鋁鋼異種材料攪拌摩擦搭接焊接工藝

張忠科，胥春龍，于 洋，王希靖

（蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

鋁鋼異種材料攪拌摩擦搭接焊接工藝

張忠科，胥春龍，于 洋，王希靖

（蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

以3 mm厚的5A02與1 mm厚的DP600攪拌摩擦搭接接頭為研究對象，研究搭接次序與微觀組織、金屬間化合物、力學性能以及斷裂形式的關系。結果表明，在摩擦熱循環(huán)作用下，焊縫金屬先達到塑性狀態(tài)，隨后塑性金屬發(fā)生再結晶形成四個不同的區(qū)域；XRD物相分析表明，焊縫處有AlFe和Al13Fe4金屬間化合物生成；接頭的顯微硬度分布近似成M型；接頭的拉伸強度達到了鋁母材拉伸強度的38.3％，拉伸斷裂位置都發(fā)生在鋁鋼搭接界面處，鋼在上側斷裂方式主要為脆性斷裂，而鋁在上側時的斷裂方式以韌性斷裂為主。

攪拌摩擦焊；DP600；微觀組織；力學性能；金屬間化合物

1 試驗方法

1.1 實驗材料

選用材料為退火態(tài)Al-Mg系5A02防銹鋁，測得其抗拉強度為217 MPa，斷后伸長率23％；鋼母材為具有馬氏體和鐵素體雙相組織的鍍鋅雙相鋼DP600，其屈服強度大于等于340 MPa，抗拉強度600 MPa，伸長率大于等于24％。母材的化學成分見表1。

表1 實驗用DP600和5A02的化學成分％

1.2 焊接方法

實驗分兩組進行，分組及焊接參數(shù)如表2所示，保持焊接速度和下壓量相同。焊后對焊接接頭進行金相分析、XRD物相分析、顯微硬度測試和靜態(tài)拉伸-剪切實驗，運用掃描電鏡觀察拉伸后的斷口。

表2 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)

2 實驗結果及分析

2.1 金相顯微組織分析

母材金相組織如圖1所示，光學顯微照片如圖2所示。比較轉速為600 r/min和1 000 r/min的光學顯微照片發(fā)現(xiàn)，隨著轉速從600r/min增加到1000r/min，鋼側HAZ、TMAZ和WN區(qū)域晶粒明顯長大，這是由于隨著轉速增加，熱輸入增大，導致晶粒長大，即在其他參數(shù)不變的條件下（焊接速度、下壓量等），晶粒隨著轉速的增大而長大[5-6]。隨著轉速的增大，鋁側HAZ、TMAZ和WN區(qū)域晶粒明顯長大，原因與上述鋼側的分析相同。對于鋁上鋼下，鋼側和鋁側也有相同規(guī)律，即隨著轉速增加，晶粒明顯長大。

圖1 母材金相組織

2.2 XRD物相分析結果

Y.C.Chen等人在攪拌針未扎入鋼板的前提下，進行了AC4C鋁合金和鍍鋅低碳鋼板連接，發(fā)現(xiàn)焊接速度對抗拉強度和斷裂位置影響較大，且斷裂發(fā)生在界面遺留的鋅與金屬間化合物之間，金屬間化合物的主要相組成為Al5Fe2和Al13Fe4[7-8]。在鋁-鋼攪拌摩擦焊接過程中，母材與焊核之間都發(fā)生了元素的擴散。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，鋼在鋁中溶解度極小，室溫下幾乎不溶于鋁中，但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硬脆的Fe-Al金屬間化合物，這對接頭性能極為不利[9-10]。在塑性狀態(tài)下焊接時，兩種材料激烈混合并呈現(xiàn)渦流狀交迭形態(tài)，在界面處能夠形成金屬鍵結合。

使用D/Max-2400型X射線衍射儀對轉速為800 r/min的鋼上鋁下和鋁上鋼下的焊縫截面都進行物相分析，得到的X射線衍射波譜波形幾乎一樣，只是強度不同，如圖3所示，說明僅僅是物質的含量不同。采用jade軟件分析得到焊縫中除了有鋁和鋼外，兩個試樣中金屬間化合物以AlFe和Al13Fe4為主。在350℃～450℃持續(xù)時間很短的情況下，鋁和鐵很難發(fā)生化合反應，但是由于攪拌針的劇烈攪拌作用，兩種材料激烈混合，極大加速了化合反應。另外，發(fā)現(xiàn)鋁和鋼的波峰與標準樣品的波峰有所偏離，其原因可能是在攪拌摩擦焊過程中焊縫材料經歷了較大塑性變形，使兩種金屬晶格發(fā)生了畸變[11]。

圖2 不同轉速下的光學顯微組織

圖3 800 r/min鋁上鋼下和鋼上鋁下X射線衍射波形

2.3 顯微硬度試驗結果

鋼母材處硬度為110～120 HV，鋁母材處硬度為50 HV。由于焊核區(qū)形成了金屬間化合物AlFe和Al13Fe4，并且該區(qū)發(fā)生了強烈的塑性變形導致加工硬化，從而使鋁和鋼從母材到焊縫中心硬度升高，如圖4和圖5所示。在“釘子”附近的硬度最高，這可能是因為“釘子”附近的鋼和鋁的混合最為充分，形成的金屬間化合物多于焊縫中心部位的；接頭的顯微硬度值在焊縫中心兩側的分布趨勢基本對稱，但后退側的顯微硬度值略高于前進側，這是前進側和后退側的金屬在焊接過程中的變化及流動不一致所致。在后退側，組織致密，畸變能增加，加工硬化現(xiàn)象較焊縫前進側明顯[12]，并且在焊縫的后退側，金屬的塑性流動性好于前進側，生成的金屬間化合物多于前進側，其塑性變形也比前進側充分。由圖4可知，鋁側沒有出現(xiàn)接頭軟化現(xiàn)象，熱影響區(qū)的硬度均在50 HV以上，而在常規(guī)的熔焊方法中，鋁合金焊接熱影響區(qū)均會出現(xiàn)不同程度的軟化現(xiàn)象，這說明攪拌摩擦焊焊接鋁鋼時，可避免鋁側接頭的軟化。

2.4 焊接接頭拉伸性能試驗結果

通過拉伸-剪切實驗來評估焊接接頭的力學性能，最大剪切載荷與轉速的關系如表3、圖6所示，最大載荷出現(xiàn)在800 r/min鋁上鋼下的情況下；鋁上鋼下時的抗剪強度普遍高于鋼上鋁下時的強度。

圖4 鋁上鋼下鋁側硬度分布

圖5 鋼上鋁下鋼側硬度分布

表3 最大剪切載荷與轉速的關系

圖6 最大剪切載荷與轉速關系

2.5 斷口形貌分析

拉伸斷裂都發(fā)生在鋁鋼的搭接界面金屬間化合物之間，如圖7所示。兩種斷口形貌都包含了韌性和脆性兩種斷裂形貌，當鋼在上側時其斷裂形貌主要為脆性斷裂形貌，而鋁在上側時以韌性斷裂形貌為主。在切應力的作用下出現(xiàn)了拋物線狀的韌窩，剪切韌窩的方向指向裂紋源，而其反方向為裂紋的擴展方向，并且韌窩拋物線偏向左邊，說明拉伸斷裂時剪應力的方向是向左的，并且這種剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的剪切唇區(qū)。

圖7 鋁板斷口形貌

3 結論

（1）在拉伸-剪切試驗中，斷口都出現(xiàn)在搭接界面處，鋁上鋼下的力學性能明顯優(yōu)于鋼上鋁下的力學性能。

（2）FSW搭接接頭組織中，焊核區(qū)晶粒最細小，熱影響區(qū)的晶粒比熱機影響區(qū)和焊核區(qū)的晶粒都要大；在其他參數(shù)不變的條件下，晶粒隨著轉速的增大而長大。

（3）鋁鋼搭接界面處有AlFe和Al13Fe4金屬間化合物生成。

（4）接頭的顯微硬度分布近似成M型，焊核區(qū)的硬度比母材大很多；在“釘子”附近的硬度高于焊縫中心區(qū)域的硬度。

（5）通過斷口形貌分析，鋁上鋼下的斷裂形式主要為韌性斷裂，并且斷口中出現(xiàn)了拋物線狀的剪切韌窩。

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Processing analysis of friction stir lap welding of aluminum and steel

ZHANG Zhongke，XU Chunlong，YU Yang，WANG Xijing
（Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology State，Lanzhou 730050，China）

The welding of a lap joint of dissimilar aluminum alloy 5A02 plate of 3mm thickness and DP600 steel plate of 1 mm thickness was carried out by friction stir welding to investigate the correlation of the welding lap sequence，the microstructure，intermetallic compound，mechanical properties and fracture mode.The results show that，under the effect of thermal cycle in the friction，weld metal reaches plastic state，and the plastic metal recrystallization.Microstructure analyses show that the cross section of FSW joint can be divided into four different areas.The result of XRD shows that inter-metallic compound AlFe and Al13Fe4 has produced in the weld.The distribution of the micro-hardness of joint approximately belongs to M type.The shear strength of the joint reaches a maximum of 38.3％of the aluminum alloy.Tensile-shear fracture occurs in the aluminum and steel lap weld interface，fracture mode mainly for brittle fracture when steel in the upper，and fracture mode mainly for ductile fracture when aluminum in the upper.

friction stir welding；DP600；microstructure；mechanical properties；intermetallic compound

TG457.1

A

1001-2303（2016）10-0014-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.03

0 前言

獻

張忠科，胥春龍，于洋，等.鋁鋼異種材料攪拌摩擦搭接焊接工藝[J].電焊機，2016，46（10）：14-18.

2016-04-01；

2016-05-23

國家自然科學基金項目（51265030）；甘肅省自然科學基金項目（2014GS03264）

張忠科（1978—），男，山東濟南人，副教授，博士，主要從事焊接設備及其自動化，新型連接技術等方面的研究工作。

在工業(yè)領域中，鋁鋼異種金屬復合結構同時發(fā)揮兩種材料各自的性能，并具有輕質化、高強度等優(yōu)點。鋁鋼異種材料組成的復合結構在保證安全的前提下，可以有效地減輕結構質量，在航空航天、交通運輸、船舶制造等領域得到了廣泛的應用。然而如何解決鋁-鋼異種材料間的可靠連接是決定其安全使用的關鍵問題[1]。鋁合金和鋼異種金屬的連接也成為焊接領域的一個熱點和難點[2]。采用傳統(tǒng)熔焊方法進行鋁鋼異種金屬連接時，極易生成金屬間化合物，嚴重影響了接頭的力學性能，甚至不能形成連續(xù)的焊縫[3]。攪拌摩擦焊是一種固相連接技術，焊接過程中能有效避免金屬間化合物的產生及氣孔、裂紋等缺陷，因此通過攪拌摩擦焊工藝實現(xiàn)鋁和鋼相對較好的連接并滿足使用要求[4]。