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近年来，节能和环保理念在世界范围内不断地深入，对产品轻量化要求越来越高. 铝合金和镁合金作为最常用的两种轻金属结构材料，具有低密度、较高的比强度、比刚度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天以及载运工具制造等领域. 采用传统熔化焊对铝/镁异种合金进行连接时，接头容易产生气孔、晶粒粗大、热裂纹和金属间化合物(IMCs)等缺陷，降低接头的力学性能[1-3]. 搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)是英国焊接研究所(the welding institute)于1991年开发的一种针对高强铝合金焊接性差的新型固相连接技术，是铝/镁异种合金最具潜力的焊接技术之一[4-5]. 与传统焊接方法相比，FSW 具有优质、高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点[6].
目前，国内外学者对铝/镁异种金属FSW开展了大量研究工作，主要集中在铝/镁FSW接头微观组织及力学性能[7-10]、焊接工艺[11-14]等几个方面. 然而目前对接头带状组织的形态、形成机理及其对接头力学性能的影响研究较少. 该研究对于优化铝/镁异种金属FSW焊接工艺，保证接头强度以及更好地服务于载运工具制造具有重要意义.
文中借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及能谱仪(EDS)对不同工艺参数下接头进行微观组织观察，对带状组织形态及其分布的IMCs种类及数量进行表征，指导铝/镁异种金属FSW焊接工艺.
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试验材料选取厚度为4 mm的AZ31B镁合金板和6061铝合金板(T6)，试板尺寸为300 mm × 150 mm，焊接方式为平板对接. 搅拌头为H13钢，轴肩直径为12 mm，搅拌针长为3.7 mm，试验过程中将镁板放在前进侧，铝板放在后退侧，固定下压量为0.2 mm ± 0.05 mm，偏铝侧0.3 mm. FSW焊接工艺参数如下：搅拌头转速分别为650，750，850 r/min，焊接速度分别为10，20，35 mm/min. 金相试样用5%硝酸酒精溶液腐蚀150 s. 采用光学显微镜(OM)对FSW接头进行金相观察. 采用GeminiSEM300型扫描电镜(SEM)对接头中的带状组织进行观察，采用能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对带状组织内的IMCs进行表征. 利用WDW3100微控电子万能试验机对FSW接头进行拉伸试验. 图1为铝/镁FSW搅拌头示意图.
图 1 铝/镁FSW搅拌头示意图(mm)
Figure 1. Schematic of Al/Mg FSW tool
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图2为750 r/min - 20 mm/min工艺参数下铝/镁异种金属FSW接头横截面. 从图可以看出，接头由焊核区(WNZ)、热力影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)组成. Al和Mg在WNZ区域发生了明显的混合而形成带状组织. 带状组织是后退侧的Al在搅拌头的作用下通过搅拌进入前进侧的Mg基体中，带状组织由灰色条带和黑色条带组成，呈斜向上45°分布.
图 2 焊接接头横截面的宏观形貌
Figure 2. Macroscopic morphology of cross-section of welding joint
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图3为铝/镁异种金属FSW接头带状组织EDS面扫结果. 从图中可以看出，在铝/镁异种金属FSW接头带状组织内，Al，Mg均发生了相互扩散，彼此达到一定程度的互溶，说明接头达到了冶金结合.
图 3 铝/镁FSW接头元素分布
Figure 3. Element distribution of Al/Mg FSW joint. (a) distribution of Mg element; (b) distribution of Al element
对带状组织进一步放大观察，如图4所示. 从图可以明显看出，带状组织由明暗交替的条带组成，在条带上分布着大小不一的颗粒状IMCs. 对IMCs进行XRD物相分析，结果如图5所示. 从图中可以看出，铝/镁异种金属FSW接头中带状组织中的IMCs主要为Al12Mg17和Al3Mg2. 为了进一步对IMCs种类进行表征，对图4中IMCs进行EDS分析，结果如表1所示.
表 1 带状组织EDS分析
Table 1. EDS analysis of banded structure
点 Al元素原子分数a(％) Mg元素原子分数a(％) 相 1 59.31 34.056 Al3Mg2 2 29.31 42.43 Al12Mg17 3 31.406 45.124 Al12Mg17 4 34.35 52.8 Al12Mg17 + Al 5 10.53 70.32 Mg 
图 4 铝/镁FSW接头带状组织的微观组织
Figure 4. Microstructure of Al/Mg banded structure in FSW joint
图 5 铝/镁FSW接头带状组织XRD分析结果
Figure 5. XRD result of Al/Mg banded structure in FSW joint
从表1中可以看出，带状组织中大颗粒(点1)内Al元素含量多于Mg元素含量，通过XRD验证是Al3Mg2，小颗粒(点2)内Mg元素含量多于Al元素含量，通过XRD验证是Al12Mg17. 带状组织中颜色呈灰色的条带是铝，颜色呈暗黑色的是镁基体，灰色条带上附着IMCs颗粒. 结合图5可以得出，带状组织是由镁基体和插入镁基体中的铝合金条以及弥散分布在条带上的Al12Mg17和Al3Mg2组成.
从图4还可以看出，带状组织中Al12Mg17明显多于Al3Mg2. 这主要是因为共析反应：L→Al12Mg17 + Mg所需的最低反应温度是437 ℃，低于L→Al3Mg2 + Al的反应温度450 ℃，而FSW焊接热输入相对较低；带状组织中Mg基体相对Al片层含量较高，所形成的Al12Mg17多于Al3Mg2[15].
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图6为在焊接速度20 mm/min下，搅拌头转速分别为650，750，850 r/min时接头带状组织形貌，图6折线为接头拉伸试验的裂纹扩展路径. 从图6可以看出，铝/镁异种金属FSW接头的裂纹形核及扩展均发在与拉伸方向成45°方向上的带状组织内，这主要是因为铝/镁异种金属FSW接头在拉伸过程中45°方向上的剪应力最大[16-18]. 带状组织中脆硬的IMCs导致受载的接头变形不协调，促进裂纹形核和扩展，说明带状组织是铝/镁异种金属FSW接头最薄弱环节.
图 6 不同转速下铝/镁FSW接头裂纹扩展路径
Figure 6. Crack propagation path of Al/Mg FSW joints under different rotation speed. (a) rotating speed 650 r/min-welding speed 20 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 850 r/min-welding speed 20 mm/min
选取图6中带状组织中间区域(方框区)，对其通过SEM进行形貌分析，结果如图7所示. 图7a是转速为650 r/min，焊接速度20 mm/min下的带状组织形貌. 从图中可以看出，当转速为650 r/min时，带状组织中的条带形态长而直，IMCs数量较少. 这主要是因为转速较低，热输入较低没有达到IMCs的形成温度. 由于带状组织长而直，一旦形成微裂纹，微裂纹会迅速扩展，接头强度较低. 图7b是转速为750 r/min，焊接速度20 mm/min下的带状组织形貌，从图中可以看出，带状组织中条带呈弯曲形态，带状组织上分布IMCs. 这主要是因为转速增大，热输入增加，金属塑性流动性增大，从而形成弯曲状的带状组织. 同时，因为温度升高，促使生成较多的IMCs，即冶金结合程度增加，使得接头强度增大. 当转速增加到850 r/min时，由于热输入过大，后退侧大量的铝合金条被搅拌针带入到镁合金的基体上同时，由于温度高，生成的更多的IMCs，从而导致接头强度降低，从图8可以得到证实.
图 7 不同转速下铝/镁FSW接头带状组织的形貌
Figure 7. Morphology of Al/Mg banded structure in FSW joints under different rotation speed. (a) rotating speed 650 r/min-welding speed 20 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 850 r/min-welding speed 20 mm/min
图 8 不同转速下工程应力应变曲线
Figure 8. Engineering stress strain curves under different rotating speed
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图9分别是搅拌头转速为750 r/min不变条件下，焊接速度为10，20，35 mm/min时接头带状组织形貌. 图9折线为接头拉伸试验的裂纹扩展路径，在图9中选取带状组织中间区域(方框区)，对其通过SEM进行形貌观察，结果如图10所示.
图 9 不同焊速下铝/镁FSW接头裂纹扩展路径
Figure 9. Crack propagation path of Al/Mg FSW joints under different welding speed. (a) rotating speed 750 r/min-welding speed 10 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 750 r/min-welding speed 35 mm/min
图 10 不同焊速下铝/镁FSW接头带状组织的形貌
Figure 10. Morphology of Al/Mg banded structure in FSW joints under different welding speed. (a) rotating speed 750 r/min-welding speed 10 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 750 r/min-welding speed 35 mm/min
从图10中可以看出，当搅拌头焊接速度为10 mm/min时，单位时间搅拌头与Al/Mg板材的摩擦次数相对较多，热输入大，接头塑性流动大，降低了铝条插入到镁基体的阻力，使铝合金条变的更细，增加了Al/Mg接触面积，且热输入偏高进而生成更多的Al12Mg17和Al3Mg2，降低接头的强度；当搅拌针焊接速度为35 mm/min时，焊接速度过快，搅拌针停留时间较短，搅拌头相对搅拌次数较少，热输入较低，塑性流动差，搅拌到镁基体中的铝条较少，生成IMCs过少，接头冶金结合程度不高，导致接头抗拉强度进一步降低. 当搅拌头焊接速度为20 mm/min时，接头中带状组织细密，其上弥散分布着IMCs，此时接头达到冶金结合，所以接头抗拉强度最高，为131 MPa，从图11可以得到证实.
图 11 不同焊速下工程应力应变曲线
Figure 11. Engineering stress strain curves under different welding speed
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(1)铝/镁异种金属FSW接头WNZ中存在着明显的带状组织，带状组织是由镁基体和插入镁基体中的铝合金条以及弥散分布在条带上的IMCs组成，IMCs主要Al12Mg17和Al3Mg2.
(2)随着转速(n)的增加或焊接速度(v)的降低，带状组织的呈弯曲状、长度相对较短且呈不连续分布；当转速(n)过高或焊接速度(v)过低时，带状组织变细，但IMCs数量增多且尺寸变大.
(3)焊接工艺影响带状组织形态和IMCs尺寸及数量，进而影响铝/镁异种金属FSW接头的冶金结合程度，最终决定接头的抗拉强度；
(4)不同工艺下的铝/镁异种金属FSW接头的裂纹形核与扩展均是发生在带状组织内，带状组织是整个FSW接头最薄弱的区域.
Effect of banded structure on mechanical properties of aluminum/magnesium dissimilar metal friction stir welding joint
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摘要: 采用搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为4 mm的6061铝合金与AZ31B镁合金进行不同工艺的平板对接试验. 采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及能谱仪(EDS)对接头进行微观组织观察，采用电子万能试验机对接头力学性能进行测试. 结果表明，在接头焊核区(WNZ)中存在着明显的带状组织，带状组织是由插入镁基体中的铝合金条以及弥散分布在条带上的金属间化合物(IMCs)组成；IMCs主要为Al12Mg17和Al3Mg2；铝/镁异种金属FSW接头裂纹形核和扩展均发生在带状组织内；焊接工艺影响带状组织形态和IMCs尺寸及数量；随着转速(n)的增加或焊接速度(v)的降低，带状组织呈弯曲状，长度相对较短且呈不连续分布；当转速(n)过高或焊接速度(v)过低时，带状组织变细，但IMCs数量增多且尺寸变大；铝/镁异种金属FSW接头强度主要取决于带状组织形态和IMCs尺寸及数量.Abstract: The flat butt welding tests of different processes for 6061 aluminum alloy and AZ31B magnesium alloy with thickness of 4 mm were carried out by friction stir welding (FSW). Microstructure of the joints was observed and analyzed by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectrometer (EDS), mechanical properties of the joints were tested by electronic universal testing machine. The results show that, there are obvious banded structures in the weld nugget zone (WNZ), which are composed of aluminum slices inserted in the magnesium matrix and IMCs dispersed on the band. The types of IMCs are Al12Mg17 and Al3Mg2. Crack nucleation and propagation of aluminum/magnesium dissimilar metal FSW joints occur among the banded structure. Welding technology affects the morphology of banded structure and size and quantity of IMCs. With the increasing of rotational speed (n) or the decreasing of welding speed (v), the banded structure in the joint WNZ are curved, relatively short in length and discontinuously distributed. The banded structure becomes thinner, but the quantity of IMCs increase and the size becomes larger when the rotation speed (n) is too high or the welding speed (v) is too low. The ultimate strength of aluminum/magnesium dissimilar metal FSW joint mainly depends on the morphology of the banded structure and the size and quantity of IMCs.
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图 3 铝/镁FSW接头元素分布
Figure 3. Element distribution of Al/Mg FSW joint. (a) distribution of Mg element; (b) distribution of Al element
图 6 不同转速下铝/镁FSW接头裂纹扩展路径
Figure 6. Crack propagation path of Al/Mg FSW joints under different rotation speed. (a) rotating speed 650 r/min-welding speed 20 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 850 r/min-welding speed 20 mm/min
图 7 不同转速下铝/镁FSW接头带状组织的形貌
Figure 7. Morphology of Al/Mg banded structure in FSW joints under different rotation speed. (a) rotating speed 650 r/min-welding speed 20 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 850 r/min-welding speed 20 mm/min
图 8 不同转速下工程应力应变曲线
Figure 8. Engineering stress strain curves under different rotating speed
图 9 不同焊速下铝/镁FSW接头裂纹扩展路径
Figure 9. Crack propagation path of Al/Mg FSW joints under different welding speed. (a) rotating speed 750 r/min-welding speed 10 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 750 r/min-welding speed 35 mm/min
图 10 不同焊速下铝/镁FSW接头带状组织的形貌
Figure 10. Morphology of Al/Mg banded structure in FSW joints under different welding speed. (a) rotating speed 750 r/min-welding speed 10 mm/min; (b) rotating speed 750 r/min-welding speed 20 mm/min; (c) rotating speed 750 r/min-welding speed 35 mm/min
图 11 不同焊速下工程应力应变曲线
Figure 11. Engineering stress strain curves under different welding speed
表 1 带状组织EDS分析
Table 1. EDS analysis of banded structure
点 Al元素原子分数a(％) Mg元素原子分数a(％) 相 1 59.31 34.056 Al3Mg2 2 29.31 42.43 Al12Mg17 3 31.406 45.124 Al12Mg17 4 34.35 52.8 Al12Mg17 + Al 5 10.53 70.32 Mg 
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