鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊研究進展

黃永憲，黃體方，萬龍，劉鑫

（哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊研究進展

黃永憲，黃體方，萬龍，劉鑫

（哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

由于鋁、鋼的物理化學性質存在巨大差異，鋁/鋼的連接是焊接領域的難點問題。攪拌摩擦焊是低熱輸入的固態連接方法，能夠有效控制鋁/鋼金屬間化合物的生長，且攪拌針強烈的攪拌作用可增加鋁/鋼異種材料機械咬合程度，得到高質量的鋁/鋼焊接接頭，鋁/鋼攪拌摩擦焊已經成為了焊接領域的熱點問題。文中綜述了鋁/鋼攪拌摩擦焊國內外研究現狀，涉及到接頭形式、焊縫成形、焊接工藝和力學性能，著重介紹了鋁/鋼攪拌摩擦焊接頭的連接機制，并圍繞鋁/鋼攪拌摩擦焊存在的兩大問題，對鋁/鋼攪拌摩擦焊新技術進行總結，并進一步提出了鋁/鋼攪拌摩擦焊的基礎研究方向。

鋁/鋼；攪拌摩擦焊；焊縫成形；工藝；性能；連接機制

采用輕量化材料，例如采用鋁/鋼異種金屬復合結構代替鋼結構，是實現汽車輕量化的有效途徑之一。本田雅閣轎車車門及副車架結構采用鋁/鋼異種金屬復合結構，比采用純鋼材的輕25%，極大提高了燃油效率[1]。由于鋁/鋼異種金屬復合結構在汽車車身輕量化方面存在巨大潛力，實現鋁/鋼異種金屬之間的有效連接成為了各大汽車廠家的迫切需求。

由于鋁、鋼在物理和化學性質上的巨大差異，鋁/鋼異種金屬的連接一直是焊接領域的難點。其焊接的難點主要有以下 4點：① 鋁和鋼的熔點存在巨大差異，使得在焊接過程中兩者的熔化不同步，易導致熔合不良的缺陷，同時鋁的密度低于鋼，在兩者都熔化的前提條件下，熔化的鋁將浮在鋼的上面，冷卻時結晶不同步，最終接頭的化學成分分布不均勻，影響接頭質量；② 鋁的線膨脹系數及熱導率都遠遠大于鋼，這將影響焊接過程中熱量的傳導和材料的伸縮變形，使最終的接頭留有較大殘余應力，加劇裂紋傾向；③鋁易被氧化，特別是在熱輸入較大、溫度較高的焊接過程，鋁表面難熔的 Al2O3氧化膜易造成焊縫夾渣，影響材料的熔合[2]；④ Al和Fe之間的互溶度極低，在焊后冷卻時，Fe與Al易形成Fe2Al5, FeAl3等硬脆富鋁金屬間化合物，影響焊接質量。以上焊接難點在采用熔化焊方法焊接鋁/鋼異種金屬接頭時表現得尤為突出，難以獲得高質量的鋁/鋼異種材料接頭。攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是一種固相連接技術，其焊接熱輸入明顯低于熔化焊，能夠有效控制界面處金屬間化合物的生長；同時還能夠降低焊接應力[3]，減小裂紋產生的傾向，是實現鋁/鋼高質量連接的有效方法。由于對鋁/鋼異種金屬連接的迫切需求，以及攪拌摩擦焊在鋁/鋼連接方面的獨特優勢，鋁/鋼攪拌摩擦焊已經成為了焊接領域的熱點問題。文中從鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊的焊縫成形、焊接工藝、力學性能和連接機制等方面進行綜述，討論了基于傳統攪拌摩擦焊方法改進的適用于鋁/鋼連接的新方法，并在此基礎上提出了鋁/鋼攪拌摩擦焊基礎研究方向。

1 接頭形式與焊縫成形

1.1 對接接頭

在攪拌摩擦焊過程中，前進側與后退側的材料變形程度不同，兩側溫度也會存在差異。鋁、鋼兩種金屬的物理性質差異較大，兩種金屬的相對擺放位置會直接影響焊縫質量。Won-Bae等人[4]認為將鋁放在后退側，鋼放在前進側利于得到高質量接頭，這是因為在這樣的放置方式下，塑性鋁合金更容易與鋼發生混合形成接頭；而邢麗等人[5]發現將鋼置于后退側得到的焊縫質量優于置于前進側得到的焊縫。

鋁/鋼攪拌摩擦焊對接接頭的典型形貌見圖1[6]。接頭被分為 7個區域，分別為鋼側母材區(St-BM)、鋼側熱機影響區(St-TMAZ)、鋼側熱影響區(St-HAZ)、焊核區(WNZ)、鋁側熱機影響區(Al-TMAZ)、鋁側熱影響區(Al-HAZ)和鋁母材區(Al-BM)。鋁、鋼兩側的熱機影響區和熱影響區的輪廓與尺寸存在較大差異。在焊核區發現了大量的鋼屑，這是由于在攪拌針剪切作用下，部分鋼進入鋁側形成的。

圖1 鋁/鋼攪拌摩擦焊對接接頭[6]Fig.1 Al/steel friction stir butt joint

1.2 搭接接頭

鋁/鋼搭接時多采用鋁在上、鋼在下的接頭形式[7—11]。這是由于鋼的硬度一般大于鋁合金，焊具作用在上層，鋁合金更易使鋁發生變形，促進鋁、鋼間的原子擴散，同時也有利于減小焊具磨損。接頭橫截面宏觀包括攪拌區(WNZ)、熱機影響區(TMAZ)、熱影響區(HAZ)、鋁-鋼界面區(IZ)和母材(BM)5 個部分，見圖 2[7]。REST等人[12]創新性地采用鋼在上、鋁在下的方式，實現了鋁、鋼的連接。無針攪拌頭在鋼上表面高速旋轉產生的高溫使下層的鋁合金發生部分熔化，最終在界面處生成厚度約2.5 μm的FeAl3與Fe2Al5，接頭強度較高。

1.3 點焊接頭

攪拌摩擦點焊可以分為傳統攪拌摩擦點焊[13—14]和回填式攪拌摩擦點焊[15—16]。傳統的攪拌摩擦點焊過程分為下壓、保壓、提出3個階段，最后會在點焊處留下匙孔。回填式攪拌摩擦點焊依靠焊接工作部的三部分（壓緊環、攪拌針和外套）的相對運動，可實現無匙孔的攪拌摩擦點焊。攪拌摩擦點焊接頭形貌見圖3。

圖2 鋁/鋼搭接攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌[1—3]Fig.2 Macrostructure of Al/steel friction stir lap joint

圖3 鋁/鋼攪拌摩擦點焊接頭形貌[13,16]Fig.3 Macrostructure of Al/steel friction stir spot joint

2 焊接參數與力學性能

相比于同種材料的攪拌摩擦焊，異種材料攪拌摩擦焊的焊接參數更為復雜，如圖4所示。轉速、焊速、攪拌針壓入量、攪拌頭偏移距離等參數直接影響攪拌頭的產熱、焊接過程溫度和材料的變形程度，進而影響界面處鋁和鋼的混合程度、反應程度和金屬間化合物的生長，并進一步影響到接頭性能。

圖4 鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊焊接參數[21]Fig.4 Dissimilar Al/steel friction stir welding parameters

在攪拌摩擦焊對接中，攪拌頭的偏向以及攪拌頭中心線與鋁/鋼界面的距離是影響接頭質量的重要參數[17—20]。YAZDIPOUR等人[17]指出，當攪拌頭剛剛接觸鋼，或者完全在鋁合金一側時，界面出現了連續的孔洞，拉伸強度低。這是因為攪拌頭只作用在鋁側，對鋼幾乎沒有攪拌作用，材料流動差，易在界面處產生孔洞。當偏移量為 0.4 mm，即攪拌針小部分在鋼側，大部分在鋁側時，接頭強度最高。

對于鋁/鋼搭接形式的攪拌摩擦焊，攪拌針壓入鋼的深度是影響接頭性能的關鍵因素[21]。攪拌針插入鋼中一定深度有利于形成強度更高的接頭[13]，因為此時鋁/鋼界面處存在的機械互鎖結構能夠提高接頭承載能力。過大的壓入深度會導致接頭中缺陷數量的增大及金屬間化合物厚度的增大，從而導致接頭力學性能的降低[22]。

3 連接機制

攪拌摩擦焊過程是復雜的熱、力耦合過程，存在原子間的互擴散和物理化學反應，這是形成鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊接頭冶金連接的基礎。除了冶金連接，鋁/鋼接頭攪拌摩擦焊接頭中還可能存在機械連接。FEREIDUNI等人[13]發現在鋁/鋼攪拌摩擦搭接接頭中，攪拌針未扎入鋼中時，接頭連接機制只有冶金連接，而在攪拌針扎入鋼中時，接頭中同時存在冶金連接和機械連接。

3.1 冶金連接

研究表明，攪拌摩擦處理過程中發生劇烈的塑性變形可促進元素的形變誘導擴散，使元素擴散速率增大 1000倍[23]。鋁/鋼攪拌摩擦焊過程中也會發生鋁/鋼異種原子間的互擴散過程，并發生物理化學反應，實現鋁/鋼之間的冶金連接，反應產物主要為非晶相和金屬間化合物，如圖5所示。非晶相是由于鋁合金和鋼在攪拌摩擦焊過程中發生強烈塑性變形并混合，在高溫的情況下發生金屬合金化的產物[24—25]。相比于非晶相，金屬間化合物更為常見，是實現鋁/鋼冶金連接并影響接頭性能的關鍵因素。

圖5 鋁/鋼攪拌摩擦焊接頭冶金結合特征Fig.5 Metallurgical bonding features in Al/steel friction stir welds

3.1.1 金屬間化合物的形核和長大機制

Fe在Al中溶解度很小，不易形成固溶體，但易形成硬脆的Fe-Al金屬間化合物。鋁/鋼攪拌摩擦焊易產生的金屬間化合物有Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5以及 FeAl3(Fe4Al13)[26—28]。DAS 等人[29]根據已有文獻對Al-Fe金屬間化合物的形成機制進行總結，將金屬間化合物的生長過程分為 3個階段：① 第一階段為金屬間的反應階段，首先形成的相是低熔點共晶相；②第二階段為共晶相與金屬或者共晶相之間反應生成新相，Fe4Al13形成所需要的能量最低，因此在這一階段主要生成Fe4Al13；③ 第三階段為Fe4Al13與Fe繼續反應生成含鐵量更高的金屬間化合物，在高溫環境下對鋁/鋼進行長時間擴散處理下，最先生成的Fe2Al5會與Fe反應生成了FeAl和Fe3Al相[30]。

3.1.2 金屬間化合物的種類、厚度的影響

按照元素組成，Al-Fe金屬間化合物可以分為兩類：富鐵金屬間化合物，主要包括FeAl和Fe3Al，以及富鋁金屬間化合物，主要包括包括FeAl2, Fe2Al5和FeAl3[31]。這兩類 Al-Fe金屬間化合物對于接頭性能的影響是不同的。生成Fe2Al5相的AA5754/22MnB5接頭的結合強度弱于生成 FeAl相的 AA5754/DP600接頭[26]。這是因為富鋁金屬間化合物為硬脆相，而富鐵金屬間化合物呈現出更高的強韌性[32]。

此外，金屬間化合物的厚度對于鋁/鋼接頭的力學性能也會產生重要影響。研究表明當金屬間化合物的厚度低于某閾值時，金屬間化合物不會對接頭質量產生有害影響，甚至會改善接頭強度[33—36]。BOZZI等人[34]在研究Al 6016/IF-steel攪拌摩擦點焊時發現，當金屬間化合物層厚度為8 μm時候接頭強度最高，而厚度為42 μm的接頭在受力情況下，裂紋優先從金屬間化合物層萌生并擴展，導致接頭強度降低。

3.1.3 金屬間化合物的控制

焊接參數可直接關系到焊接熱輸入和材料變形程度，影響原子的擴散速率，進而影響金屬間化合物的形核和長大。調節轉速、焊速等焊接參數可實現對金屬間化合物的調控。KITTIPONG等人[37]發現焊速的降低和轉速的增加會導致接頭中FeAl3層厚度的增加和接頭力學性能的下降?？刂平饘匍g化合物生長的另外一種途徑是在接頭中添加Zn元素，例如添加鋅金屬[38]或者使用鍍鋅鋼板[16,39—40]。添加鋅金屬得到的6061鋁合金與316不銹鋼搭接接頭界面處沒有生成金屬間化合物，且接頭力學性能比未添加Zn元素的接頭更高[38]。這是因為 Zn元素的添加能夠促進Al-Zn低熔共晶相在鋁/鋼界面處形成，改善了鋁與鋼的潤濕性[39]。

3.2 機械連接

鋁/鋼攪拌摩擦焊接頭中的機械連接主要是通過界面處被攪拌的鋼與鋁合金間的機械互鎖實現的。這類結構特征主要包括鉤狀結構，旋渦結構和鋼表面弧形紋結構，如圖6所示。

圖6 鋁/鋼攪拌摩擦焊接頭界面處的機械連接結構Fig.6 Mechanical interlock structures at the interface of Al/steel friction stir joints

鉤狀結構是在搭接接頭中，由于攪拌頭與鋼接觸，攪拌針邊緣作用的鋼在摩擦作用下軟化，并在壓力和離心力的作用下被擠出，進入到鋁合金層中形成鉤狀的形貌[13]。漩渦結構是部分鋁、鋼材料在攪拌頭強烈剪切作用下流動，混合并反應，形成的鋁、鋼及兩者的金屬間化合物交替錯落分布的結構[41]。鋼表面弧形紋是由于攪拌針周期性旋轉前進，作用于鋼上表面形成均勻分布的弧形結構，在接頭縱截面上體現為周期性分布的凹凸不平的形貌[37]。在接頭拉伸剪切測試中，這些結構能夠承擔部分載荷，提高接頭的承載能力。POURALI等人[42]在研究焊接參數與接頭連接機制的關系時，發現低焊速情況下，機械結合是鋁/鋼接頭最主要的連接機制。

4 鋁/鋼攪拌摩擦焊接新技術

通過焊具設計和焊接工藝的優化，已經可以得到成形和性能均良好的鋁/鋼攪拌摩擦焊接頭。常規的鋁/鋼攪拌摩擦焊仍然存在一些問題，主要為焊具磨損和連接強度仍有待提高。為此，一系列的攪拌摩擦焊新技術被開發出來以更加適應鋁/鋼焊接的需求。

4.1 焊具磨損的解決措施

常規的攪拌摩擦焊方法在焊接鋁鋼復合結構時存在著焊具磨損的問題。焊具磨損，不僅帶來焊具的過快報廢問題，還容易導致焊接過程不穩定，進而接頭性能難以保證的嚴重問題。為了減輕焊具磨損的問題，有人希望通過提前預熱鋼合金，軟化鋼合金，從而減小攪拌頭的磨損[43]。復合的方法包括電熱輔助攪拌摩擦焊[44]、激光輔助攪拌摩擦焊[45—46]和電弧輔助攪拌摩擦焊[47]，見圖7。

圖7 外加能源輔助攪拌摩擦焊Fig.7 Additional energy assisted friction stir welding

電熱輔助攪拌摩擦焊通過施加額外的電阻熱，能夠幫助減小焊接阻力，減緩焊具磨損，同時能夠促進厚度較小的金屬間化合物層的形成。原因是因為電流促進了Al與Fe原子的擴散速度，降低了生成金屬間化合物的化學反應生成焓[44]。將點狀激光[45]或電弧[47]放在攪拌頭前方一定距離提前預熱鋼表面，接頭強度可達到了鋁母材的93%，并有效減輕攪拌頭的磨損。

除了外加輔助熱源攪拌摩擦焊外，國內外學者開發出了刮擦式、銑刀式[48—49]、無攪拌針式焊具，如圖8所示。針對厚度不超過2 mm的鋁板，可采用無攪拌針焊具進行鋁/鋼異質金屬的搭接和點焊，僅通過軸肩與上部材料表面的摩擦，而無針的探入效果，從而避免了攪拌針的磨損問題[25,50—51]。張貴峰等[52]提出攪拌摩擦釬焊的方法，采用無攪拌針柱狀焊具摩擦上層的鋁合金，利用鋁合金導熱快的特點和界面預置中間層的冶金反應，實現上/下界面的連接，由于低熔點釬料層的引入，解決了焊具壓入深度和熱輸入的問題，解決了焊具磨損的問題。

圖8 不同類型的攪拌頭結構設計Fig.8 Different shapes of stir-welding heads

4.2 接頭強度的提高

提高鋁/鋼異種材料接頭承載能力主要有兩種渠道。其一為提高冶金連接或機械連接的結合強度；其二為增大鋁/鋼結合面積。WILLIAM 等人[53—54]提出了攪拌摩擦擠壓新方法實現鋁/鋼異種材料連接。攪拌摩擦擠壓新方法是在攪拌頭不接觸下層鋼板，只作用于上層鋁板，驅使塑性鋁合金進入鋼側預先加工的溝槽內，從而形成單純的機械連接，避免了金屬間化合物的形成，同時避免了焊具磨損問題。黃永憲等人[55]提出了自鉚接攪拌摩擦焊新方法制備鋁/鋼搭接接頭，攪拌摩擦焊過程中，上層塑性鋁合金流入下層鋼板的預制孔內，形成了自鉚接結構，同時，攪拌針下端略接觸鋼表面，在鋁/鋼界面處生成了金屬間化合物，從而同時實現了鋁/鋼搭接接頭的機械連接和冶金連接，接頭結合強度也比傳統鋁/鋼攪拌摩擦焊強度有所提高。增大鋁/鋼結合面積也是提高接頭承載能力的有效渠道。陳迎春等人[56]在研究鋁/鋼點焊過程中，采用攪拌頭沿圓周運動增大鋁/鋼接頭結合面積的方式得到了高質量的鋁/鋼點焊接頭。郭偉強[57]開發膨大式攪拌頭，增大了鋁/鋼搭接面積，得到的接頭承載能力比常規鋁/鋼搭接接頭提高了37%。

5 結論與展望

鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊研究表明，異種材料攪拌摩擦焊的焊接工藝相比于同種材料焊接更為復雜。在對接接頭中，鋁、鋼的相對位置以及攪拌針的偏向和偏移距離是影響焊縫成形的關鍵因素；在搭接和點焊接頭中，鋁、鋼的相對位置以及攪拌針在鋼側壓入量的選擇是得到高質量接頭的重要因素。通過優化工藝參數，可以獲得焊縫成形良好、內部無缺陷的高質量接頭。鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊接頭的連接機制包括冶金連接和機械連接。鋁/鋼的冶金連接是通過界面處的無定型相和金屬間化合物實現的。通過優化焊接工藝，可以實現對金屬間化合物種類和厚度的調控，從而盡可能地提高接頭的冶金結合強度。鋁/鋼的機械連接是通過界面處的鉤狀結構、旋渦結構和表面弧形紋這些機械互鎖結構實現的，且機械互鎖結構有利于提高接頭的承載能力。針對目前鋁/鋼異種材料攪拌摩擦焊仍然存在焊具磨損和接頭強度仍有待提高的問題，一系列新技術被開發出來以緩解甚至解決這些問題。然而，關于攪拌摩擦焊過程中原子的擴散行為及強形變作用對于原子擴散的影響還缺乏足夠的證據表征和理論研究，這是將來需要進一步深入開展的研究方向。

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Research Progress of Dissimilar Friction Stir Welding between Aluminium and Steel

HUANG Yong-xian,HUANG Ti-fang,WAN Long,LIU Xin
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The joining of aluminum and steel is a great challenge in the field of welding due to large differences in physical and chemical properties of aluminum alloy and steel. Friction stir welding (FSW) is a solid-state joining method with low-heat input, which can effectively control the growth of Al/Fe intermetallic compounds and the strong stirring effect of pin can enhance the mechanical interlocking at aluminum/steel interface. High quality aluminum/steel dissimilar joints could be obtained by friction stir welding. FSW of aluminum/steel has become a hot issue in the field of welding. The research situation of aluminum/steel friction stir welding at home and abroad was presented in this paper, which was involved joint configuration, weld formation, welding process and mechanical properties. Particular emphasis was given to the joining mechanism of aluminum/steel joint by FSW. Based on the two existing problems in Al/steel FSW, new technologies based on traditional FSW were summarized. Furthermore, the trend of foundation research on aluminum/steel FSW was discussed.

aluminum/steel; friction stir welding; weld formation; process; property; joining mechanism

2017-11-16

國家自然科學基金(51575132)；國家商用飛機制造工程技術研究中心創新基金(COMAC-SFGS-2016-33214)

黃永憲（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向為攪拌摩擦焊。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.003

TG457

A

1674-6457(2018)01-0023-08