上几个工艺参数的工艺窗口：
        下压量：对于搅拌摩擦搭接焊，目前文献中报道的选用的下压量从0.12-0.3mm不等，均取得了较为理想的结果，但如前所述，过大的下压量虽然不会影响焊接的成功率，但对于搅拌头的磨损情况一定会加剧，相比于学术研究，实际工业生产中对于成本的控制更为敏感，因此对搭接焊来说，0.1mm左右插入深度是一个能较好平衡性能与磨损状况的参数。
        转速/走速：在所调研的搅拌摩擦搭接焊文献中，研究者选用的转速从700rpm至1500rpm不等，而走速 从100-500mm/min不等，总体来说当选用的转速越高时，走速一般也会相对较高来平衡对热输入量的影响。如果用搅拌摩擦焊接中常用的参量（转速2/走速）来评估热输入量的话，该数值从2880到11250不等，因此镁钢的搅拌摩擦搭接焊中转速/走速的工艺窗口相对比较大。
        搅拌头设计：搅拌头中最基础的三个参数是轴肩、搅拌针的直径以及搅拌针针长，一般来说，轴肩和搅拌针直径的比例为3：1，从文献调研的情况来看，大多数研究者采用的搅拌头设计也符合这个比例；而总结得到的搅拌针针长一般为置于上方的板材（一般为镁合金）厚度减去0.1mm。为了增加材料流动，轴肩表面及搅拌针侧面一般都会采用一些特殊的设计（图1），但其效果一般都会随焊接板材本身性质的改变而改变，因此没有普适性的结论。而对于搅拌摩擦点焊，相关的文献数量比较少，有研究者选用无针的搅拌头进行焊接以期增加热输入量。
        

(三)工艺鲁棒性

2）连接机制与可靠性分析
        搅拌摩擦焊接主要通过制造板材之间的机械咬合与冶金结合两种方式实现连接。在搅拌摩擦焊接的过程中，搅拌头的旋转使得轴肩以及搅拌针表面与待焊材料之间剧烈摩擦生热，从而软化材料并使材料产生塑性变形。变形的材料之间极易产生宏观尺度与微观尺度上的机械咬合；同时，在高温与大变形两种条件的作用下，镁合金中的合金元素与钢中的合金元素将产生一定量的冶金结合，形成新相并连接两种材料。

        如图3所示，钢的不规则颗粒以不同形态、大小和深度嵌入了镁基体内部，同时两种材料的界面处存在大量的互相嵌入的机械咬合结构。
           
        除了机械互锁外，冶金结合也是镁钢搅拌摩擦焊接中的有效连接机制。如图4所示，镁材当中的铝合金成分在界面处成线性分布，说明在搅拌摩擦焊接的过程中，镁合金中的铝成分与钢中的成分有效结合，在界面处帮助连接。
        此外，凝固组织（共晶）同样在界面存在，证明了冶金结合的存在。
3）接头质量分析
(一)力学性能
        镁钢搅拌摩擦焊接多采用搭接焊，连接效率普遍能达到60%以上，最高强度超过200MPa，最高效率超过80%，点焊最高连接强度为32MPa（如图5）。
        





(二)接头成形性及表面质量
        镁/钢搅拌摩擦焊接在参数适合时表面平滑，均匀，且无缺陷，但匙孔处材料的减薄较多，如有需要须做后处理。

(三)宏微观组织结构特征
        FSW能在宏观/微观尺度上形成机械咬合，微观上有明显的的冶金结合。钢材中的少量材料以不同的形状向上嵌入到镁合金基体内部；而镁合金中的镁元素与钢材表面的锌镀层产生了相变反应，固化后成为镁锌的共晶相留存在界面处。由于镁和铁本身即使在高温条件下也不易互溶及相变反应，因此往往需要借助中间层或者添加合金元素的方式形成冶金结合帮助焊接。
3结论
        结合以上文献调研的结果，下表分类对镁钢搅拌摩擦焊接进行了总结，总体来说，搅拌摩擦焊接是一种比较适合镁钢异种材料连接的方法，通过正交试验的方法很容易找到最优参数已达到最强的力学性能，并且有两种有效的机制保证接头的可靠性；可能存在的问题包括搅拌头的磨损速度以及焊接的时间效率。


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