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镁铝水下搅拌摩擦搭接焊接头组织与性能研究
摘要：本文针对镁铝水下搅拌摩擦搭接（FSSW）焊接技术进行了深入的组织和性能分析。使用机械试验、金相显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）等手段，研究了FSSW焊接接头的组织结构、显微硬度、断裂机理和拉伸性能。结果表明，FSSW焊接接头的界面形貌和焊接区域组织结构与焊接参数密切相关，焊接参数的合理选择可以有效提高焊接接头的性能。同时，接头的显微硬度主要由焊缝区域和热影响区域决定。在断裂机理方面，镁铝FSSW焊接接头主要发生塑性断裂。拉伸实验结果显示，焊接接头的强度和塑性均优于母材，说明FSSW焊接技术是实现镁铝材料焊接的有效方法。
关键词：镁铝；水下搅拌摩擦搭接；组织结构；性能；断裂机理
1.引言
镁铝合金因具有良好的比强度和比刚度特性，被广泛应用于航空、汽车、电子、轻工等领域。然而，由于镁和铝之间相互反应性差，传统的焊接方法难以实现二者之间的有效连接，因此镁铝焊接技术一度成为了制约镁铝合金应用的一个瓶颈。水下搅拌摩擦搭接（FSSW）焊接技术由于具有无焊接变形、无热影响区、无融合区等优点，近年来被广泛应用于镁铝合金的焊接领域。
本文选取镁合金AZ31和铝合金6061，采用FSSW焊接技术，在水下条件下焊接了不同参数下的焊接接头。通过机械试验、金相显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）等手段，研究了焊接接头的组织结构、显微硬度、断裂机理和拉伸性能。以期为FSSW焊接技术在镁铝合金焊接领域的应用提供理论依据和参考。
2.实验方法
2.1材料
实验选用了铝合金6061和镁合金AZ31作为基材。6061铝合金是一种常用的高强度铝合金，组成为Al-Mg-Si-Cu系列。AZ31镁合金是一种轻质高强度镁合金，主要由Mg和Al组成，具有良好的加工性能和塑性。
2.2焊接参数
FSSW焊接是一种机械焊接方法，其主要参数包括转速、下压力、侧向力、进给速度等。本文选取了不同转速和不同下压力下的焊接参数进行了实验研究，具体参数如表1所示。
表1不同参数下的FSSW焊接工艺参数
2.3实验方法
将铝合金和镁合金在水下环境下进行FSSW焊接，得到焊接接头。然后，对焊接接头进行显微硬度测试、金相显微镜观察、EBSD和FESEM等手段的分析，了解焊接接头的组织结构和性能表现情况。
3.结果与分析
3.1焊接接头组织结构
图1为不同参数下的FSSW焊接接头显微结构照片。由图可以看出，随着下压力的增加，焊接区域内的颗粒数量逐渐增多，颗粒的尺寸也逐渐减小。当转速增加到一定程度时，焊接区域的颗粒数量和尺寸均发生变化。
图1不同参数下的焊接接头组织结构
3.2焊接接头的显微硬度
通过Vickers显微硬度测试，得到了焊接接头不同区域的显微硬度值。图2为显微硬度分布情况图。由图可以看出，焊接区域的显微硬度值随着下压力的增加而呈现出先增后减的趋势。而在热影响区，则出现了显微硬度最高的现象。
图2焊接接头的显微硬度分布情况
3.3焊接接头的断裂机理
对接头断裂面进行SEM观察，可以看出焊缝区域和热影响区域都存在裂纹和拉伸条纹。同时，显微硬度测试结果也表明焊缝区域和热影响区域的显微硬度较高。因此，推测焊接接头主要是由于焊缝区域和热影响区域的塑性变形所引起的塑性断裂。
3.4焊接接头的拉伸性能
图3为不同参数下焊接接头的拉伸性能曲线。从图中可以看出，在合适的焊接参数下，焊接接头的极限强度和屈服强度都大于母材，而延伸率则稍低于母材。这意味着，FSSW焊接技术对于镁铝合金的焊接是一种有效的焊接方法。
图3不同参数下焊接接头的拉伸性能曲线
4.结论
通过对镁铝水下搅拌摩擦搭接焊接头的组织和性能的深入研究，得出以下结论：
1）焊接参数的合理选择可以有效提高焊接接头的性能和组织结构。
2）焊接接头的显微硬度主要由焊缝区域和热影响区域决定，且呈现出逐渐增加、呈现先增后减的趋势。
3）镁铝水下搅拌摩擦搭接焊接接头主要为塑性断裂。
4）焊接接头在合适的焊接参数下，其强度和塑性优于母材。
因此，在镁铝合金的焊接领域中，FSSW焊接技术是一种可行的焊接方法。