铝/钢异质金属搅拌摩擦焊研究进展

　　摘要：由于铝、钢的热物理性能差异较大，且铁在铝中的固溶度极低，铝/钢异质金属焊接已成为该领域研究的难点与热点。搅拌摩擦焊具有热输入低、热循环时间短等优点，能够有效控制铝/钢接头中金属间化合物的生长，从而获得高质量的焊接接头。文中综述了铝/鋼异质金属搅拌摩擦焊国内外研究现状，涉及搅拌头材料选择与结构设计。此外，分析了对接、搭接与点焊三种形式接头的组织与性能，并探讨了铝/钢搅拌摩擦焊技术的未来研究方向。

　　关键词：铝/钢异质金属;搅拌摩擦焊;焊接工艺;微观组织;力学性能

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　　0 前言

　　铝/钢异种金属的复合结构质量轻、强度高，广泛应用于交通运输、航空航天等制造领域，如汽车采用钢制框架、铝制车身，既保证了汽车撞击的安全性同时也实现了汽车轻量化。但是，由于铝、钢物理和化学性质相差很大[1]，采用传统的熔化焊方法，在焊缝处易形成偏析、夹渣等缺陷。同时，焊后产生较大的残余应力，易引起接头开裂。此外，铁在铝中的固溶度很小，在焊缝处易产生过厚的金属间化合物(Intermetallic compound， IMC)，如Fe3Al，FeAl，FeAl2，Fe2Al5，Fe4Al13等[2]，严重恶化接头性能[3-4]。因此，选择合适的工艺方法控制界面处IMCs的产生与分布是实现铝/钢异质金属高质量连接的有效途径。

　　近年来，国内外学者在铝/钢异质金属熔钎焊、固相焊等领域开展了大量研究，并取得了一定的成果。但是，由于熔钎焊过程中热输入量较大，在铝/钢焊缝处易产生过厚的IMCs，严重降低接头的性能，难以保证高强度的连接[5-6]。因此，很多学者开始将铝/钢焊接研究的重点向固相焊转移，包括扩散焊[7]、电阻点焊[8-9]、搅拌摩擦焊[10]，由于焊接过程中母材不熔化，可减少界面处IMCs的产生。其中，扩散焊过程热循环时间长，焊接效率低，无法批量生产;电阻点焊接头的强度低，疲劳性能差，应用范围受限;而搅拌摩擦焊技术具有热输入低、热循环时间短等优点，能够有效控制IMCs生长，从而获得高质量铝/钢异质接头。目前，由于铝/钢异质金属复合结构件的迫切需求，铝/钢搅拌摩擦焊技术已成为焊接领域研究的热点。铝/钢异质金属搅拌摩擦焊 (friction stir welding， FSW)的研究重点主要包括搅拌头的材料选择与结构设计、接头形式 (对接、搭接、点焊)、组织与性能分析等。文中综述了搅拌头的材料选择与结构设计、对接、搭接与点焊三种形式接头的微观组织与力学性能等国内外研究现状，并讨论了铝/钢搅拌摩擦焊技术未来研究的方向。

　　1 搅拌头的材料选择与结构设计

　　铝/钢异质金属FSW时，由于钢的熔点高、硬度大，焊接过程易引起搅拌头磨损，降低其服役寿命，同时搅拌头磨损严重影响焊接质量。为解决搅拌头磨损问题，国内外学者常采用耐磨、耐高温材料，如工具钢、高速钢、WC-Co合金钢等制作搅拌头[11-15]。目前，搅拌头常用材料与结构，如表1所示。可以看出，工具钢、WC-Co合金钢使用量较多。Xiong Jiangtao等人[11]设计了以H13模具钢为轴肩、YG8硬质合金钢为搅拌针的组合式搅拌头，在控制成本的基础上，有效地提高了耐磨性与产热量。此外，为了改善塑性金属的流动性，提高接头的质量，在常用锥形、柱状搅拌针的基础上[22]，又开发出了铣刀式搅拌针[11]、无搅拌针式搅拌头[23]，如图1所示。 Y. Uematsu等人[24]采用无搅拌针式搅拌头对2 mm厚6061铝合金与2 mm厚SPCC钢进行点焊，以轴肩与铝板表面的摩擦热作为热源，仅依靠热传导作用将产生的摩擦热传递至铝/钢界面处，在热、力耦合的作用下发生冶金反应形成接头，从而实现高强度连接，抗剪强度达到62 MPa。但是，其焊接效果受到板厚的限制，一般不超过2 mm，主要是由于轴肩下压量过大，易产生“hook”缺陷与铝板减薄现象。因此，合理选择搅拌头的材料与结构，增大摩擦力，提高摩擦热，有利于焊缝金属塑化，从而提高接头质量。

　　2 铝/钢搅拌摩擦对接焊

　　铝/钢异质金属FSW对接焊时，被焊材料的相对位置、搅拌针的偏置量是影响铝/钢焊接质量的关键因素。通常将钢作为前进侧，铝作为后退侧，搅拌针向铝侧偏置，焊缝成形与接头性能较好[16， 25- 26]，焊接示意图，如图2所示[27]。这主要是铝作为后退侧时，铝合金沿搅拌针向钢侧流动并发生混合形成接头。同时，少部分的钢在搅拌针的搅拌作用与轴肩的摩擦作用下，产生适当的摩擦热，有效地控制IMCs的产生。

　　H.Uzun等人[28]采用FSW实现了6063-T4铝合金与X5CrNi18-10不锈钢的对接，焊缝成形与接头的疲劳性能较好。接头的组织形貌主要包括7个区域，即钢-母材区(St-BM)、钢-热影响区(St-HAZ)、钢-热机影响区(St-TMAZ)、焊核区(WN)、铝-热机影响区(Al-TMAZ)、铝-热影响区(Al-HAZ)、铝-母材区(Al-BM)，如图3～4所示[28]。动态再结晶的铝与断碎的钢片不均匀的分布在焊核区，呈旋涡状结构，可以认为焊核区是铝基复合增强材料。热机影响区由于受到热、力双重作用，铝-热机影响区与钢-热机影响区的晶粒被拉长、弯曲。铝-热影响区、钢-热影响区由于仅受热循环的作用，其组织并没有明显的变化，与母材的组织基本一致。 Liu Xun等人[13]采用SEM观察6061铝合金/高强钢FSW对接接头焊核区的结构，焊核区是由不同形状和大小的钢颗粒与IMCs增强的铝基复合材料，如图5所示。这些结构的形成主要是由于搅拌头的破碎与搅拌作用，将钢以碎片或颗粒的形式嵌入铝合金基体中，且与周围的铝合金基体发生冶金反应形成IMCs。

　　铝/钢界面处受到热循环作用与严重的塑性变形，在界面处的冶金反应较为复杂。W. Lee等人[26]采用TEM观察6056铝合金/304不锈钢FSW对接接头的微观组织，界面处的微观组织是由混合层与IMC层组成，如图6所示。通过EDS分析可知，混合层是由塑性变形的铝合金与不锈钢组成，呈旋涡状与类旋涡状结构。混合层晶粒的分布也存在着明显的差异，主要为拉长晶粒与超细晶。此外，IMC为FeAl4，其厚度约为250 nm。 R. S. Coelho等人[29]采用TEM分析6081铝合金/高强钢FSW对接接头界面处的微观组织，部分IMCs嵌入钢基体中，其厚度约为50 nm，呈带状分布。通过对反应层的物相分析可知，该IMC是Fe2Al5，如图7所示[29]。此外，接头的抗拉强度达到铝合金母材强度的80%。T. Watanabe等人[16]采用SEM在A5083铝合金/SS400中碳钢FSW对接接头中观察到少量IMCs，通过EDS检测，其IMCs为FeAl与FeAl3，接头的抗拉强度达到铝合金母材强度的86%，并指出过厚的IMCs严重恶化接头的性能。因此，铝/钢FSW对接接头中IMCs厚度对接头性能有着重要的影响。而接头中IMCs的产生与分布受工艺参数的控制，故研究工艺参数与接头中IMCs的之间的关系对提高接头的性能具有指导性意义。

　　铝/钢FSW对接工艺参数主要包括转速、焊接速度、偏置量等，其中转速与焊接速度决定铝/钢异质金属FSW界面处的热输入与温度。在FSW过程中，忽略搅拌针与工件的摩擦热以及焊接过程中的热量损失，其热输入为[30]

　　式中：T为界面温度，℃;Tm为熔点，℃;V为焊接速度，mm/min;ω为角速度，rad/s;α为0.04;K为0.65。结合公式(1)～(2)可知，在一定范围内，适当提高转速或降低焊接速度，焊缝区产热增加，界面温度升高，有利于铝合金的塑化，较小的轴肩下压量就可以获得质量可靠的接头。但是，转速降低或焊接速度升高时，焊缝区产热减少，界面温度降低，不足以使铝合金塑化，不能实现高强度的连接。转速过高或焊接速度过低，焊缝区产生的摩擦热过多，界面温度过高，铝合金过于塑化，从而引起界面处产生过厚的IMCs，严重恶化接头的性能。 M. Dehghani等人[32]采用FSW获得5186铝合金/St-52钢对接接头，当采用较低的焊接速度时，界面处产生较厚的IMCs，接头的强度较差。随着焊接速度的增加，界面处IMCs减少，接头的强度显著增加。通过XRD检测，界面处IMCs为Fe2Al5相与FeAl6相。当转速355 r/min、焊接速度56 mm/min时，界面处IMCs厚度为0.5 μm，接头的强度达到最大值246 MPa，达到铝合金母材强度的90%。T.Tanaka等人[33]采用FSW实现了7075铝合金与中碳钢的对接，研究发现界面处IMCs随着转速的增加逐渐增厚，而接头的强度随着IMCs增厚呈指数的形式降低。当转速500 r/min、焊接速度100 mm/min时，界面处IMCs厚度为0.1 μm，接头的强度达到最大值333 MPa。Lan Shuhuai等人[25]研究了工艺参数对6061铝合金/TRIP780钢FSW对接接头反应层IMCs分布的影响，如图8所示。较高的转速与较小的偏置量促使IMCs增厚，这主要是由于较高的转速提高界面温度，加速合金元素的扩散，同时为IMCs的形核与生长提供更多的能量。较小的偏置量导致更多的钢屑进入搅拌区，为冶金反应提供更多的Fe原子。但是，界面处IMCs随着焊接速度的增加而减少。因此，合理調整工艺参数，控制界面处的热输入与温度，获得少量IMCs分布的高质量接头。此时，铝/钢异质金属FSW对接接头的连接机制为机械咬合与冶金结合。

　　3 铝/钢搅拌摩擦搭接焊

　　铝/钢搅拌摩擦搭接焊(friction stir lap welding， FSLW)时，被焊材料的相对位置与搅拌针的下压量是影响铝/钢焊接质量的关键因素。通常铝板置于上方，有利于材料的塑性流动、焊缝成形，同时减小搅拌头的磨损[34-35]。若钢板置于上方，钢板搅拌区的温度高于铝合金的熔点，铝合金发生熔化，无法实现铝/钢高质量连接，其搭接方式，如图9所示[18]。

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