Q235鋼鍍鋅層對(duì)鋼/鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭性能的影響

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(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

0　前言

汽車輕量化是節(jié)省燃油和降低排放的主要選擇對(duì)策。為了既能實(shí)現(xiàn)車身輕量化又能保證汽車安全，多元結(jié)構(gòu)材料車身越來越受到汽車工業(yè)的青睞[1]，鋼/鋁車身復(fù)合框架結(jié)構(gòu)為汽車輕量化提供了有效的技術(shù)途徑，但鋼/鋁異種金屬的連接問題一直困擾著汽車制造企業(yè)。

鋼與鋁的密度、熔點(diǎn)、電阻率、熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)等物理性能均存在很大差異[2]，而且鋁及其合金的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，在高溫下易氧化形成高熔點(diǎn)的Al2O3氧化膜，成為鋼/鋁異種金屬焊縫中的夾雜物，增加異質(zhì)接頭的脆性，易導(dǎo)致未熔合的產(chǎn)生；鐵與鋁之間屬于“冶金學(xué)上的不相容性”，在焊接熱源的作用下易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一系列脆性的Fe-Al金屬間化合物，且鐵在鋁中的溶解度極小，在室溫下，鐵幾乎不溶于鋁，所以在焊接冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生FeAl3，F(xiàn)e2Al，F(xiàn)e2Al7，F(xiàn)e2Al5和FeAl2等金屬間化合物，降低接頭的塑韌性，甚至引起焊接裂紋[3]，這些脆性金屬間化合物的存在成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)；其熔點(diǎn)差異很大，鋼的熔點(diǎn)約1 500 ℃，而鋁的僅為660 ℃，相差約900 ℃，焊接時(shí)鋁先熔化，待鋼熔化后，由于二者密度相差很大，鋼的密度為7 800 kg/m3，而鋁的密度僅為2 700 kg/m3，液態(tài)鋁浮在鋼液上，難以形成焊縫，或冷卻后焊縫成份不均勻，使焊接接頭的性能降低[4]。由此可見，鋼/鋁之間的熔化焊接存在極大的困難。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一種固相連接技術(shù)，該方法是使被焊金屬達(dá)到塑性狀態(tài)實(shí)現(xiàn)連接的方法。該焊接方法對(duì)材料的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以不受或少受材料的物理性能、晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響，對(duì)克服不同材料間性能差異帶來的焊接困難具有較大的優(yōu)勢(shì)[5]。很多學(xué)者采用攪拌摩擦焊進(jìn)行了異種金屬的焊接，如Elrefaey等人[6]采用FSW對(duì)純鋁和鍍鋅低碳鋼進(jìn)行了搭接焊試驗(yàn)，獲得了高于鋁合金基材強(qiáng)度的鋼/鋁異種金屬攪拌摩擦焊搭接接頭；Bozzi S等人[7]利用攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接了6061鋁合金和高強(qiáng)低合金鋼等；國內(nèi)也有一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[8～10]。

目前汽車鋼板大多采用鍍鋅鋼板，因此鍍鋅層以及鍍鋅層的厚度對(duì)焊接質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，文中主要研究采用不同鋅層厚度來進(jìn)行鋼/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦點(diǎn)焊，了解鋅對(duì)鋼/鋁合金連接所起的作用。

1　試驗(yàn)材料及方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用2 mm厚的6061鋁合金板和1 mm厚的Q235冷軋鋼板，切割成100 mm×30 mm待用，點(diǎn)焊試樣搭接長度[11]選定為25 mm。試驗(yàn)用材料的主要化學(xué)成分及力學(xué)性能[12]如表1和表2所示。試驗(yàn)用不同厚度的鍍鋅層采用自制的電鍍裝置獲得。

表1　試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1鋼板鍍鋅試驗(yàn)

采用自制的電鍍?cè)O(shè)備，在Q235低碳鋼板基體上電鍍鋅。通過計(jì)算法和測(cè)厚儀相結(jié)合，獲得不同厚度鍍鋅層的鍍鋅鋼板，為了比較不同厚度鍍鋅層對(duì)焊接質(zhì)量的影響，試驗(yàn)采用的鍍鋅層厚度分別為8～12 μm、16～20 μm、24～28 μm和32～36 μm。

1.2.2攪拌摩擦點(diǎn)焊試驗(yàn)

采用FSW-RT31-006型臺(tái)式攪拌摩擦焊機(jī)，其轉(zhuǎn)速在100～1 500 r/min之間可調(diào)，焊接壓力可以根據(jù)軸肩下壓量進(jìn)行調(diào)節(jié)，攪拌頭傾角為0°。試驗(yàn)用柱狀螺紋攪拌頭，軸肩直徑10 mm，攪拌針長2.4 mm。

6061鋁合金與Q235低碳鍍鋅鋼板攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭采用鋁合金在上鋼在下的搭接方式進(jìn)行攪拌摩擦焊接。每組參數(shù)焊接4個(gè)試樣，3個(gè)試樣用做拉剪試驗(yàn)，得到的拉剪力取三者的平均值，一個(gè)試樣用作金相分析。通過前期大量的焊接工藝試驗(yàn)，獲得在不同鍍鋅層厚度下的攪拌摩擦點(diǎn)焊的最佳工藝參數(shù)后，在優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)下將電鍍好的鍍鋅鋼板與6061鋁合金板施焊，獲得不同鍍鋅層厚度的點(diǎn)焊接頭，將點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉剪測(cè)試和組織分析，確定鍍鋅層厚度對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　鍍鋅層厚度對(duì)FSSW接頭拉剪力的影響

表3為在不同鍍鋅層厚度下獲得的攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的拉剪力值。從表3可以得出，沒有鍍鋅層時(shí)，攪拌摩擦焊接頭的拉剪力為2.2 kN，當(dāng)鍍鋅層厚度為8～12 μm時(shí)，點(diǎn)焊接頭有最大拉剪力6.46 kN，隨著鍍鋅層厚度的增加，點(diǎn)焊接頭的拉剪力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從16～20 μm的2.61 kN下降到32～40 μm的0.85 kN。由此可見，鍍鋅層厚度范圍在8～12 μm范圍內(nèi)可獲得拉剪力較好的鋼/鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭。

表3　鍍鋅層厚度對(duì)點(diǎn)焊接頭拉剪力的影響

2.2　鍍鋅層厚度對(duì)FSSW接頭形貌的影響

在鋼/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦點(diǎn)焊中，能夠?qū)崿F(xiàn)連接主要得益于被稱為“鉤子”的區(qū)域[7]。這個(gè)區(qū)域中鋼在攪拌針的攪拌和摩擦作用下，發(fā)生了一定的塑性變形，然后在鋁合金的塑性流動(dòng)作用下，攪拌針周圍區(qū)域發(fā)生了凸起，嵌入到發(fā)生了塑性變形的鋁合金中，冷卻后形成了“鉤子”的形貌。圖1為試驗(yàn)獲得的典型的鋼/鋁合金結(jié)合界面的“鉤子”形貌，圖中a是鋁合金側(cè)，b是鋼側(cè)，黑色線條是鋼/鋁合金分界面。

圖2a～圖2e分別是鋅層厚度為0 μm,8～12 μm，16～20 μm，24～28 μm和32～36 μm點(diǎn)焊接頭界面“鉤子”形貌圖。結(jié)合界面“鉤子”形貌，對(duì)不同鍍鋅層的點(diǎn)焊接頭表現(xiàn)出來的力學(xué)性能進(jìn)行分析和比較。由圖可見，在相同的焊接參數(shù)下，沒有鍍鋅層的鋼板中“鉤子”處的鋼呈現(xiàn)出破碎的形態(tài)，沒有形成完整的“鉤子”，該試樣的強(qiáng)度較低，而圖2b～圖2d為有鍍鋅層的鋼板，其“鉤子”呈現(xiàn)出了較完整的形貌，只是隨著鍍鋅層厚度的增加，鉤子與鋁合金界面間的接觸面積變小，在靠近“鉤子”的鋼/鋁合金界面處有些破碎的“鋼顆粒”，這可能是導(dǎo)致其拉剪力下降的原因。

圖1　鋼/鋁合金攪拌摩擦焊點(diǎn)焊接頭界面“鉤子”形貌

圖2　鍍鋅層厚度對(duì)“鉤子”形狀的影響

2.3　FSSW接頭界面元素過渡分析

為了進(jìn)一步了解鋼/鋁合金異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭鋼/鋁合金界面處元素是否有擴(kuò)散，采用掃描電鏡中的能譜分析(EDS)手段對(duì)鋼/鋁合金界面進(jìn)行了面掃描和線掃描，測(cè)試位置如圖3a、圖4a所示，測(cè)試結(jié)果如圖3b、圖4b～圖4e及表4所示。圖3a為其面掃描位置圖，圖3b是其元素分布譜圖，能譜分析獲得的數(shù)據(jù)如表4所示，在該掃描面內(nèi)，Al占69.05%，Zn占14.03%，F(xiàn)e只有0.65%。因此，在鋼/鋁合金界面處Fe的擴(kuò)散非常有限，Zn在界面處含量較高，并且在兩種基材(鋁合金、鋼)中均有擴(kuò)散。

圖3　鋼/鋁合金界面掃描位置及能譜圖

為了更詳細(xì)分析在鋼/鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭界面上各元素的擴(kuò)散情況，對(duì)鋼/鋁合金界面進(jìn)行了線掃描，如圖4所示。從各元素的分布情況看，Al幾乎沒有向鋼中進(jìn)行擴(kuò)散，在鋼中Al含量幾乎為0，而Fe元素存在少量的擴(kuò)散現(xiàn)象，在鋁合金側(cè)有一定含量的Fe元素分布；鋁合金中的Mg和鍍鋅層的Zn在界面處的含量較高，說明Mg和Zn起到了連接鋼/鋁合金的作用。

2.4　Zn元素在鋼/鋁合金界面的分布

圖5a為6061鋁合金與沒有鍍鋅層的Q235的FSSW接頭鋼/鋁合金界面形貌，圖5b為6061鋁合金與鍍鋅層厚度為8～12 μm的Q235低碳鋼的界面結(jié)合形貌，圖中標(biāo)記1的區(qū)域?yàn)镼235低碳鋼，標(biāo)記2區(qū)域?yàn)?061鋁合金。從圖5可以觀察到，沒有鍍鋅層的鋼/鋁合金界面有明顯的縫隙，接頭的形成完全靠“鉤子”的幾何結(jié)構(gòu)連接(圖5a)；而有鍍鋅層的的鋼/鋁合金界面存在有較完整的結(jié)合區(qū)域(但也有部分存在間隙現(xiàn)象)，鋼/鋁合金之間達(dá)到了較緊密的結(jié)合(圖5b)。為了更好的驗(yàn)證Zn元素在接頭中的作用，對(duì)圖5b的鋼/鋁合金界面進(jìn)行了線掃描，結(jié)果如圖6所示。

由圖6b可知，鋼板表面的鍍鋅層已經(jīng)向鋁合金基材側(cè)進(jìn)行了擴(kuò)散，而在鋼側(cè)的含量低于鋁合金側(cè)的含量，這說明在焊接過程中Zn擴(kuò)散較快，可能起到了一定的連接作用。

2.5　元素?cái)U(kuò)散與鍍鋅層厚度的關(guān)系

由前述分析可見，鋼板的鍍鋅層厚度不同，鋼/鋁合金異種金屬形成的接頭強(qiáng)度有明顯差異，而鋼/鋁合金界面起連接作用的“鉤子”的形狀也略有差異。通過掃描電鏡中的能譜儀繼續(xù)分析鍍鋅層厚度對(duì)元素?cái)U(kuò)散的影響，選擇兩種鍍鋅層厚度差異較大的鋼/鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的鋼/鋁合金界面進(jìn)行分析，如圖6c～圖6e和圖7所示。

比較圖6和圖7可以看出，鍍鋅鋼板的鍍鋅層厚，鋁合金中的Mg元素在Q235中的擴(kuò)散則少，而Fe在界面處的分布亦呈現(xiàn)斷續(xù)增加趨勢(shì)，在兩種鍍層條件下，鋁合金的擴(kuò)散都不明顯。

2.6　拉剪斷口分析

在試驗(yàn)條件下，鋼/鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接接頭的拉剪強(qiáng)度普遍偏低，因此有必要對(duì)其拉剪斷口進(jìn)行分析，確定其斷裂形貌和斷裂類型。

由圖8a可以看出，斷裂發(fā)生在焊核交界面，斷口處存在有較深而密的韌窩，屬于典型的韌性斷裂；而圖8b為鋼熔核側(cè)，其斷裂形貌為典型的解理斷裂，說明在鋼側(cè)沒有發(fā)生塑性變形，可能是其中的金屬間化合物撕裂形成的斷口形貌。

圖6　鍍鋅層厚度為8～12 μm試樣不同元素在界面的分布情況

圖7　鍍鋅層厚度為32～36 μm試樣不同元素在界面的分布情況

圖8　FSSW接頭斷口掃描圖

3　結(jié)論

(1)在鋼/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中，起連接作用的“鉤子”形貌與鍍鋅鋼板的鋅層厚度存在一定的關(guān)系，即鋼板未鍍鋅時(shí)，不能形成完整的“鉤子”形貌，有鍍鋅層的鋼板均能形成較完整的“鉤子”，但隨著鍍鋅層厚度的增加，“鉤子”出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭的拉剪力下降；

(2)在適合的焊接工藝參數(shù)下，隨著鍍鋅層厚度的增加，Zn元素進(jìn)入到鋁合金母材的含量增加，但是由于鍍鋅層增加，Zn元素不能均勻的溶入到母材中，導(dǎo)致焊接接頭拉剪力下降；鍍鋅層厚度為8 ～12 μm時(shí)獲得的攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭拉剪力較高。

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