兩種鋁/鋼組合（1060/Q235 和1060/SUS304）的攪拌摩擦釬焊組織與性能對比研究

楊小輝，張貴鋒，張建勛

（西安交通大學 材料科學與工程學院 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是英國焊接研究所（TWI）在1991年發明的一項新型焊接技術[1—2]，突出之處在于能實現板材的摩擦焊。異種金屬的FSW 可分為攪拌摩擦對接焊和攪拌摩擦搭接焊，對于異種板材的對接焊，如下兩項工藝原則已被廣泛接受：①母材“前硬后軟”的放置原則，即要求較硬的母材放置于前進側，較軟的母材放置于后退側；② 攪拌針應設置偏移量（off set），即要求偏向較軟母材一側，以防工具磨損、攪拌區溫度過高、IMC 過厚[3—7]。相對于攪拌摩擦對接焊來說，攪拌摩擦搭接焊更困難，主要在于：①不充分的氧化膜分散轉移以及不充分的上下母材的垂直混合；② 有效接合區域小，即搭接接頭的有效接合區域主要是針下區域，該區域面積遠小于攪拌頭肩的面積；③底板更高的金屬流動應力，即底板通常具有更高的屈服強度，相較于較軟的上板金屬，其產生金屬流動需要的臨界溫度更高；④ 一些焊接缺陷，如空洞（Void）、隧道（Channel 或者Tunnel）、金屬間化合物（IMCs）以及鉤（Hook）。為解決以上問題以及避免針的磨損、斷裂等突出現象，西安交通大學張貴鋒等[8]開發了一種新型的攪拌摩擦焊技術——攪拌摩擦釬焊（Friction Stir Brazing，簡稱FSB）。

如圖1 所示為攪拌摩擦釬焊原理示意圖，此項技術使用的是無針攪拌頭，并在搭接的異種金屬之間預置一層Zn 釬料。無針工具的使用有效避免了焊后匙孔（Keyhole）、斷針及針的磨損、鉤狀缺陷，也獲得了比傳統FSW 更大的焊接面積；旋轉的軸肩既作為施力裝置又作為熱源，旋轉軸肩熱力的聯合作用下使得釬料溶解、流動與填充；在力的作用下氧化膜隨液相被擠出并擴大結合面積，利用“冶金反應（溶解-擠出-擴散）”代替“塑性流動”來實現焊接，從而可降低了搭接接頭對界面處塑性變形及通過塑性流動實現上下界面混合的苛求[9—12]。

圖1 攪拌摩擦釬焊技術示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of friction stir brazing technology

目前FSB 已經被應用于鋁/鋼[13]、鋁/銅[13—14]、鋁/鈦[15]等異種金屬焊接。FSB 的要點在于：①采用無針工具以消除匙孔、硬質母材對針的磨損與鉤缺陷；② 焊前預置能與鋁母材發生共晶反應的釬料（如Zn），利用釬料/母材共晶反應所得液相的易流動性與易擠出性，使氧化膜隨共晶液相被擠出，既改善去膜效果，又大幅拓展焊接面積。本研究致力于大直徑攪拌摩擦釬焊（FSB）的去膜機制以及釬料對鋁/鋼層狀復合材料組織與性能的影響。

為進一步探尋采用無針工具工況下的界面氧化膜的有效破除思路，文中使用大直徑（40 mm）的無針攪拌頭，針對1060/Q235 和1060/SUS304 兩種組合，對比了加入釬料與未加入釬料情況下的接頭組織與性能。

1 材料與方法

選用較軟的1060 作為上板，進行1060/Q235 和1060/SUS304 兩種組合的FSB 實驗與不放釬料的無針FSW 對比。其中1060,Q235,SUS304 母材厚度都為3 mm，長100 mm，寬60 mm。釬料選用純0.03 mm厚Zn 箔片。采用H13（4Cr5MoV1Si）熱作模具鋼材質，Φ40 mm 大直徑無針攪拌頭在大氣環境下施焊。焊接試驗前，首先用砂紙打磨待焊板材的表面以去除氧化膜，再用酒精清潔使其露出清潔的金屬表面，然后進行1060/Q235 和1060/SUS304 的搭接工藝試驗，其中焊接參數為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。焊接接頭的剪切性能依據GB/T 6396—2008 進行試驗。

2 結果與討論

2.1 宏觀外觀

從圖2 可觀察到FSB 焊后接頭宏觀外觀，焊后未發生鋁母材與攪拌頭軸肩的粘連、扭裂等表面成形缺陷。焊后的宏觀照片可見，相對于后退側來說在末端前進側的前推變形很明顯，這是因為攪拌頭是在高速旋轉的同時前移，因此攪拌頭和工件產生相對運動，因此攪拌頭對工件產生力學作用，在前進側軸肩旋轉的切線方向和焊接方向一致會帶動母材往前移動，在焊道末端沒有阻擋作用，因此變形比后退側明顯，因為前推能產生塑性變形，因此也能起到破除鋁表面氧化膜、改善界面潤濕性的作用。

2.2 1060/Q235 界面組織

圖3 和圖4 分別為1060/Q235 加釬料和未加釬料組合的FSB 接頭界面組織背散射圖像，焊接參數為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。從圖3b 和3c 可以觀察到，在界面處已看不到Zn 的存在，從圖3a 在邊緣處能看到Zn 箔已熔化并以Zn-Al 共晶的形式被擠出。在界面處生成一層連續的、厚度大約為13 μm 左右IMC 層，靠近Al 側為FeAl3靠近鋼側為Fe2Al5，在鋁的一側能看到有嵌入的IMC 顆粒，在邊緣的前進側與后退側分別出現了長達12 mm 與9 mm 的平行于界面的裂紋。在圖4 中未觀察到連續的金屬間化合物，且界面不致密，在鋁的一側有氧化物的存在。

圖2 FSB 接頭宏觀外觀Fig.2 Macro appearance after friction stir brazing

圖3 1060/Zn/Q235 組合的FSB 接頭界面組織（1500 r/min）Fig.3 Interface structure of friction stir brazed joint with 1060/Zn/Q235 (1500 r/min)

在圖3 可以觀察到有連續的IMC 層生成，這說明鋁和鋼之間的氧化膜已被清除，潔凈的鋁鋼表面已經互相接觸，而且在上側的鋁中能觀察到嵌入的IMC顆粒，說明在無針攪拌頭的機械扭轉作用下，鋼表面的氧化膜已破碎，由此在攪拌頭的帶動下IMC 顆粒嵌入到了鋁中。

根據圖3a 在試樣的邊緣處觀察到Zn-Al 共晶，說明鋁側的氧化膜已經隨著Zn-Al 共晶液相在攪拌頭的鍛壓作用下擠出，攪拌頭的扭轉主要體現在以下兩個方面：①機械破碎鋼（微剪切）表面的氧化膜，為冶金反應提供擴散通道；② 對Zn-Al 共晶液相的流動起到推動作用（在鍛壓力的聯合作用下）。而在圖4 由于沒有釬料的加入，鋁側的氧化膜僅靠攪拌頭帶動鋁的塑性流動很難破除，但在中心位置也能觀察到較少的FeAl3IMC，這說明僅在攪拌頭的機械扭轉作用下鋁/鋼兩側的氧化膜能破除少部分，因此在氧化膜破除的部分生成了金屬間化合物，而大部分氧化膜未能有效清除，這恰恰反映了力學效應與冶金效應相互促進對破碎并分散Al 側氧化膜的必要，因此說明釬料的加入在FSB 過程中是很重要的一個環節。

圖4 無釬料1060/Q235 組合的FSB 接頭中心區界面組織（1500 r/min）Fig.4 Interface structure of central zone of friction stir brazed joint without solder 1060/Q235 (1500 r/min)

圖5 為1060/Q235 加釬料組合的FSB 接頭界面組織背散射圖像，焊接參數為950 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。可以看出在其他參數不變時，隨轉速從1500 r/min 降低為950 r/min，界面IMC 從13 μm 左右降低為8 μm 左右。在Al 側可以看到有分散的含IMC 顆粒，說明轉速為950 r/min 時，在攪拌頭的扭轉作用也足以破碎鋼表面的氧化膜，因此使得IMC 顆粒嵌入到Al 中。

2.3 1060/SUS304 界面組織

圖6 和圖7 分別為1060/SUS304 加釬料和未加釬料組合的FSB 接頭界面組織背散射圖像，焊接參數為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。從圖6 可以觀察到在界面處已看不到Zn 的存在，在邊緣處能看到Zn 箔已熔化并以Zn-Al 共晶的形式被擠出，在界面處生成一層連續的厚度大約為5 μm 的Al3(Fe,Cr)IMC 層，但出現平行于界面裂紋（整個寬度范圍內）和垂直于界面的裂紋，說明此IMC 層相對1060/Q235 界面的IMC 來說更脆，其對熱應力更敏感。在圖3 中未觀察到明顯的金屬間化合物。

圖5 1060/Zn/Q235 組合的FSB 接頭中心區域界面組織（950 r/min）Fig.5 Interface structure of central zone of friction stir brazed joint with solder 1060/Zn/Q235 (950 r/min)

相對于1060/Q235 組合來說，1060/SUS304 在加入Zn 釬料的情況下，共同點在于有連續的IMC 層生成，只是厚度不同。這說明不銹鋼側的氧化膜相對于Q235 來說更難破除（在其他條件相同時）。在鋁側也有IMC 顆粒的嵌入，以及在試樣邊緣也有Zn-Al 共晶液相的擠出。

2.4 接頭力學性能

圖8 為抗剪強度數據，根據以上分析，強度主要與界面氧化膜的去除效果和IMC 的厚度有關，在加入Zn 釬料的情況下界面氧化膜去除效果較好，因此平均強度高，轉速為1500 r/min 時1060/Q235 組合添加釬料和未添加釬料時平均抗剪強度分別為33.6 MPa和17.4 MPa，1060/SUS304 組合添加釬料和未添加釬料時平均抗剪強度分別為25.1 MPa 和9.7 MPa。

在其他條件相同時1060/Q235 組合比1060/SUS304 組合的平均強度更高，這是因為Q235 去膜難度比304 更低，而且1060/304 組合（添加釬料）出現平行于界面裂紋（整個寬度范圍內）和垂直于界面的裂紋，表明其對熱應力更敏感。當轉速為950 r/min時，1060/Q235 組合添加釬料平均抗剪強度為42.5 MPa。在其他參數不變時隨著轉速的降低，由于熱輸入降低，因此IMC 的厚度會降低，因此抗剪強度會升高。而在未加入釬料時由于SUS304 的氧化膜更難去除，因此1060/SUS304 組合比1060/Q235的強度低。

圖6 1060/Zn/SUS304 組合的FSB 接頭界面組織（1500 r/min）Fig.6 Interface structure of friction stir brazed joint with 1060/Zn/SUS304 (1500 r/min)

圖7 無釬料1060/SUS304 組合的FSB 接頭界面組織（1500 r/min）Fig.7 Interface structure of friction stir brazed joint without solder (1500 r/min)

圖8 不同組合與有無釬料FSB 接頭強度對比Fig.8 Strength comparison of FSB joints with different couples and with or without solder

2.5 FSB 過程攪拌頭力學效應以及對組織的影響

根據以上實驗結果，組織和去除氧化膜主要有以下特點：①在大氣環境下也能有較好的潤濕性；②界面由金屬間化合物層以及IMC 顆粒與鋁復合材料層組成；③攪拌頭的扭轉作用破除鋼表面的氧化膜，為潔凈的母材提供接觸可能，以及提供擴散通道；④驅動液相釬料流動。

可以看出攪拌頭的力學作用對組織形態有著重要的影響，主要有：①鍛壓力，主要是傾斜的攪拌頭在焊接過程中的軸向分力和母材的彈性膨脹（傾斜的攪拌頭對于鍛壓力至關重要）；② 扭轉，主要是高速旋轉的攪拌頭提供的扭轉作用，能破碎鋼側的氧化膜；③前推，攪拌頭前移和工件產生相對運動，因此攪拌頭對工件產生力學作用，也能起到破膜、改善界面潤濕性的作用。

3 結論

1）Al/Q235 和Al/SUS304 組合在加釬料進行FSB時都在界面生成了IMC 層，其厚度分布均勻，前者厚度為13 μm 左右，后者5 μm 左右（焊接參數為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm）。該結果表明，一方面，FSB 能有效去除堅硬鋼基板表面的氧化膜，即使是氧化膜致密的不銹鋼基板，FSB 也能破除其表面的氧化膜；另一方面，Al/SUS304 組合界面IMC 的生長較Al/Q235 明顯緩慢。

2）Al/Q235 和Al/SUS304 組合在未加釬料時，兩種組合都沒能生成連續的金屬間化合物層，而且在鋁側的氧化膜未能去除，但是前者組合生成了的部分IMC，后者幾乎不能觀察到IMC，這說明了304 不銹鋼的破膜難度高于Q235。兩種添加和未加釬料的組合的對比，也證明了釬料有助于破除Al 表面的氧化膜，并促進Al 的擴散與IMC 的連續化與增厚。

3）在 FSB 裂紋位置與所占比例方面，雖然Al/SUS304 組合界面IMC 厚度薄，但整個寬度范圍內出現了平行于界面的裂紋；Al/Q235 組合僅在中心區域未出現裂紋，但在邊緣的前進側與后退側分別出現了長達12 mm 與9 mm 的平行于界面的裂紋。基于FSB 的優異去膜能力，說明對于異種金屬焊接來說FSB 很具有應用價值，但焊接參數有待于進一步優化。

4）攪拌頭對工件的力學作用可以分為鍛壓、扭轉、前推3 種。3 種力學與冶金的聯合作用使得界面的氧化膜能有效去除，而且在鋁側出現的分散IMC顆粒說明了Φ40 mm 的攪拌頭對于扭轉-微剪切作用的加強。