鋁-鋼異種金屬的攪拌摩擦焊接

　　在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶制造等工業(yè)中，為了減輕重量、節(jié)約能源、降低成本、滿足不同的工作條件, 異種材料的焊接技術(shù)日益受到人們的重視[1]。利用鋁及鋁合金密度小(大約是鋼的1/3)，耐腐蝕性、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電性好的優(yōu)勢，用鋁合金代替鋼可以減輕結(jié)構(gòu)件的重量，在重型裝備輕量化方面具有良好應(yīng)用前景，然而如何解決鋁-鋼異種材料間的連接是決定其安全使用的關(guān)鍵問題。

　　目前，鋁-鋼的主要連接方法有熔焊中的爆炸焊[2]、激光焊 [3]、熔釬焊[4], 還有固相連接的摩擦焊[5]。通常爆炸焊接只適用于鋁-鋼復(fù)合板。采用激光焊和熔-釬焊時(shí)，由于鋁和鋼的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性能差異很大，在接頭過渡區(qū)容易形成多 種脆性的金屬間化合物，無法獲得高質(zhì)量的接頭。旋轉(zhuǎn)摩擦焊焊接鋁-鋼又只適用于柱形材料，接頭受限制。以上各種方法都難以保證制備出質(zhì)量良好的鋁-鋼焊接 接頭，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

　　攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一種新型的固相連接方法，具有高效、環(huán)保、熱變形和殘余應(yīng)力小等綜合優(yōu)點(diǎn)[6]。它是利用攪拌頭和工件之間的摩擦熱，一般低于母材的熔點(diǎn)，因此 焊接過程中工件沒有熔化，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，能夠有效避免氣孔、裂紋等組織缺陷。此外，攪拌摩擦焊基本不受材料物理化學(xué)性能、機(jī)械性能及晶體結(jié)構(gòu)等因 素的影響，對克服不同材料性能差異帶來的焊接困難具有極大的優(yōu)勢[7]，因此在異種金屬連接中具有廣闊前景，相關(guān)機(jī)理研究也越來越受到重視。本文將從工藝、組織、性能三分面分析鋁-鋼攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀。

　　1鋁-鋼工藝過程及參數(shù)

　　1.1攪拌頭

　　在攪拌摩擦焊中，攪拌頭的尺寸和形狀對焊縫成形質(zhì)量和金屬流動有重要的影響。在鋁-鋼的攪拌摩擦焊過程中，由于鋼的硬度較大，且熔點(diǎn)為1500℃ 左右，因此對攪拌頭的材料提出了更高的要求，即具有良好的耐高溫及耐磨性以提高攪拌頭的使用壽命。合適材料的攪拌頭能夠增加摩擦，提高熱量的輸入，有利于 焊縫金屬塑化和提高焊接質(zhì)量。據(jù)文獻(xiàn)顯示，可用作鋁-鋼攪拌摩擦焊的攪拌頭材料很多, 如熱處理的工具鋼[8]、模具鋼[9,10,11]、鎳基合金[12]、wc-co合金鋼[13]等。安井利明[14]等還采用了兩種材料組合的攪拌頭：軸肩采用模具鋼，探針材料為wo -co合金鋼，有效地提高了攪拌頭的耐磨性和產(chǎn)熱量。

　　1.2 工藝參數(shù)

　　一般來講，攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)主要有攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n，焊接行進(jìn)速度v和軸肩下壓量。由于異種材料在熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率方面的巨大差異，為了避免 攪拌頭的大量磨損并保證材料可以充分融合在一起，鋁-鋼為對接接頭時(shí)，焊接工藝參數(shù)還包括探針相對焊接接縫的偏移量Δx。

圖1為探針偏移量示意圖

　　的工藝參數(shù)能夠?yàn)楹讣�提供適當(dāng)?shù)臒彷斎耄�得到表面成形良好，�?nèi)部無缺陷的焊接接頭。由于鋁-鋼的物理性能相差太大如表1所示，因此選擇合適參數(shù)實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的 可靠連接是非常困難的，尤其是厚板的參數(shù)選擇，因?yàn)楹癜鍞嚢枘Σ梁笢囟确植�、塑性流動及成形機(jī)理與薄板有很大不同。攪拌摩擦焊中，在忽略攪拌頭與工件的摩 擦熱的情況下，熱輸入可表示[14]：

　　其中，q：焊接熱輸入量，μ：摩擦系數(shù)，P：垂直壓力，r：軸肩半徑，n：旋轉(zhuǎn)速度，v：行進(jìn)速度。其中熱量的輸入主要取決于旋轉(zhuǎn)速度(n)和行進(jìn)速度(v)的比值。

　　一般來講，在適當(dāng)范圍內(nèi)提高旋轉(zhuǎn)速度或者降低行進(jìn)速度時(shí)，增加焊縫的熱輸入量，有利于焊縫材料塑化, 在少的下壓量就可以得到質(zhì)量良好的接頭。但如果n/v的值過大，熱輸入接近材料的熔點(diǎn)，易致焊縫金屬過于塑化，影響了焊縫金屬的流動，不能形成良好接頭。 研究結(jié)果表明，提高熱輸入時(shí)會增加鋁鋼金屬間化合物層厚度，明顯降低焊接接頭性能[14]。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， 攪拌針周圍材料(尤其鋼側(cè))沒有充分塑化，無法實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的攪拌摩擦焊接，可能出現(xiàn)“吻接”缺陷。目前鋁-鋼攪拌摩擦焊研究中，主要的工藝參數(shù)如表2。可 以看到，在對接焊中，隨焊件厚度的增加，工藝參數(shù)選擇范圍變窄，n/v 的值一般取10左右。相比于對接接頭, 搭接接頭的工藝參數(shù)范圍選擇較寬。

　　1.3材料的放置位置

　　異種材料攪拌摩擦焊對接接頭中, 影響焊縫質(zhì)量的還有焊接工件的相對位置[23]，攪拌摩擦焊前進(jìn)邊和返回邊的溫度不同，哪個(gè)方向溫度高還沒有定論，因此導(dǎo)熱率相差大的異種材料相對位置對 焊縫質(zhì)量有著重要的影響。一般認(rèn)為將熔點(diǎn)較高的金屬放在溫度高的一側(cè)更有利于金屬的塑化和流動, 獲得理想的接頭，否則會導(dǎo)致低熔點(diǎn)材料熔化，影響金屬流動，而高熔點(diǎn)的焊件卻沒有達(dá)到塑化狀態(tài)，嚴(yán)重降低接頭的質(zhì)量。在鋁-鋼的攪拌摩擦焊試驗(yàn)中，一般將 鋼放在前進(jìn)邊，而鋁置于返回邊時(shí)更易獲得成形良好的接頭。FUKUMOTO[13]對此進(jìn)行了解釋：攪拌摩擦中，塑性金屬隨攪拌針運(yùn)動而流動，若把鋼置于 前進(jìn)邊，鋁置于返回邊，塑性狀態(tài)的鋁沿著攪拌針流動到已塑化的鋼中，保證二者充分反應(yīng)融合，從而形成良好接頭(圖2a)。反之，塑化的鋁隨攪拌頭進(jìn)入到未 塑化的鋼中，鋁合金需要克服更大的阻力和鋼混合，在攪拌摩擦焊中，塑化金屬流動性能的好壞直接決定著接頭質(zhì)量的好壞，因此不能形成良好的接頭(圖2b)。 與此不同，南昌航空大學(xué)邢麗教授[12]進(jìn)行了鋁-鋼的攪拌摩擦焊研究，發(fā)現(xiàn)鋼在返回邊，鋁在前進(jìn)邊更能得到質(zhì)量良好的接頭，分析認(rèn)為攪拌摩擦焊過程中， 返回邊探針周圍塑化金屬的變形方向與焊核區(qū)金屬流動一致，前進(jìn)邊探針周圍塑化的母材金屬的變形方向與焊核區(qū)金屬受壓的變形方向相反。對于搭接接頭，一般是 把鋼置于鋁的下側(cè)[10,19]。

　　總 之，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，物理、化學(xué)性能差異較大的鋁-鋼能夠焊接，但可選工藝參數(shù)范圍較小。對接接頭中，通過改變旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、偏移距離以及材料 的放置位置, 可以提高接頭的質(zhì)量，鋁-鋼攪拌摩擦焊所需n/v在10左右，鋼置于前進(jìn)邊時(shí), 鋁-鋼更易連接，搭接接頭中，采用合適的工藝參數(shù)可以得到質(zhì)量良好的接頭。

　　2接頭的力學(xué)性能

　　2.1拉伸性能

　　在鋁-鋼的攪拌摩擦焊中，對接接頭的拉伸強(qiáng)度較母材差距不是很大，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[17]，接頭拉伸強(qiáng)度隨金屬間化合物厚度的增長而降低。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大，提高了鋁-鋼交界面脆性化合物的含量，最終降低接頭的拉伸性能，如圖3所示。

　　此 外, 接頭強(qiáng)度與微觀組織間也存在很大關(guān)系，晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高。鋁-鋼攪拌摩擦焊攪拌針主要偏向鋁側(cè)，焊核區(qū)鋁側(cè)受到攪拌摩擦焊的熱機(jī)作用，發(fā)生動態(tài)再結(jié) 晶，形成細(xì)小等軸晶粒, 強(qiáng)度很高，而鋼側(cè)導(dǎo)熱率低且熔點(diǎn)較高，固相線較鋁高很多，因此在接頭處只進(jìn)行了元素的擴(kuò)散和金屬元素之間的反應(yīng)，生成脆性物，強(qiáng)度較低，如圖4所示。

　　鋁 -鋼攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度因金屬間化合物的存在而降低，如何減少化合物的含量或者采用韌性較好的金屬間化合物已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)脆性化合物的形成 特點(diǎn)和性能，一方面可通過控制熱輸入量，使得溫度在鋁-鋼共晶溫度之下，但可能會影響焊件的塑性流動。另一方面可在焊件間添加第三種材料或合金元素來改善 接頭的強(qiáng)度[24]。

　　2.2顯微硬度

　　如圖5所示，對接接頭焊核區(qū)的平均硬度比母材都高且分布不均勻，這是因?yàn)楹缚p中金屬間化合物分布不均勻，金屬間化合物存在的地方硬度遠(yuǎn)比母材高。

　　在鋼側(cè)TMAZ區(qū)的硬度比母材要高，鋁側(cè)母材的TMAZ硬度比鋁合金要低，而熱影響區(qū)硬度較母材有所降低，具有軟化趨勢，其原因可能是焊接過程中熱循環(huán)作用下組織發(fā)生了變化[20]，鋁-鋼硬度峰值出現(xiàn)在焊接接頭中部。搭接接頭硬度還沒有相關(guān)研究。

　　綜上所述，由于鋁-鋼攪拌摩擦焊中存在缺陷和硬脆金屬間化合物，接頭強(qiáng)度有所降低，焊縫區(qū)硬度分布不均且局部較高，接頭硬度峰值出現(xiàn)在接頭中部的熱影響區(qū)。

　　3 微觀組織

　　焊接過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)生著組織的變化。對接接頭中，根據(jù)組織成分的不同，鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭可以劃分 7個(gè)區(qū)域，即鋼母材(BM)、鋼側(cè)熱影響區(qū)(HAZ)、鋼側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、焊核(WNZ)、鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、鋁側(cè)熱影響區(qū) (HAZ)、鋁母材(BM)[19]，如圖6所示。

　　在 鋁-鋼攪拌摩擦焊對接接頭橫截面鋁側(cè)存在明顯的洋蔥環(huán)流動形式，鋼在焊核區(qū)不規(guī)則分布，有著明顯的界面。搭接接頭沒有明顯的洋蔥環(huán)和熱機(jī)影響區(qū)，由細(xì)小等 軸晶粒組成。熱機(jī)影響區(qū)由于受塑性流動和熱的雙重作用，鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)晶粒鋁母材晶粒拉長旋轉(zhuǎn)90°，而鋼側(cè)由牙尖型拉長晶粒組成，熱影響區(qū)的晶粒相對焊 核區(qū)較大些。無論是在對接還是在搭接中，鋁-鋼攪拌摩擦焊母材與焊核之間都發(fā)生了元素的遷移。由于鋁原子活性比鐵原子相對活躍，鋁向鋼側(cè)遷移相對充分。受 攪拌針的激烈攪拌擠壓力，焊核中存在很多鋼的碎片，鋼在鋁中溶解度極小，室溫下幾乎不溶于鋁中，但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[18]，因此這對接頭性能產(chǎn)生不利影響，而搭接接頭，使用鍍鋅鋼和鋁焊接能減少鋁鐵之間的反應(yīng)，提高接頭的性能[16]。

　　在對接接頭中，由于鋁-鋼熔點(diǎn)的差異，在不同攪拌頭攪拌力和熱輸入作用下，焊核兩側(cè)呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)。鋼側(cè)與焊核有明顯的界限且界面為曲線型，而鋁側(cè)則在攪 拌針作用下完成動態(tài)結(jié)晶，焊核與鋁母材沒有明顯的界限，對接接頭焊核主要在鋁側(cè)，焊核中心由再結(jié)晶的鋁和斷碎的鋼組成, 還觀察到了漩渦狀的流動形態(tài)[20]。鋁-鋼的攪拌摩擦搭接接頭焊核區(qū)兩側(cè)，鋼在鋁合金母材形成了形似“鉗子”或彎鉤狀的分布，鋼如同鉗子緊抓住焊核鋁合 金[12]，如圖7。

　　焊核區(qū)主要是層狀接頭，在焊核縱截面可觀察到 “鋸齒”形狀[18]，如圖8。

　　在溫度和攪拌力的作用下，鋁沿著攪拌頭向后遷移，而塑化的鋼沿著攪拌頭向上運(yùn)動, 隨著攪拌頭向前移動，塑性狀態(tài)的鋁鋼就會向后填充空腔，與鐵形成金屬間化合物，形成“鋸齒”條紋。

　　異種金屬的攪拌摩擦焊中，由于材料物理力學(xué)性能的不同，金屬塑性流動形態(tài)不一樣，從而動態(tài)結(jié)晶程度不同。如焊核區(qū)，鋼主要以碎顆粒存在，而鋁則發(fā) 生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒比較細(xì)小。熱輸入量的大小及冷卻速率直接影響著金屬的動態(tài)再結(jié)晶，也即與旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)速度、偏移量有關(guān)。在鋁-鋼的攪拌摩擦焊中，鋁 的熔點(diǎn)較低，焊接過程中產(chǎn)生的熱量足以使其發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，但不足以使熔點(diǎn)較高的鋼發(fā)生持續(xù)的結(jié)晶。此外，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大概為鋁的1/3，使得鋼側(cè)的溫度 升高速率很慢，難以發(fā)生相變，需要更大的變形能和溫度才能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

　　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[25]。鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭的金屬間化合物一般有 FeAl、FeAl3和Fe2Al5等。熱機(jī)影響區(qū)和焊核交界面處生成了金屬化合物層，金屬化合物層的厚度并不是越薄性能越好，而是在一定的范圍內(nèi)接頭的 性能才能達(dá)到最佳。攪拌摩擦焊中，工藝參數(shù)的改變對金屬間化合物的分布有著重要的影響，這直接影響著接頭斷裂的位置。

　　綜上所述，鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭由七個(gè)區(qū)組成即鋼母材(BM)、鋼側(cè)熱影響區(qū)(HAZ)、鋼側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、焊核(WNZ)、鋁側(cè)熱機(jī) 影響區(qū)(TMAZ)、鋁側(cè)熱影響區(qū)(H- AZ)、鋁母材(BM)。由于鋁-鋼流動性能的差異，焊核區(qū)兩側(cè)呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)，焊核與鋼有明顯交界，而和鋁側(cè)交界比較光滑，在焊核處和焊核與鋼的交界面處 存在著多種金屬間化合物，其含量對接頭強(qiáng)度有很大影響。

　　4結(jié)束語

　　4.1 異種金屬鋁-鋼通過攪拌摩擦焊能夠焊接，但鋁-鋼攪拌摩擦可選的工藝參數(shù)選擇范圍較小，搭接接頭較對接接頭參數(shù)范圍要寬些，對接接頭中，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、偏移距離以及材料的放置位置，可以提高接頭的質(zhì)量，鋁-鋼攪拌摩擦焊所需n/v 在10附近，鋼置于前進(jìn)邊時(shí)，鋁-鋼更容易連接。搭接接頭中，采用合理的工藝參數(shù)可以得到質(zhì)量良好的接頭。

　　4.2 鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭金屬間化合物的存在降低了接頭的性能，可以通過控制熱輸入量或者加入第三種材料及添加微量元素來影響金屬間化合物的生成，提高接頭的 強(qiáng)度。接頭焊縫區(qū)硬度分布不均且局部較高，接頭硬度峰值出現(xiàn)在接頭中部的熱影響區(qū)，可能是生成了硬度值較高的金屬間化合物。

　　4.3 鋁-鋼攪拌摩擦焊由七個(gè)區(qū)組成, 即鋼母材(BM)、鋼側(cè)熱影響區(qū)(H- AZ)、鋼側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、焊核(WNZ)、鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(T- MAZ)、鋁側(cè)熱影響區(qū)(HAZ)和鋁母材(BM)。由于鋁-鋼流動性能的差異，焊核區(qū)兩側(cè)呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，焊核與鋼有明顯交界，而和鋁側(cè)交界比較光滑， 在焊核處和焊核與鋼交界處存在多種金屬間化合物，其含量對接頭強(qiáng)度有很大的影響。