鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊及其研究進展

魏艷妮，李京龍，熊江濤，張賦升

(1.西安理工大學材料科學與工程學院，西安 710048;2.西北工業大學摩擦焊接陜西省重點實驗室，西安 710072)

異種金屬的連接一直是現代制造業的熱門課題[1—4]，尤其是具有互補的物化特性，以鋁合金為代表的密度小、導熱快的低熔點金屬，與不銹鋼等耐腐蝕性好、耐高溫氧化及強度高的高熔點金屬的復合連接技術更是關注的焦點[5—9]。鋁具有材質輕、導電導熱強、易延展、耐腐蝕、可回收等優良的物理化學性能，而鋼的發展已經經過了近百年的歷程，鋁和鋼都是公認的使用最為廣泛的基礎金屬材料。鋁與鋼異種材料連接結構綜合了兩種材料的優良性能，可以有效減輕結構件的質量，且具有較高的強度和出色的抗腐蝕性;既節省了材料，又提高了系統結構的可靠性[10]，因而在航空航天、空間技術、核工業、微電子、汽車、石油化工等領域得到了廣泛的應用。如美國的DeltaⅣ火箭貯箱制造、日本的H2B火箭的推進劑貯箱、推進器的導管結構、熱管結構、中子探測器、粒子加速器中均涉及鋁與不銹鋼焊接結構。然而，無論在熱物理性能(如熔點、熱導率、線膨脹系數等)方面，還是在材料力學性能方面，較大差異導致的異質金屬連接困難、接頭性能差一直都是研究的核心點。

針對鋁及鋁合金和鋼異種金屬焊接，國內外有許多學者從事過相關研究工作，幾乎涵蓋了現有的全部焊接方法，常見的有摩擦焊(慣性摩擦焊及連續驅動摩擦焊)以及攪拌摩擦焊、擴散焊、熔釬焊等。本文重點論述鋁及鋁合金和鋼異種金屬的攪拌摩擦焊方法。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute，TWI)于1991年發明的一種新型固相連接技術，它適用于連接同質或異質的多種結構材料，自問世以來受到了人們的廣泛關注[11—14]。其原理為攪拌頭在軸向壓力的作用下與工件緊密接觸，通過旋轉攪拌頭與工件間摩擦產生的熱量使金屬發生軟化，在攪拌針機械攪拌的作用下金屬發生流動同時攪拌頭沿著一定的方向前進，形成接頭。其優點主要表現在:工藝裕度大，允許對接間隙容差0.1t(t為板厚);焊縫表觀好，焊后工件表面平整，無明顯焊縫凸起和焊滴，無需后續表面處理;力學性能好，疲勞、斷裂及彎曲等性能明顯優于熔化焊，且接頭力學性能各向同性[15]。由于FSW有以上的諸多優點，使得它一被發明就立即掀起了研究的熱潮，并很快就被投入到工業化應用之中，相關機理研究也越來越受到重視。文中將從接頭形式、工藝參數、力學性能及界面組織等方面介紹鋁/鋼攪拌摩擦焊的研究現狀。

1 鋁/鋼FSW接頭形式

一般而言，利用攪拌摩擦焊方法可以實現的接頭形式如圖1所示[12]。其中最基本的接頭形式為對接和搭接，分別如圖1a和圖1d所示，其余幾種接頭形式均可由上述兩種焊接形式組合而成。

1.1 鋁/鋼FSW對接的工藝實現

圖1 FSW接頭形式[12]Fig.1 Joint configuration for FSW

對于鋁/鋼異種金屬的攪拌摩擦焊而言，由于熔點差別較大(鋁合金約為600℃，鋼約為1400℃)，為了防止鋁一側過熱，采用攪拌頭偏置的方法，即攪拌頭的中心線偏向鋁一側，攪拌針仍有少量可以接觸到鋼基體，以實現鋼一側的變形。Liu等人[16]用此方法實現了6061-T6和TRIP 780/800高強鋼的連接，圖2所示為其FSW的焊接過程裝配圖及其橫斷面視圖，可以看出“Tool offset”就是攪拌頭中心線偏離焊縫中心的距離。

圖2 FSW裝配示意圖[16]Fig.2 Schematic of the FSW configuration view perpendicular to the weld line(unit:mm)

1.2 鋁/鋼FSW搭接的工藝實現

利用FSW的方法制備異質金屬的搭接接頭的思想很早已經被許多研究者提出，并作了大量實驗性工作。2007年，Chen等人[17]首先利用FSW 的方法研究了AC4C鑄鋁和AZ31鎂合金的搭接接頭的制備，在攪拌針不接觸底部AZ31鎂合金的前提條件下，AC4C鑄鋁和AZ31鎂合金可以被成功焊接;之后，Chen等人[18]也作了AC4C鑄鋁與鋅涂層鋼的的攪拌摩擦搭接，同樣是在攪拌針不接觸底部金屬時，通過中間界面反應層來實現連接，得到的最高接頭強度為50 MPa;同樣，ADC12鋁合金和純鈦的攪拌摩擦搭接接頭被成功獲得，接頭拉伸強度最高可以達到ADC12鋁合金基體的62%[19]。

可以發現，針對鋁/鋼異質搭接實驗，在攪拌針不接底部金屬時，焊接強度不能得到有效提升。Xiong等人[20]和 Wei[21]等人提出采用切削攪拌針，設計了凹面軸肩(材料為高速鋼W18Cr4V)與切削攪拌針(硬質合金旋轉銼，標準件)配合形成的攪拌頭，進行1060Al和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的FSW搭接，接頭拉剪強度達到95 MPa，超過Al母材的拉剪強度，搭接試樣斷裂位置處于鋁的攪拌摩擦熱影響區。切削攪拌針的結構及組成如圖3所示。

圖3 攪拌頭結構[20]Fig.3 Structure of welding tool

2 鋁/鋼FSW工藝參數

2.1 攪拌頭

攪拌頭是FSW過程中的核心部件，其設計是FSW過程工藝中最重要的環節之一。攪拌頭的優劣決定了FSW過程能否擴大待焊材料的種類和提高待焊材料的板厚范圍，同時也是FSW獲得高質量接頭的前提[22—23]。國內外文獻都有一些攪拌頭的設計綜合性的論述，但由于該焊接方法的技術保密性，詳細的設計原則不得而知。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構成。攪拌頭的尺寸及形狀決定了焊縫的尺寸、焊接速度和強度;攪拌頭的材料決定了摩擦加熱的速率、攪拌頭的強度和焊接溫度，而焊接溫度則最終決定了FSW焊接材料的范圍[24]。

常規的FSW中攪拌頭的2個主要作用是產生熱量和使材料流變。攪拌頭最初旋入時，熱量主要來源是攪拌針與工件的摩擦，另外一些熱量則來自于材料的變形。攪拌頭旋入工件中直到攪拌頭軸肩與工件緊密接觸，軸肩與工件間的摩擦產生很大的熱量。攪拌頭的第二個作用是攪拌和移動材料，因此，攪拌頭設計也決定了材料加工后的微觀結構的規則和特性。

2.2 工藝參數

攪拌頭的轉速(ω，r/min)是影響FSW熱源的主要因素之一，當轉速較低時，產生的摩擦熱不足以使材料塑化，不能實現固相連接;隨著轉速的提高，摩擦熱逐漸增大，熱塑性流動層由上而下逐漸增大，孔洞逐漸減小直至消失，形成致密的攪拌區域。轉速過高將導致攪拌針周圍以及軸肩下面的材料過熱，影響焊縫成形。根據所加工材料、板厚及焊接速度的不同，轉速通常在 200～2000 r/min之間[25—26]。焊接速度(v，mm/min)是攪拌摩擦加工中攪拌頭在工件中向前移動的速度。若焊接速度過低，攪拌頭所產生的熱量使焊接溫度過高，焊核區金屬的溫度達到或超過熔點，易產生液化裂紋，若焊接速度過高，所產生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達到塑化狀態，因此，應根據待焊材料、板厚及轉速選擇合適的焊接速度[27]。

其中熱量的輸入主要取決于轉速(ω)和焊接速度(v)的比值，但如果ω/v的值過大，熱輸入接近材料的熔點，易致焊縫金屬過于塑化，影響了焊縫金屬的流動，不能形成良好接頭。大量研究結果表明，提高熱輸入時會增加鋁鋼金屬間化合物層厚度，明顯降低焊接接頭性能。另外，當旋轉速度較低或者行進速度較大時，焊縫區熱輸入較小，攪拌針周圍材料(尤其鋼側)沒有充分塑化，無法實現鋁-鋼的攪拌摩擦焊接，可能出現“吻接”等缺陷。目前，鋁-鋼攪拌摩擦焊研究中，針對材料的不同，主要的工藝參數也有所區別。

Liu等人[16]研究了6061-T6和 TRIP 780/800高強鋼的FSW，優化的工藝參數為轉速1800 r/min，焊接速度60 mm/min。并且發現焊接速度對焊接壓力、溫度分布、材料應變速率和金屬間化合物層有顯著影響，但過高的焊接速度會縮短高溫周期，從而使化合物層厚度減小;提高旋轉速度，可以明顯提高整個接頭的溫度分布，降低攪拌頭前進的軸向及徑向的阻力，同樣也可以影響化合物層厚度。Ramachandran等人[28]在只改變焊接速度的條件下研究了AA5052鋁合金與HSLA鋼FSW工藝，圖4所示的是固定轉速時，不同焊接速度條件下的焊縫外觀形貌，在40 mm/min時，焊縫成形最好。

圖4 轉速500 r/min下不同焊接速度時的焊縫外觀[28]Fig.4 Photographic view of a typical set of FSW joints

3 鋁/鋼FSW界面組織

3.1 微觀形貌

焊接過程伴隨著熱量的傳導，焊接接頭及母材由于輸熱量的不同而發生組織的變化。圖5所示的是Liu等人[16]獲得的典型的鋁/鋼攪拌摩擦焊對接接頭的橫截面圖。界面結合良好，一層連續的鋼屑從基體剝離并鑲嵌進鋁基體中，體現了FSW過程中材料的流動形式。

圖5 鋁/鋼對接接頭的典型橫截面形貌[16]Fig.5 Typical optical macro image of the butt weld cross section[16]

圖6所示的是Xiong等人[20]獲得的典型的鋁/鋼FSW搭接接頭的橫截面形貌圖。當攪拌針進入底部不銹鋼，利用切削攪拌頭底部側刃對下部不銹鋼表面進行銑削、清潔，活化其待焊面，并且使不銹鋼有強烈塑性變形，增加金屬界面接觸面積。

圖6 鋁/鋼搭接接頭的典型橫截面形貌Fig.6 Typical optical macro image of the lap weld cross section

3.2 界面生成物

鋁/鋼攪拌摩擦焊無論是在對接接頭還是在搭接接頭中，接觸界面上都發生了元素的遷移擴散。由于鋁原子活性比鐵原子相對活躍，鋁向鋼側遷移相對充分。受攪拌針的激烈攪拌擠壓力，焊核中存在很多鋼的碎片，鋼和鋁不但能形成固溶體，還可以形成金屬間化合物，在鐵中的鋁都形成了金屬間化合物FeAl3等。圖7所示為Shen等人[27]獲得的Al5754鋁合金與DP600鋼的攪拌摩擦焊搭接接頭微觀形貌，分別是接頭全貌、焊合區邊緣和焊合區中心，可以看出界面各處均生成了明顯的金屬間化合物層。在塑性狀態下焊接時，兩種材料激烈混合并呈現渦流狀交迭形態。在界面處能夠形成金屬鍵合，鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭的金屬間化合物一般有 FeAl，FeAl3和 Fe2Al5等[29—32]。

圖7 鋁/鋼接觸界面擴散生成物Fig.7 Diffusion and IMC on aluminum/steel interface

4 鋁/鋼FSW接頭強度

4.1 接頭拉伸性能

在鋁/鋼的攪拌摩擦焊中，可以實現接頭的拉伸強度接近鋁母材的強度，在合適的工藝參數下拉伸強度甚至高于母材。拉伸斷裂一般發生在焊核和鋼側熱機影響交界面處，由于產生了硬脆性的金屬間化合物，因此一般以脆性斷裂為主。接頭中硬脆性金屬間化合物的含量直接影響著接頭的強度，接頭拉伸強度隨金屬間化合物厚度的增長而降低。金屬間化合物的形成和焊接熱輸入有緊密的聯系，熱輸入增大加速脆性化合物的形核和長大，提高了鋁-鋼交界面脆性化合物的含量，最終降低了接頭的拉伸性能，如圖8所示[33]。

圖8 IMC厚度和拉伸強度的關系Fig.8 An interlaced structure on the Al/steel interface

王美芬[34]進行了建筑用304L不銹鋼與5083鋁合金的異質攪拌摩擦焊試驗，結果表明，異質攪拌摩擦焊接頭的室溫抗拉強度達248 MPa，分別是5083鋁合金和 304L不銹鋼母材室溫抗拉強度的92%，47%;接頭的室溫伸長率達11%，分別是5083鋁合金和304L不銹鋼母材室溫伸長率的92%，26%。Uzun等人[35]報道了4 mm厚的6013-T4鋁合金與304不銹鋼的攪拌摩擦焊接頭強度可達到鋁基體的70%。Ghosh等人[32]獲得的純鋁與304不銹鋼的攪拌摩擦焊接頭強度達到了鋁基體的82%。Tanaka等人[36]在焊接速度為100 mm/min，轉速在400～1200 r/min之間攪拌摩擦焊接了7075-T6鋁合金與低碳鋼，最高拉伸強度可達到333 MPa，約為鋁基體的60%。

4.2 微觀硬度

單一材料焊縫斷面的橫向微觀硬度分布通常為“W”形，而異種材料焊縫的微觀硬度從鋁合金一側向不銹鋼一側分布出現突變，呈“階躍”特征。如圖9所示[37]，微觀硬度峰值出現在緊鄰熱機影響區的偏不銹鋼一側，偏不銹鋼鋼一側熱機影響區的焊縫邊緣硬度值也較高，雖低于鋼一側的硬度值，但遠高于焊核區和鋁合金一側的硬度值。鋁-鋼對接接頭焊核區的平均硬度比母材鋁合金高且分布不均勻，原因是焊縫中金屬間化合物分布不均，其存在的地方硬度遠比鋁合金母材高。焊核區組織的微觀硬度低于母材304L不銹鋼，但高于母材5A06-H112鋁合金，說明鋁-鋼異種金屬攪拌摩擦焊對接對材料有硬度強化作用。鋁側熱影響區硬度較母材有所降低，呈軟化趨勢，其原因可能是焊接過程中熱循環作用下組織發生了變化。

圖9 接頭微觀硬度分布Fig.9 Joint micro hardness distribution

5 展望

由于鋁和鋼焊接時易形成脆性金屬間化合物，以及鋁合金表面頑固的氧化膜使鋁和鋼的連接具有較大的難度，攪拌摩擦焊通過摩擦擠壓有效去除鋁合金表面的氧化膜，可以較好地控制兩種材料間的脆性物質層的厚度，尤其適合于鋁合金和鋼管盤類零件之間的焊接。目前，通過攪拌摩擦焊方法，可以實現鋁/鋼對接和搭接的良好焊接，在優化工藝參數條件下，可獲得與鋁母材等強的接頭，然而，界面處金屬間化合物的控制還需進一步深入研究，以保證其對接頭性能處于最佳影響狀態。

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