鍍鋅鋼板與6061鋁合金搭接攪拌摩擦釬焊

高鵬宇，許惠斌，李添翼，李小飛，胡盛情，周天濤，黃宏

（重慶理工大學，重慶 400054）

鋼與鋁兩種合金的復合結構對于現代制造業有降低重量、節約能源、降低生產成本等優點，在汽車、建筑、航空等領域得到了廣泛的關注[1—4]，但是，鋁與鋼之間由于存在很大的性能差異，焊后有巨大的殘余應力產生。同時硬而脆的 Fe-Al金屬間化合物如Fe3Al, Fe2Al5, FeAl3，極易在較高的焊接熱循環條件下出現，厚的金屬間化合物層容易造成裂紋[5—8]。這兩個原因共同限制了鋁-鋼復合結構在制造業中的應用。

攪拌摩擦焊是熱-機共同作用的焊接方法，塑性流動金屬相互攪拌、混合，最后形成高質量接頭[9—11]。由于焊接過程不會因金屬熔化和凝固而發生裂縫等缺陷，焊接過程能耗低、成本少、沒有空氣污染和光污染，這些優勢奠定了攪拌摩擦焊的前景[12—13]。攪拌摩擦釬焊(FSB)是在攪拌摩擦焊基礎上，在待焊工件中間加入一層薄的中間層，防止焊件基體的直接接觸，使界面金屬間化合物類型和厚度發生變化[14—15]。文中采用純Zn箔片作為FSB中間層，在不同焊接轉速下，分析了 Q235鍍鋅鋼與 6061鋁合金接頭的元素分布及力學性能。

1 試驗材料及方法

試驗材料鋼為電鍍鋅 Q235鋼板，鍍鋅量為60 g/mm2，尺寸為70 mm×50 mm×1 mm。鋁合金選用6061鋁合金，尺寸為70 mm×50 mm×2 mm。中間層材料為質量分數為99.99%的純Zn箔片，熔點為420 ℃。Zn中間層尺寸為 70 mm×20 mm，中間層厚度為0.3 mm。Q235含有質量分數為0.14%～0.30%的Si，0.14%～0.22%的C，0.30%～0.35%的Mn，余量為Fe；6061鋁合金含有質量分數為0.7%的Fe，0.4%～0.8%的 Si，0.02%～0.25%的 C，0.8%～1.2%的 Mg，0.15%的Mn，余量為Al。

焊前先用粗砂紙打磨母材待焊表面，然后用酒精清洗。以純Zn箔片作為中間層的FSB見圖1。試驗所用攪拌頭為圓柱攪拌頭。焊接參數為：焊接速度為44 mm/min，壓入量為0.5 mm，攪拌頭轉速分別為660,1320, 1750 r/min。通過德國生產的Sigma HD掃描電子顯微鏡觀察FSB接頭形貌，同時分析各微區成分。使用HVS-1000顯微硬度儀測量接頭顯微硬度，每個測量點的間距為0.1 mm，壓頭加載載荷為0.1 kN，壓頭加載時間為10 s。

圖1 加中間層攪拌摩擦釬焊Fig.1 Friction stir brazing with Zn intermediate layer

2 結果及分析

2.1 接頭在不同轉速的宏觀形貌

不同轉速下接頭宏觀SEM見圖2。660 r/min轉速焊接時，中心界面處為一層厚的Zn過渡層，而攪拌針邊緣位置未被攪拌，近界面處鋁合金中出現大的孔洞。轉速為1320 r/min情況下，FSB界面中心區域的Zn過渡層變薄，以波浪狀沿界面分布。此時更大量流動的Zn進入到焊縫，在塑性流動階段與Al反應，生成熔點較低的Zn-Al共晶合金，此時攪拌區域金屬流動性變好，高效的填充攪拌針前進側留下的空隙，使近縫區鋁合金中的孔洞減小。當攪拌頭轉速達到1750 r/min時，界面處的Zn只剩下較薄的一層Zn聚集層，大量的Zn隨著攪拌針流動進入到近縫區鋁合金中，形成大片的Zn聚集區域，近界面鋁合金中只有小孔洞出現。

圖2 不同轉速下宏觀接頭SEMFig.2 SEM of joint microstructure at different rotational speed

2.2 接頭在不同轉速微觀形貌與元素分布

不同轉速下接頭微觀 SEM 見圖 3。采用較小660 r/min時，攪拌頭軸肩對6061鋁合金待焊表面摩擦較少，焊接輸入熱不足。界面處有部分區域未熔合。根據圖3d線能譜元素分布可知，近界面鋁合金焊縫區主要由Zn元素組成，界面處有少量Fe元素。由圖3a點1可知，此時界面處可能生成Fe-Zn10。在轉速1320 r/min情況下，近界面鋁合金攪拌更加劇烈，一層薄的過渡層在界面出現。根據圖 3e線能譜元素分布可知，過渡層 Fe-Al-Zn三種元素發生相互擴散。同時根據3b點2可知，少量的Al被攪拌針帶到界面處，此時界面可能有Fe-Zn與Fe-Al兩種類型的金屬間化合物。沒有出現未熔合區域與裂紋等缺陷，結合良好。采用高轉速1750 r/min時，此時鋁合金焊縫混合更加劇烈，界面過渡層極薄，根據圖 3f線能譜元素分布可知，過渡層存在著 Fe-Al-Zn三種元素之間的擴散。根據圖3c中點3可知，界面檢驗出更多的Al元素與Fe元素。由于有更多的Fe-Al金屬間化合物生成，界面硬度梯度增加，在殘余應力作用下，過渡層中間層產生裂紋缺陷。其中，點 1中 Zn和 Fe的原子數分數分別為91%和9%，點2中Zn, Al, Fe的原子數分數分別為80.29%, 3.54%, 16.17%，點3中Zn, Al, Fe的原子數分數分別為 71.49%, 5.66%,20.25%。

圖3 不同轉速下接頭微觀形貌SEM與線掃描Fig.3 SEM of microstructure joint and line scan at different rotational speed

2.3 接頭在不同轉速下的最大平均拉剪力

轉速對接頭平均最大拉剪力的影響見圖4。隨著攪拌頭旋轉速度增加，FSB接頭最大拉剪力先增加后降低。當轉速為1320 r/min時，FSB接頭平均拉剪力達到最大，為2.33 kN。這是因為在較低的攪拌頭轉速情況下，熱輸入較低，元素擴散不充分，界面有未結合區域。在轉速較高的情況下，界面生成更多硬而脆的Fe-Al金屬間化合物，致使過渡層中出現微裂紋，接頭強度降低。在適當的轉速下，界面結合良好。

圖4 不同轉速下接頭平均最大拉剪力Fig.4 Maximum average tensile shear force at different rotational speed

2.4 接頭顯微硬度

不同轉速下接頭顯微硬度見圖5，隨著攪拌頭轉速增加，界面處的顯微硬度逐漸增加，界面處Zn元素含量隨之降低。由于低轉速情況下，界面有較厚的Zn過渡層。靠近界面的6061鋁合金與界面處的顯微硬度較低，界面生成物為硬度較低的Fe-Zn金屬間化合物。隨著轉速增加，硬度較高Fe-Al金屬間化合物在界面生成，同時界面過渡區域顯微硬度梯度增加，近縫區鋁合金與界面顯微硬度增加。

圖5 接頭不同區域顯微硬度Fig.5 Hardness of different zones in joint

3 結論

在 Zn中間層下通過 FSB連接 6061鋁合金與Q235鍍鋅鋼。分析在不同轉速下FSB接頭形貌組織及力學性能，得到以下結論。

1)當攪拌頭轉速增加時，更多Zn元素進入近縫區鋁合金中，增強了鋁合金塑性流動時的流動性，能更好地填充攪拌頭前進側孔洞，致使鋁合金近縫區孔洞減少。

2)轉速為660 r/min情況下，界面產生一層較厚的過渡層，界面金屬間化合物為 Fe-Zn10，部分區域未結合。轉速增加到1320 r/min時，過渡層厚度降低，界面由Fe-Zn和Fe-Al金屬間化合物構成，此時界面連接較好。轉速為1750 r/min時，界面處Fe, Al元素含量升高，近界面過渡層出現裂紋。

3)隨著攪拌頭轉速增加，鍍鋅鋼/鋁合金接頭最大平均拉剪力先增加后減小，界面處顯微硬度增加，硬度梯度增加。1320 r/min轉速情況下，FSB接頭平均拉剪力最大，為2.33 kN。

[1]魏艷妮, 李京龍, 熊江濤, 等. 鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊及其研究進展[J]. 精密成形工程, 2015, 7(5): 34—39.WEI Yan-ni, LI Jing-long, XIONG Jiang-tao, et al. Aluminum/Steel Dissimilar Metal Friction Stir Welding and Its Research Progress[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2015, 7(5): 34—39.

[2]MA J, HAROONI M, CARLSON B, et al. Dissimilar Joining of Galvanized High-strength Steel to Aluminum Alloy in a Zero-gap Lap Joint Configuration by Two-pass Laser Welding[J]. Materials & Design, 2014, 58(6): 390—401.

[3]YANG S, ZHANG J, LIAN J, et al. Welding of Aluminum Alloy to Zinc Coated Steel by Cold Metal Transfer[J]. Materials & Design, 2013, 49: 602—612.

[4]苗玉剛, 曾陽, 王騰, 等. 基于 BC-MIG 焊的鋁/鋼異種金屬增材制造工藝[J]. 焊接學報, 2015, 36(7): 5—8.MIAO Yu-gang, ZENG Yang, WANG Teng, et al. Aluminum/Steel Dissimilar Metal Additive Manufacturing Process Based on BC-MIG Welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2015, 36(7): 5—8.

[5]BOUCHé K, BARBIER F, COULET A. Intermetallic Compound Layer Growth Between Solid Iron and Molten Aluminum[J]. Materials Science & Engineering A, 1998,249(1/2): 167—175.

[6]SU Y, HUA X, WU Y. Effect of Input Current Modes on Intermetallic Layer and Mechanical Property of Aluminum-steel Lap Joint Obtained by Gas Metal Arc Welding[J].Materials Science & Engineering A, 2013, 578(31): 340—345.

[7]DONG Hong-gang, LIAO Chuan-qing, CHEN Guo-qing,et al. Butt Joining of Aluminum to Steel by Arc Brazing Process[J]. Advanced Manufacturing Processes, 2012, 27(12):1392—1396.

[8]MOVAHEDI M, KOKABI A H, REIHANI S M S, et al.Effect of Annealing Treatment on Joint Strength of Aluminum/Steel Friction Stir Lap Weld[J]. Materials & Design,2013, 44(1): 487—492.

[9]COELHO R S, KOSTKA A, SANTOS J F D, et al. Friction-stir Dissimilar Welding of Aluminum Alloy to High Strength Steels: Mechanical Properties and their Relation to Microstructure[J]. Materials Science & Engineering A,2012, 556: 175—183.

[10]CHEN Z W, YAZDANIAN S, LITTLEFAIR G. Effects of Tool Positioning on Joint Interface Microstructure and Fracture Strength of Friction Stir Lap Al-to-Steel Welds[J].Journal of Materials Science, 2013, 48(6): 2624—2634.

[11]趙小強, 許新猴, 華鵬, 等. 6061鋁基碳化硅復合材料攪拌摩擦焊工藝研究[J]. 精密成形工程, 2015, 7(4):53—56.ZHAO Xiao-qiang, XU Xin-hou, HUA Peng, et al. Research on Friction Stir Welding Technology of 6061 Aluminum Carbide Composite[J]. Netshape Forming Engineering, 2015, 7(4): 53—56.

[12]LEITAO C, ARRUTI E, ALDANONDO E, et al. Aluminum-steel Lap Joining by Multipass Friction Stir Welding[J]. Materials & Design, 2016, 106: 153—160.

[13]ELREFAEY A, GOUDA M, TAKAHASHI M, et al. Characterization of Aluminum/Steel Lap Joint by Friction Stir Welding[J]. Journal of Materials Engineering & Performance, 2005, 14(1): 10—17.

[14]ZHANG G F, ZHANG K, GUO Y, et al. A Comparative Study of Friction Stir Brazing and Furnace Brazing of Dissimilar Metal Al and Cu Plates[J]. Metallography Microstructure & Analysis, 2014, 3(4): 272—280.

[15]ZHANG G F, ZHANG K, ZHANG L J, et al. Approach to Disrupting Thick Intermetallic Compound Interfacial Layer in Friction Stir Brazing (FSB)of Al/Cu Plates[J]. Science& Technology of Welding & Joining, 2014, 19(7): 554— 559.