AZ31镁合金与纯铜之间的不同摩擦搅拌焊接：从宏观到微观尺度的演变机制

《Journal of Magnesium and Alloys》：Dissimilar friction stir welding between AZ31 magnesium alloy and pure copper: Evolution mechanism from macro to micro scales

本文通过控制热输入和材料变形混合，采用镁铜异种材料摩擦搅拌焊（FSW）技术获得高强度接头。实验结合数值模拟，揭示了工具偏移条件（OS-Cu10）下热-力-流耦合机制，发现94%以上热量由接触摩擦产生，最大温度710 K低于镁铜共晶温度，形成0.5-2.5 μm连续且致密的Mg2Cu和MgCu2中间相层，使接头强度达124 MPa，优于现有文献方法。

　　镁和铜（Mg/Cu）的高质量连接一直是焊接和连接技术的一大挑战，主要由于大多数传统焊接方法会导致有害的金属间化合物（IMCs）过度生成，进而引发严重的材料变形和热裂。本研究通过控制热输入并增强异质材料的变形与混合，采用摩擦搅拌焊接（FSW）技术实现了AZ31镁合金与T2铜的连接，并通过实验与数值方法相结合，揭示了该过程在宏观和微观尺度上的机制。首先，提出了一个基于过程的接触边界模型，用于精确描述工具与再分布的异质Mg/Cu材料之间的界面条件。其次，通过使用Mg-RS/Cu-AS配置，获得了无缺陷的Mg/Cu FSW接头。当工具偏移量为1.0 mm时，搅拌区的最大温度为710 K，低于Mg-Cu二元体系的最小共晶温度（约750 K）。第三，由于Mg和Cu的流动应力差异超过5倍，导致了向上和向下的材料转移，以及Mg和Cu在旋转工具作用下的不同流动沉积行为，最终造成Mg/Cu界面的延伸。IMCs层的厚度变化范围为0.5–2.5 μm，其形成源于不同位置的温度、速度和应变率演化不一致。观察到了Mg?Cu和MgCu?两种IMC相，其中Mg?Cu层首先生成，生长速度更快，最终比MgCu?层更厚。此外，一个拉长且连续的IMCs层有助于实现超过124 MPa的Mg/Cu连接强度，这比文献中的报道结果显著提升。

现代工业中，多材料结构组件的应用变得至关重要，因为它们可以充分发挥不同材料的优势，从而有助于节能减排和轻量化设计。镁（Mg）是密度仅为铝的2/3、钢的1/4的最轻金属，具有高比强度、阻尼性能、生物相容性、良好的储氢能力以及电池中的高理论比容量等物理和化学特性。铜（Cu）则因其优异的导电性和导热性、良好的塑性、可加工性和耐腐蚀性而受到关注。因此，Mg-Cu双金属结构在汽车工业、电子设备和电器中被广泛应用。然而，Mg-Cu结构的使用需要高性能的焊接或连接工艺，以确保其结构完整性和力学性能。传统的熔焊工艺，如钨极惰性气体保护焊（TIG）、激光焊（LBW）、激光-TIG混合焊和冷金属过渡焊（CMT）等，尽管在某些情况下被采用，但由于Mg和Cu材料属性差异显著，往往导致IMCs的大量生成、严重的板形畸变和加热裂纹。此外，许多研究集中在搭接接头配置，并使用Fe或Zn作为中间层，但接头强度仍受到限制。因此，低热输入的固态连接技术，如扩散焊（DB）、超声波点焊（USW）和摩擦搅拌焊（FSW），成为异质Mg/Cu连接的可行替代方案。这些技术几乎涵盖了所有关于Mg/Cu焊接和连接的已发表文献。

摩擦搅拌焊（FSW）利用高转速的工具产生热量，引发材料的塑性变形、流动和混合，这使其在异质金属连接中尤为实用。其低热输入的特性不仅限制了IMCs的形成，还减少了大多数焊接缺陷。工具驱动的材料变形有助于形成足够的锁合结构，从而提升异质接头的性能。在过去二十年中，FSW技术已成功应用于异质Al/钢、Al/Mg、Al/Ti、Al/Cu、Mg/钢、Mg/Ti和Ti/钢等材料的连接。然而，关于Mg/Cu的FSW研究仍较为有限，尚无系统性的过程机制分析。因此，有必要对Mg/Cu FSW过程中接头外观、微观结构（特别是界面处的IMCs）以及力学性能进行综合研究，并结合热生成、温度分布、材料变形、流动和混合的耦合现象进行深入探讨。

在本研究中，通过实验与数值方法相结合，对AZ31镁合金与纯铜的异质FSW进行了深入研究。实验部分考虑了多种工具旋转方向和偏移条件，以获得无缺陷的Mg/Cu接头并实现最高强度。随后，对Mg/Cu界面处的IMCs进行了详细表征。开发了一个基于CFD的三维耦合热-机械模型，并通过体积分数（VOF）技术跟踪异质Mg/Cu界面。该模型还应用了自适应热源模型和边界条件，以精确预测工具与工件界面的接触状态。模型结合了热响应、过程中的异质材料流动和混合行为，计算结果与实验测量数据进行了验证。特别是，基于界面处的数值演化结果，讨论了IMCs的形成与生长机制，以及其厚度变化。最终，揭示了异质Mg/Cu FSW在宏观和微观尺度上的过程机制。

研究发现，Mg/Cu FSW过程中，工具偏移量为1.0 mm至Cu-AS时，获得了缺陷较少的接头，并实现了超过124 MPa的连接强度，这一数值显著高于文献中其他焊接方法的报道结果。实验结果显示，工具偏移量对接头质量有显著影响。当工具偏移至Mg侧（如OS-Mg10和OS-Mg05）时，接头强度较低，而偏移至Cu侧（如OS-Cu05和OS-Cu10）时，接头强度显著提高。特别是在OS-Cu10条件下，接头强度达到124 MPa，这主要归因于工具对Cu的更大变形作用，从而促进了Mg和Cu之间的材料交互。然而，拉伸试验中所有接头的断裂位置均位于Mg/Cu界面，表明该界面是接头中最薄弱的区域。因此，后续研究聚焦于OS-Cu10条件下的接头形成与性能。

在数值模拟中，通过VOF技术跟踪了Mg/Cu界面的演化过程，并结合工具偏移量为1.0 mm至Cu-AS的条件，对热生成和温度分布进行了分析。研究发现，FSW过程中约94%的热量来自工具与工件界面的接触摩擦，而仅约6%的热量来自Mg/Cu异质材料在剪切层内的塑性变形。工具偏移量为1.0 mm时，搅拌区的最大温度为710 K，低于Mg和Cu的熔点，以及Mg-Cu二元体系的最小共晶温度（约750 K）。此外，温度分布显示出不对称性，其中Mg-RS（退行侧）下的温度高于Cu-AS（前进侧）下的温度，且在Mg-RS区域，靠近工件表面的温度比靠近底部的温度高出15–25 K，而在Cu-AS区域，靠近表面的温度比靠近底部的温度高出10–15 K。随着距离工具的增加，Mg-RS和Cu-AS基材的温度下降速度不同，导致厚度方向上的温度差逐渐减小。

在Mg/Cu异质材料流动方面，研究发现，Mg的流动应力远低于Cu，这表明Mg比Cu更容易流动。在工具旋转过程中，Mg和Cu的流动路径和沉积位置受到工具偏移量和旋转方向的影响。例如，在工具偏移至Cu-AS的情况下，Mg从RS（退行侧）流向AS（前进侧），而Cu则从AS流向RS。Mg在工具旋转作用下向上流动，而Cu则向下流动。这种流动行为导致了Mg/Cu界面的拉伸，同时也影响了IMCs层的形成与生长。此外，Mg和Cu在不同位置的流动路径和时间间隔不同，导致了IMCs层厚度的不均匀分布。

在微观结构方面，通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对Mg/Cu界面处的IMCs进行了详细分析。研究发现，Mg?Cu和MgCu?两种IMC相均存在，其中Mg?Cu层首先生成，生长速度更快，最终比MgCu?层更厚。此外，一个拉长且连续的IMCs层有助于实现较高的连接强度。通过分析不同位置的IMCs层厚度，研究发现其变化主要由温度、速度和应变率的演化过程决定。这些参数的不一致导致了不同的反应强度和塑性变形时间，从而影响了IMCs层的厚度分布。同时，Mg?Cu层的生长常数远高于MgCu?层，这使得其厚度显著增加。

通过实验与数值方法的结合，研究揭示了Mg/Cu FSW过程的演化机制。在宏观尺度上，Mg和Cu的流动行为、界面拉伸和IMCs层的形成与生长被详细分析。在微观尺度上，IMCs的形成顺序、厚度变化及其对连接强度的影响被深入探讨。研究还发现，Mg?Cu相由于其较低的活化能和较高的生长常数，比MgCu?相更易形成且更厚。这些结果为Mg/Cu异质连接的优化提供了理论依据和实验支持，为未来的材料连接技术发展提供了新的思路和方法。