鎂合金/鍍鋅鋼板電阻點焊接頭拉剪斷裂分析

鄭 森， 程東海， 陳益平， 胡德安

(南昌航空大學 航空製造工程學院，南昌 330063)

摘 要：針對2.0 mm厚的AZ31B鎂合金以及1.0 mm厚的SPHC鍍鋅鋼板，採用kDWJ-17型三相次級整流電阻焊機進行焊接試驗，通過對接頭的金相觀察、掃描電鏡分析，結合原子結合能研究點焊接頭拉剪斷裂特徵. 結果表明，點焊接頭斷裂的形式呈現結合面斷裂和紐扣斷裂兩種方式，紐扣斷裂抗拉剪力學性能優於結合面斷裂，紐扣斷裂斷口是以韌性斷口為主，脆性斷裂為輔的混合斷口. 熔核區以Fe-Al化合物為主時發生紐扣斷裂，熔合線邊緣晶粒尺寸粗大以及熔核區Fe-Al化合物結合能大，使其斷裂位置在熔合線邊緣. 熔核區以Mg-Zn化合物為主時發生結合面斷裂，其Mg-Zn化合物結合能偏小，容易被拉斷.

關鍵詞：鎂合金；鍍鋅鋼；電阻點焊；接頭斷裂

隨著能源緊缺和環境污染問題日益嚴重，人們越來越重視構件的輕量化設計. 鎂合金具有材料結構輕、特有的拉伸強度和減振能力等優點，而鋼一直在製造業中佔主導地位. 實現鎂/鋼異種材料的有效連接能充分發揮兩種材料的固有性能，實現構件的輕量化設計，對汽車、航空航天等現代工業的節能減排有著重要的積極意義[1,2].

鎂合金與鍍鋅鋼板的電阻點焊中，接頭形成過程由於加熱時間短，冷卻速度快，母材與熔核在化學成分和組織性能上存在著較大的區別，造成接頭在載荷作用下斷裂特徵存在差異[3]. 因此，文中擬以鎂合金和鍍鋅鋼板為研究對象，對其點焊接頭的拉剪斷裂特徵進行分析，為進一步探討鎂合金與鍍鋅鋼板的拉剪性能提供一定的理論依據.

試驗採用2.0 mm厚的AZ31B鎂合金以及1.0 mm厚的SPHC鍍鋅鋼板(鍍鋅層厚度0.02 mm)作為電阻點焊的焊接材料，材料成分如表1所示. 將母材加工成尺寸為100 mm×25 mm(長×寬)，長度方向上搭接為25 mm，如圖1所示. 採用kDWJ-17型三相次級整流電阻焊機進行焊接試驗，選用電極頭端面為直徑20 mm的鉻鋯銅電極，鎂側為半徑150 mm的球面電極，鋼側為平面電極. 板材焊接前，用砂紙將表面的氧化物處理乾淨.

表1 AZ31B鎂合金化學成分(質量分數，%)

Table 1 Chemical compositions of AZ31B magnesium alloy

AlZnMnSiCuNiMg3.180.960.320.0250.00350.00085餘量

圖1 焊件試樣尺寸(mm)

Fig.1 Dimensions of weldment

採用WDW-100型電子萬能拉伸機對在相同參數下的鎂/鋼異種材料點焊接頭進行拉伸試驗，拉伸機的拉伸速度設定為1 mm/min，試驗中每一組參數條件下焊三個試樣，拉剪力取三個試樣的平均值作為該參數條件下點焊接頭的拉剪力大小. 然後對母材和接頭熔核拉剪斷裂斷口處進行SEM分析比較，截取試樣，利用光學顯微鏡對接頭熔核及熔核邊緣進行金相觀察.

2.1 拉剪斷裂宏觀特徵分析

在對AZ31B鎂合金/SPHC鍍鋅鋼異種金屬電阻點焊中，當工藝參數為T(焊接時間)=8周波、I(焊接電流)=32 kA、P(電極壓力)=7 kN，得到最大拉剪力為6.97 kN，為AZ31B鎂合金/SPHC鍍鋅鋼異種金屬電阻點焊的最佳工藝參數. 在對該條件下焊出的焊接接頭進行拉伸試驗，會出現一種紐扣斷裂斷裂模式，如圖2所示. 焊點被從鎂合金側完整拉出，在鎂合金板上留下一個圓形孔洞，在鍍鋅鋼側留下貌似紐扣狀的熔核. 當在非最佳工藝參數下，熱輸入較小的時候，其焊接接頭在拉剪力下呈現結合面斷裂，在鎂合金和鍍鋅鋼板上只呈現一個圓形切面，如圖3可以看出在其它條件不變時，I=26 kA時斷口表面較粗糙. 在拉剪力的作用下，從熔核邊緣斷裂發展到熔核中心斷裂而來，相比紐扣斷裂接頭抗拉剪強度更小.

圖2 紐扣斷裂

Fig.2 Button fracture

圖3 結合面斷裂

Fig.3 Junction surface fracture

熔核邊緣是鎂合金與鍍鋅鋼板電阻點焊中的薄弱區域，是熔核區與熱影響區的交界處. 在最佳工藝參數作用下，熱影響區與熔核區在化學成分和組織上均存在比較大的差異. 圖4為接頭熔核區與熱影響區的顯微組織形貌，可以看出，熔核區晶粒偏細小，而熱影響區晶粒偏大，熔合線邊緣晶粒比熱影響區晶粒還要偏大. 熔核區與熔合線邊緣晶粒尺寸的過渡較快，使得應力集中容易出現，當在拉剪力作用下，此處會優先開始出現裂紋並擴展，裂紋將沿兩交接處發展並又向熔核邊緣處擴展至母材表面，因而形成紐扣斷裂. 當在非最佳工藝參數下時，由於熱輸入量少，使得焊接接頭處金屬的熔化量偏少，接頭的熔核直徑會較小，熔核中心等軸晶區域偏小，在拉剪力作用下，等軸晶抵抗拉剪力發揮的作用偏小，因而裂紋從熔合線邊緣開始生成，並將沿著拉剪力的方向穿晶而過，致使熔核出現結合面斷裂形式.

圖4 熔合線邊緣組織

Fig.4 Organization of nugget line

2.2 拉剪斷裂斷口SEM分析

為研究接頭的拉剪斷裂機理，對接頭斷裂處進行SEM掃描，掃描結果如圖5所示.

圖5 最佳工藝參數下熔核斷口

Fig.5 Fracture of nugget under optimum parameters

圖5為在最佳工藝參數下熔核處斷口SEM形貌，該斷裂起始於接頭邊緣的鎂合金區，熔核斷口表面分布著大量的撕裂棱，均勻細緻，且方向一致，在撕裂棱邊緣分布著一些大小不一的韌窩. 撕裂棱具有明顯的塑性變形特徵，且韌窩上存在著大量准解理面. 准解理斷裂是介於解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種形式，它在不同部位產生解理裂紋核，擴展成解理刻面，最後以塑性方式撕裂. 拉剪形成的破壞輪廓是由解理產生的呈短而彎曲河流花樣，這些河流花樣支流少，准解理面小. 紐扣斷裂的接頭在斷裂的過程中，主要是韌性斷裂，而當裂紋擴展到缺陷處就會發生脆性斷裂，一旦裂紋經過缺陷後，又將恢復韌性斷裂. 所以在最佳工藝參數下鎂合金與鍍鋅鋼點焊接頭斷口是以韌性斷口為主，脆性斷裂為輔的混合斷口.

圖6為圖3中熔核處斷口的SEM形貌，解理斷裂區面積較大，撕裂棱含量非常少，幾乎沒有韌窩，呈現出脆性為主，韌性為輔的斷裂特徵. 當接頭抗拉剪力較小時，接頭通常呈現這種斷裂特徵.

圖6 非最佳工藝參數下熔核斷口

Fig.6 Fracture of nugget under non-optimum parameters

2.3 接頭化合物對拉剪力影響分析

為進一步研究接頭的斷裂原因，對結合面斷裂的鎂合金側斷口進行EDS能譜分析，表2為圖7中對應的A，B，C三點分析結果，由表2可知，鎂合金側斷口表面沒有Fe元素的存在，絕大部分都是Mg元素. 分析認為，在點焊過程中，鍍鋅鋼側的鋼板沒有熔化，致使在鎂合金表面沒能發現Fe元素的存在，只是表面鍍鋅層熔化了，並且與鎂合金生成了Mg-Zn化合物.

對在最佳工藝參數下接頭中心化合物進行能譜分析，如圖8所示，得出A點的Al元素的含量為64.41%(原子分數)，46.65%(質量分數)，Fe元素的含量為29.27%(原子分數)，43.97%(質量分數)，其它元素為6.27%(原子分數)，推出接頭中心處金屬間化合物為Fe2Al5.

表2 鎂側表面EDS化學成分分析結果

Table 2 Chemical analysis of magnesium side surface by EDS

MgAlZn質量分數w(%)原子分數a(%)質量分數w(%)原子分數a(%)質量分數w(%)原子分數a(%)A區95.4496.962.462.252.100.79B區100.0100.0----C區94.5993.412.502.22--

圖7 鎂側結合面斷裂形貌

Fig.7 Fracture appearance of junction surface in magnesium side

圖8 接頭中心化合物形貌

Fig.8 Morphology of compound of joint center

金屬熔點越高，通常對應的原子間結合能越大，變形和斷裂都意味著晶體結構的破壞，而晶體中原子間的鍵結合越強，晶體結構越不容易被破壞. 鐵的熔點為1 535 ℃，鋁的熔點為660 ℃，鋅的熔點為419 ℃，鎂的熔點為649 ℃，當這些金屬形成金屬間化合物時，Fe-Al系的結合能比Mg-Zn系和Mg-Al系化合物更大. 因此當在最佳工藝參數下，接頭中的化合物Fe-Al系化合物使得接頭熔核區抗拉剪能力很強，又因為熔合線邊緣為鎂合金母材，其原子間的結合能要偏小，因而接頭趨向從熱影響區處出現裂紋，拉剪斷裂不會呈現出結合面斷裂的方式. 而對於焊接接頭熱輸入量不夠的情況下，熔核區Fe原子與Al原子參與發生反應的數量相對最佳工藝參數下少很多，甚至沒有，此時，熔核區主要以Mg-Zn化合物為主，Mg-Zn化合物皆為低熔點化合物，熔點比鎂合金小，其結合能比鎂合金中原子之間的結合能更小，因而在拉剪力作用下會呈現結合面斷裂.

(1) 鎂合金和鍍鋅鋼的電阻點焊接頭力學性能良好，接頭拉剪斷裂呈結合面斷裂和紐扣斷裂兩種方式，最佳工藝參數下為紐扣斷裂，其斷口是以韌性斷口為主，脆性斷裂為輔的混合斷口.

(2) 熔核區以Fe-Al系化合物為主時發生紐扣斷裂，其斷裂位置在熔合線邊緣，與熔合線邊緣晶粒尺寸粗大和Fe-Al系化合物鍵能大有關. 熔核區以Mg-Zn系化合物為主時發生結合面斷裂，與Mg-Zn鍵能偏小有關.

參考文獻：

[1] 張高會, 張平則, 潘俊德. 鎂及鎂合金的研究現狀與進展[J]. 世界科技研究與發展, 2003, 25(1): 72-78. Zhang Gaohui, Zhang Pingze, Pan Junde. Research and developments of magnesium and magnesium alloys [J]. Scientific and Technological Research and development In the World, 2003, 25(1): 72-78.

[2] 余 琨, 黎文獻, 王日初, 等. 變形鎂合金的研究、 開發及應用[J]. 中國有色金屬學報, 2003, 13(2): 277-288. Yu kun, Li Wenxian, Wang Richu, et al. Research, development and application of wrought magnesiun alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003, 13(2): 277-287.

[3] 王亞榮, 張忠典. 鎂合金電阻點焊接頭中的缺陷[J]. 焊接學報, 2006, 27(7): 9-12. Wang Yarong, Zhang Zhongdian. Defects in joint for resistance spot welding of magnesium alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2006, 27(7): 9-12.

收稿日期：2015-05-05

基金項目：江西省自然科學基金資助項目(2016BAB216100)

中圖分類號：TG 442

文獻標識碼：A

文章編號：0253-360X(2017)05-0104-04

作者簡介：鄭 森，男，1989年出生，碩士研究生. 研究方向：異種材料焊接. Email： zhengsen2012@yeah.net

通訊作者：程東海，男，副教授. Email: 70269@nchu.edu.cn