鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊及其研究進(jìn)展

魏艷妮，李京龍，熊江濤，張賦升

(1.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048;2.西北工業(yè)大學(xué)摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

異種金屬的連接一直是現(xiàn)代制造業(yè)的熱門(mén)課題[1—4]，尤其是具有互補(bǔ)的物化特性，以鋁合金為代表的密度小、導(dǎo)熱快的低熔點(diǎn)金屬，與不銹鋼等耐腐蝕性好、耐高溫氧化及強(qiáng)度高的高熔點(diǎn)金屬的復(fù)合連接技術(shù)更是關(guān)注的焦點(diǎn)[5—9]。鋁具有材質(zhì)輕、導(dǎo)電導(dǎo)熱強(qiáng)、易延展、耐腐蝕、可回收等優(yōu)良的物理化學(xué)性能，而鋼的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近百年的歷程，鋁和鋼都是公認(rèn)的使用最為廣泛的基礎(chǔ)金屬材料。鋁與鋼異種材料連接結(jié)構(gòu)綜合了兩種材料的優(yōu)良性能，可以有效減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，且具有較高的強(qiáng)度和出色的抗腐蝕性;既節(jié)省了材料，又提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性[10]，因而在航空航天、空間技術(shù)、核工業(yè)、微電子、汽車(chē)、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如美國(guó)的DeltaⅣ火箭貯箱制造、日本的H2B火箭的推進(jìn)劑貯箱、推進(jìn)器的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)、熱管結(jié)構(gòu)、中子探測(cè)器、粒子加速器中均涉及鋁與不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)。然而，無(wú)論在熱物理性能(如熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等)方面，還是在材料力學(xué)性能方面，較大差異導(dǎo)致的異質(zhì)金屬連接困難、接頭性能差一直都是研究的核心點(diǎn)。

針對(duì)鋁及鋁合金和鋼異種金屬焊接，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者從事過(guò)相關(guān)研究工作，幾乎涵蓋了現(xiàn)有的全部焊接方法，常見(jiàn)的有摩擦焊(慣性摩擦焊及連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊)以及攪拌摩擦焊、擴(kuò)散焊、熔釬焊等。本文重點(diǎn)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，F(xiàn)SW)是英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute，TWI)于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，它適用于連接同質(zhì)或異質(zhì)的多種結(jié)構(gòu)材料，自問(wèn)世以來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)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(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌頭與工件間摩擦產(chǎn)生的熱量使金屬發(fā)生軟化，在攪拌針機(jī)械攪拌的作用下金屬發(fā)生流動(dòng)同時(shí)攪拌頭沿著一定的方向前進(jìn)，形成接頭。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:工藝裕度大，允許對(duì)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(wú)明顯焊縫凸起和焊滴，無(wú)需后續(xù)表面處理;力學(xué)性能好，疲勞、斷裂及彎曲等性能明顯優(yōu)于熔化焊，且接頭力學(xué)性能各向同性[15]。由于FSW有以上的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它一被發(fā)明就立即掀起了研究的熱潮，并很快就被投入到工業(yè)化應(yīng)用之中，相關(guān)機(jī)理研究也越來(lái)越受到重視。文中將從接頭形式、工藝參數(shù)、力學(xué)性能及界面組織等方面介紹鋁/鋼攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的接頭形式如圖1所示[12]。其中最基本的接頭形式為對(duì)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(duì)接的工藝實(shí)現(xiàn)

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

對(duì)于鋁/鋼異種金屬的攪拌摩擦焊而言，由于熔點(diǎn)差別較大(鋁合金約為600℃，鋼約為1400℃)，為了防止鋁一側(cè)過(guò)熱，采用攪拌頭偏置的方法，即攪拌頭的中心線偏向鋁一側(cè)，攪拌針仍有少量可以接觸到鋼基體，以實(shí)現(xiàn)鋼一側(cè)的變形。Liu等人[16]用此方法實(shí)現(xiàn)了6061-T6和TRIP 780/800高強(qiáng)鋼的連接，圖2所示為其FSW的焊接過(guò)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(shí)現(xiàn)

利用FSW的方法制備異質(zhì)金屬的搭接接頭的思想很早已經(jīng)被許多研究者提出，并作了大量實(shí)驗(yàn)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(shí)，通過(guò)中間界面反應(yīng)層來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，得到的最高接頭強(qiáng)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(qiáng)度最高可以達(dá)到ADC12鋁合金基體的62%[19]。

可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)鋁/鋼異質(zhì)搭接實(shí)驗(yàn)，在攪拌針不接底部金屬時(shí)，焊接強(qiáng)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(shè)計(jì)了凹面軸肩(材料為高速鋼W18Cr4V)與切削攪拌針(硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼，標(biāo)準(zhǔn)件)配合形成的攪拌頭，進(jìn)行1060Al和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的FSW搭接，接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)到95 MPa，超過(guò)Al母材的拉剪強(qiáng)度，搭接試樣斷裂位置處于鋁的攪拌摩擦熱影響區(qū)。切削攪拌針的結(jié)構(gòu)及組成如圖3所示。

圖3 攪拌頭結(jié)構(gòu)[20]Fig.3 Structure of welding tool

2 鋁/鋼FSW工藝參數(shù)

2.1 攪拌頭

攪拌頭是FSW過(guò)程中的核心部件，其設(shè)計(jì)是FSW過(guò)程工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一。攪拌頭的優(yōu)劣決定了FSW過(guò)程能否擴(kuò)大待焊材料的種類(lèi)和提高待焊材料的板厚范圍，同時(shí)也是FSW獲得高質(zhì)量接頭的前提[22—23]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)都有一些攪拌頭的設(shè)計(jì)綜合性的論述，但由于該焊接方法的技術(shù)保密性，詳細(xì)的設(shè)計(jì)原則不得而知。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成。攪拌頭的尺寸及形狀決定了焊縫的尺寸、焊接速度和強(qiáng)度;攪拌頭的材料決定了摩擦加熱的速率、攪拌頭的強(qiáng)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(guī)的FSW中攪拌頭的2個(gè)主要作用是產(chǎn)生熱量和使材料流變。攪拌頭最初旋入時(shí)，熱量主要來(lái)源是攪拌針與工件的摩擦，另外一些熱量則來(lái)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(chǎn)生很大的熱量。攪拌頭的第二個(gè)作用是攪拌和移動(dòng)材料，因此，攪拌頭設(shè)計(jì)也決定了材料加工后的微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)則和特性。

2.2 工藝參數(shù)

攪拌頭的轉(zhuǎn)速(ω，r/min)是影響FSW熱源的主要因素之一，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，產(chǎn)生的摩擦熱不足以使材料塑化，不能實(shí)現(xiàn)固相連接;隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱逐漸增大，熱塑性流動(dòng)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(qū)域。轉(zhuǎn)速過(guò)高將導(dǎo)致攪拌針周?chē)约拜S肩下面的材料過(guò)熱，影響焊縫成形。根據(jù)所加工材料、板厚及焊接速度的不同，轉(zhuǎn)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(dòng)的速度。若焊接速度過(guò)低，攪拌頭所產(chǎn)生的熱量使焊接溫度過(guò)高，焊核區(qū)金屬的溫度達(dá)到或超過(guò)熔點(diǎn)，易產(chǎn)生液化裂紋，若焊接速度過(guò)高，所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周?chē)慕饘龠_(dá)到塑化狀態(tài)，因此，應(yīng)根據(jù)待焊材料、板厚及轉(zhuǎn)速選擇合適的焊接速度[27]。

其中熱量的輸入主要取決于轉(zhuǎn)速(ω)和焊接速度(v)的比值，但如果ω/v的值過(guò)大，熱輸入接近材料的熔點(diǎn)，易致焊縫金屬過(guò)于塑化，影響了焊縫金屬的流動(dòng)，不能形成良好接頭。大量研究結(jié)果表明，提高熱輸入時(shí)會(huì)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(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低或者行進(jìn)速度較大時(shí)，焊縫區(qū)熱輸入較小，攪拌針周?chē)牧?尤其鋼側(cè))沒(méi)有充分塑化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的攪拌摩擦焊接，可能出現(xiàn)“吻接”等缺陷。目前，鋁-鋼攪拌摩擦焊研究中，針對(duì)材料的不同，主要的工藝參數(shù)也有所區(qū)別。

Liu等人[16]研究了6061-T6和 TRIP 780/800高強(qiáng)鋼的FSW，優(yōu)化的工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速1800 r/min，焊接速度60 mm/min。并且發(fā)現(xiàn)焊接速度對(duì)焊接壓力、溫度分布、材料應(yīng)變速率和金屬間化合物層有顯著影響，但過(guò)高的焊接速度會(huì)縮短高溫周期，從而使化合物層厚度減小;提高旋轉(zhuǎn)速度，可以明顯提高整個(gè)接頭的溫度分布，降低攪拌頭前進(jìn)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(zhuǎn)速時(shí)，不同焊接速度條件下的焊縫外觀形貌，在40 mm/min時(shí)，焊縫成形最好。

圖4 轉(zhuǎn)速500 r/min下不同焊接速度時(shí)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(guò)程伴隨著熱量的傳導(dǎo)，焊接接頭及母材由于輸熱量的不同而發(fā)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(duì)接接頭的橫截面圖。界面結(jié)合良好，一層連續(xù)的鋼屑從基體剝離并鑲嵌進(jìn)鋁基體中，體現(xiàn)了FSW過(guò)程中材料的流動(dòng)形式。

圖5 鋁/鋼對(duì)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(dāng)攪拌針進(jìn)入底部不銹鋼，利用切削攪拌頭底部側(cè)刃對(duì)下部不銹鋼表面進(jìn)行銑削、清潔，活化其待焊面，并且使不銹鋼有強(qiáng)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(wú)論是在對(duì)接接頭還是在搭接接頭中，接觸界面上都發(fā)生了元素的遷移擴(kuò)散。由于鋁原子活性比鐵原子相對(duì)活躍，鋁向鋼側(cè)遷移相對(duì)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(qū)邊緣和焊合區(qū)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(tài)下焊接時(shí)，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合，鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭的金屬間化合物一般有 FeAl，F(xiàn)eAl3和 Fe2Al5等[29—32]。

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

4 鋁/鋼FSW接頭強(qiáng)度

4.1 接頭拉伸性能

在鋁/鋼的攪拌摩擦焊中，可以實(shí)現(xiàn)接頭的拉伸強(qiáng)度接近鋁母材的強(qiáng)度，在合適的工藝參數(shù)下拉伸強(qiáng)度甚至高于母材。拉伸斷裂一般發(fā)生在焊核和鋼側(cè)熱機(jī)影響交界面處，由于產(chǎn)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(qiáng)度，接頭拉伸強(qiáng)度隨金屬間化合物厚度的增長(zhǎng)而降低。金屬間化合物的形成和焊接熱輸入有緊密的聯(lián)系，熱輸入增大加速脆性化合物的形核和長(zhǎng)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(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 An interlaced structure on the Al/steel interface

王美芬[34]進(jìn)行了建筑用304L不銹鋼與5083鋁合金的異質(zhì)攪拌摩擦焊試驗(yàn)，結(jié)果表明，異質(zhì)攪拌摩擦焊接頭的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)248 MPa，分別是5083鋁合金和 304L不銹鋼母材室溫抗拉強(qiáng)度的92%，47%;接頭的室溫伸長(zhǎng)率達(dá)11%，分別是5083鋁合金和304L不銹鋼母材室溫伸長(zhǎng)率的92%，26%。Uzun等人[35]報(bào)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(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)度達(dá)到了鋁基體的82%。Tanaka等人[36]在焊接速度為100 mm/min，轉(zhuǎn)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(qiáng)度可達(dá)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(cè)向不銹鋼一側(cè)分布出現(xiàn)突變，呈“階躍”特征。如圖9所示[37]，微觀硬度峰值出現(xiàn)在緊鄰熱機(jī)影響區(qū)的偏不銹鋼一側(cè)，偏不銹鋼鋼一側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的焊縫邊緣硬度值也較高，雖低于鋼一側(cè)的硬度值，但遠(yuǎn)高于焊核區(qū)和鋁合金一側(cè)的硬度值。鋁-鋼對(duì)接接頭焊核區(qū)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(yuǎn)比鋁合金母材高。焊核區(qū)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(shuō)明鋁-鋼異種金屬攪拌摩擦焊對(duì)接對(duì)材料有硬度強(qiáng)化作用。鋁側(cè)熱影響區(qū)硬度較母材有所降低，呈軟化趨勢(shì)，其原因可能是焊接過(guò)程中熱循環(huán)作用下組織發(fā)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(shí)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(guò)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(zhì)層的厚度，尤其適合于鋁合金和鋼管盤(pán)類(lèi)零件之間的焊接。目前，通過(guò)攪拌摩擦焊方法，可以實(shí)現(xiàn)鋁/鋼對(duì)接和搭接的良好焊接，在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，可獲得與鋁母材等強(qiáng)的接頭，然而，界面處金屬間化合物的控制還需進(jìn)一步深入研究，以保證其對(duì)接頭性能處于最佳影響狀態(tài)。

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