轻材料联结之道：钛合金与镁合金的超声波点焊

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

«——【·前言 ·】——»

这个研究主要是探讨了超声点焊对不同合金（镁合金和钛合金）连接的影响。发现随着能量输入的增加，焊接接头的强度也增加。

而且断裂最先发生在镁合金内部，显示出焊缝界面的连接强度很高，虽然在镁合金侧的界面上观察到了一些细化的带状晶粒，但并没有发现过渡层或金属间复合层。

另外，他们发现界面温度超过了液态镁合金的温度范围。有趣的是，液态镁合金中析出的铝起到了桥接的作用帮助连接镁合金和钛合金。这一研究结果对于了解超声点焊在不同合金连接中的性能和界面特征非常有意义。

随着轻金属和合金在汽车和航空航天工业中的应用越来越多，人们想要将它们连接起来以减轻重量。但是，当焊接不同的铝/镁或铝/钛合金时，会遇到一些困难。其中一个主要问题就是会形成大量的金属间化合物，像是Al3Mg2、Al12Mg17、AlTi、AlTi3、Al3Ti等。这些化合物往往又脆又硬，会影响焊接接头的强度和可靠性。所以解决这个问题对于实现不同轻合金的连接非常重要。

这些化合物真的对关节的力学性能有很大的负面影响。所以，在焊接不同的轻合金时，最好使用固相焊接或者添加合金元件的熔焊方法，这样可以避免或减少金属之间的化合物的产生。

另一个问题是在焊接不同的镁/钛合金时，由于两种贱金属在物理、化学和冶金性能方面存在显著差异。简而言之，钛和镁之间并没有发生冶金反应，而且钛在镁中的溶解度小于0.1%。此外，钛的熔点为1668°C，而镁的沸点仅为1090°C。

«——【·实验结果·】——»

目前，在焊接不同的镁/钛基合金时，主要采用冷金属转移焊-钎焊、激光焊和搅拌摩擦焊等连接工艺。从原理上讲，超声点焊是一种低能量输入、焊接时间短的固相焊接方法，它通过将高频振动传递到表面。

通过在压力下产生的摩擦作用将两个表面连接在一起。超声焊接研究已经在类似的合金，如Al/Al、Mg/Mg、Ti/Ti以及不同材质的合金如Mg/Al和Ti/Al上进行并取得了一些成果，超声点焊有效地减少了金属之间化合物的生成，并且产生了高强度的接头。

此外，还有一些其他不同的合金或金属，例如铝、铜、铝、钢、镁和镍，已经进行了超声点焊的研究，并取得了积极的结果。

然而至今为止关于非反应性且相互不溶的镁/钛基合金之间的连接研究非常有限，没有找到与镁和钛合金的超声点焊相关的资料。

此次研究的目的就是通过超声焊接镁和钛合金，研究焊缝的强度以及焊缝界面的微观结构。

超声焊接选择了1.5毫米厚的镁合金AZ31B和1.5毫米厚的钛合金Ti6Al4V作为试样，试样的尺寸为80毫米长、25毫米宽。试样表面经过砂纸打磨，并用乙醇和丙酮进行清洗，并在连接前进行干燥。

焊接过程中，选取了10×10平方毫米尖端区域，在0.35 MPa的压力下以20 kHz频率、20μm振动振幅、30 μm振动波与200至800毫秒的焊接时间，间隔为100毫秒。

在试样的侧面钻一个直径为0.5毫米的孔，但不穿透到顶表面，并在孔中插入一个直径为0.5毫米的热电偶。然后，使用砂纸对待焊接试样的界面表面进行摩擦处理。这样实际测量位置在Ti表面下方0-0.5毫米的范围内。

为了评估接头的机械强度并确定最佳连接条件，进行了拉伸剪切试验，使用恒定的十字头速度为1毫米/分钟，在室温下进行试验测量了搭接剪切破坏载荷，为了观察接头的微观结构和断裂面，使用了光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射技术，此外还使用电子探针微区分析仪进行线扫描，以获取更详细的化学成分信息。

根据图1(a)所示，镁/钛基合金采用了7个不同的焊接时间，通过拉伸剪切试验测量的失效载荷与焊接时间的关系，一般来说，失效载荷随着焊接时间的增加而增加，并在超过600毫秒后趋于稳定。

当焊接时间为700毫秒时，平均失效载荷达到了3.8千牛顿，然而在焊接时间增加到800毫秒时，可能会产生过度的热振动联合效应，导致镁合金表面出现明显的坍塌和裂纹。

一旦裂纹开始形成，焊接接头的失效载荷显著降低。因此，尽管采用800毫秒的焊接时间时最大失效载荷可能超过4千牛顿，但观察到测量失效载荷的散点较大。据报道，通过超声波焊接产生的Mg/Mg合金接头（金块面积为8×6平方毫米）的失效载荷达到了4.2千牛顿。

图1a.接头的强度（时效荷载）

根据图1(b)的结果，初步的疲劳试验在力控制条件下进行，负载比为0.2频率为20赫兹，最大负荷水平为平均静态极限载荷的60%试验在样品分离后终止。

结果显示，在600毫秒和700毫秒的焊接时间下，疲劳寿命可超过10^4次循环。断裂模式为部分界面和部分横向厚度裂纹扩展失效，镁/钛接头的疲劳性能与镁/镁和镁/钢的超声波焊接接头非常接近。

镁和钛基合金相互之间不溶性，且在性质上存在很大差异。根据相图的信息，这两种合金很难直接连接，然而超声波焊接仍然能够在不添加任何合金材料的情况下实现高强度连接，这表明存在一系列反应改善了两种合金的连接性能。接下来的章节将详细分析接头的连接机制。

图1b（疲劳寿命）

图2(a)展示了在700毫秒焊接时间下的不同镁/钛基合金焊接接头的横截面，尽管镁和钛之间难以发生冶金反应，但镁合金与钛合金之间实现了良好的连接，焊缝中没有缺乏熔合或其他缺陷。

图2a（接头的横截面）

值得注意的是，中心界面处观察到一个带状的晶粒细化区，如图2(b)所示。当焊接时间在300至600毫秒范围内进行超声波焊接时，镁合金的界面微观结构与基体金属相似。然而，在600至700毫秒范围内的焊接时间引发了焊缝中心镁合金微观结构的变化。

图2b（接头的横截面）

图2©显示了界面处镁合金的3-4微米粒径，相较于基体金属的平均粒径30微米，明显细化了。类似的粒度细化现象也在激光焊接和电子束焊接等镁合金熔焊中观察到，这可能是由于快速冷却速率引起的。因此从界面晶粒细化的观察可以初步推断出在焊接过程中发生了镁合金的局部熔化现象。

图2c（放大200倍）

在超声波焊接和摩擦搅拌焊接过程中，界面形态是一个重要的决定焊接强度的因素，通过在复杂的焊缝界面上产生机械锁定，可以提高焊接的强度，特别是随着界面长度和互穿特征的增加。

另一方面，焊接不同的金属如镁/钢、铝/钢和铝/钛，可以在界面上产生金属间化合物层。然而，在超声波焊接中，关于镁合金界面晶粒细化的研究报道较少。

图2d（元素线扫描结果）

为了确定界面是否形成了冶金反应层，在界面上进行了元素的线扫描，结果如图2(d)所示。

在Mg/Ti基金属界面上合金元素发生了实质性的变化，但没有观察到任何元素转变层，在图2(e)中的电子背散射衍射结果也显示，镁合金和钛合金晶粒之间没有新的反应层。

这些结果表明镁合金和钛合金之间的连接发生在微观尺度上，一些关于镁/钛焊接的研究报告显示，在摩擦搅拌焊接、激光焊接和电弧。

图2e（结果）

根据拉伸剪切试验的结果，镁/钛合金超声焊接接头的界面断裂可以分为两个区域，如图3(a)和(d)所示，顶部区域约占关节区域的三分之一是骨折起始点，在钛侧的断裂表面可以看到镁合金的残留物。

图3ab（钛合金侧断裂面）

A1和B1区域的微观结构（对应于图3(b)和(e)）显示大量的解理面，类似于镁合金搭焊接头的剪切断裂。能谱分析结果（见表1中T1、T2、M1、M2的化学成分）显示，断裂面主要由镁（Mg）和铝（Al）组成，其含量与AZ31基合金接近；而钛（Ti）在Ti6Al4V侧的最大含量仅为0.9%。这些事实表明，Mg/Ti接头的断裂始于镁合金内部，这有助于解释为什么不同的Mg/Ti。

图3be（断裂面形态结果）

延伸区的断裂面也就是关节底部的2/3，从宏观上看更平滑，A2区域的微观结构显示出表面有很多凸起，凸起的尺寸约为25-50μm，接近AZ31基合金的晶粒尺寸。

能量色散谱结果表明，凸块主要由平均含有20%钛的镁组成，光滑区则由80%以上的钛和5-9%的镁组成。在断裂的镁合金侧光滑区或凹槽区中没有发现钛元素。

这些结果表明，不同的Mg/Ti基合金的焊接接头在断裂延伸区仍然具有较高的连接强度。在关节完全断裂后，部分镁合金颗粒与基质分离并留在钛合金的表面。

镁侧和钛侧断裂表面的铝含量有所不同，在钛侧光滑区域铝含量高达8.91%，超过了AZ31和T6Al4V这两种合金中的铝含量。

图3cf（断裂面）

而在镁侧光滑区域铝含量下降至1.67%，甚至低于基础镁合金AZ31的铝含量，这种化学成分分析给出了两个解释：

首先在焊接过程中，铝通过反应和迁移在焊缝界面上集中存在，作为不同Mg/Ti基合金之间连接的桥梁。

其次在断裂过程中铝从镁侧分离并附着在钛侧，导致钛侧的铝含量增加，而镁侧的铝含量减少，需要注意的是X射线衍射和横截面EBSD分析未在断裂表面发现新相的存在，可能是因为反应层过于薄X射线衍射无法检测到。

通过超声振动摩擦将Mg/Ti界面加热到一定温度，可以观察到焊接接头中部分熔融和局部精炼的镁合金颗粒以及接头处的铝浓度断裂面。

焊接过程中，焊缝界面的温度起着关键的作用，因此需要进行温度测量，温度测量装置如图4(a)所示，实际上是在焊缝界面下方0-0.5mm处进行测量（可能无法准确测量界面的温度）。

图4a（焊接界面温度）

图4(b)显示了不同焊接时间下的测量温度，可以观察到，当焊接时间为200毫秒时，峰值温度为400°C，但当焊接时间增加到700和800毫秒时，相应的峰值温度分别达到515°C和563°C。

超声波焊接是一种代表性的固相焊接方法，然而大量的研究表明焊接轻合金时焊接界面的温度可能相对较高。

图4b（测量数据）

例如已经发表的测量和模拟结果表明，在焊接铝合金时焊缝界面的温度可达到高达500°C，焊接镁合金时可达到530°C，焊接铝/钛合金时可达到517°C，焊接铝/镁合金时可达到440°C。

在这个实验中，我们测量到的峰值温度是563°C，比Mg/Al的二元共晶温度437°C高得多。此外，使用差示扫描量热法测量得到的镁合金AZ31的液相起始温度是559.2°C。所以我们可以得出一个很合理的结论，焊接界面的反应温度足够高，可以使镁合金发生液相变化。

考虑到我们测量到的温度可能低于实际界面温度，我们可以建议在焊接过程中让界面温度接近完全液化温度(628.7°C)，如图4©所示，这些分析结果表明在焊接镁/钛合金时存在部分熔化和局部液化的条件。

图4c（扫描量热法结果）

«——【·结论】——»

据报道，温度和塑性变形随着时间的增加而增加，在焊缝区域的中心达到最高值，并在远离焊缝中心的各个方向逐渐降低。

与摩擦加热相比塑性变形的程度要小得多，摩擦加热是超声波焊接中最为重要的因素。在Mg/Ti金块中除了Mg侧的界面之外微观结构没有发生变化，这意味着大部分摩擦加热作用于加热镁合金表面。

铝在Mg/Ti合金连接中起到了促进作用，特别是在镁合金晶界中，铝的存在不仅降低了晶界液化的温度，还与镁和钛发生反应实现了两种合金的冶金连接。在低能量输入下压力和摩擦产生了约400°C的界面温度。

在这个界面温度下只有镁合金的晶界达到了液态共晶温度，这是由于AZ31合金晶界上杂质的积累以及低镁铝共晶反应温度的影响，此外，晶界在重熔后形成了部分熔融区域随着焊接时间的增加界面温度也会上升。

这种情况导致更多的晶界熔化并引发大量低熔点共晶液相的析出。

当焊接接头经过拉伸剪切断裂后，部分晶粒与部分熔体区分离并留在钛合金表面上，形成断裂形态，当焊接时间进一步增加时界面温度接近镁合金完全液化的温度，导致界面产生大量液相。

由于超声波焊接时间较短液相很快冷却形成细小的颗粒，使用超声波点焊对不同的Mg/Ti合金进行连接，焊接接头的强度随焊接时间的增加而增加，但过度的热振动联合效应可能导致镁合金表面明显下陷和裂纹，从而显著降低破坏载荷。

平均最大失效载荷和失效强度接近于镁合金的焊接强度，在界面上的镁合金侧形成了带状晶粒细化。

然而元素线扫描没有观察到过渡层或金属间化合物层，由于界面连接的强度较高断裂首先发生在镁合金的内部，断裂表面分析显示铝在焊缝界面上的浓度较高。

测量的界面温度563°C超过了镁合金液相区域的温度范围，导致界面上积累了熔化的镁合金和镁合金中的铝，从液相镁合金中沉淀出来的铝在不同的镁/合金之间发挥着高强度连接的桥梁作用。