張忠科，胥春龍，于 洋，王希靖

（蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

鋁鋼異種材料攪拌摩擦搭接焊接工藝

張忠科，胥春龍，于 洋，王希靖

（蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

以3 mm厚的5A02與1 mm厚的DP600攪拌摩擦搭接接頭為研究對象，研究搭接次序與微觀組織、金屬間化合物、力學(xué)性能以及斷裂形式的關(guān)系。結(jié)果表明，在摩擦熱循環(huán)作用下，焊縫金屬先達(dá)到塑性狀態(tài)，隨后塑性金屬發(fā)生再結(jié)晶形成四個(gè)不同的區(qū)域；XRD物相分析表明，焊縫處有AlFe和Al13Fe4金屬間化合物生成；接頭的顯微硬度分布近似成M型；接頭的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了鋁母材拉伸強(qiáng)度的38.3％，拉伸斷裂位置都發(fā)生在鋁鋼搭接界面處，鋼在上側(cè)斷裂方式主要為脆性斷裂，而鋁在上側(cè)時(shí)的斷裂方式以韌性斷裂為主。

攪拌摩擦焊；DP600；微觀組織；力學(xué)性能；金屬間化合物

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用材料為退火態(tài)Al-Mg系5A02防銹鋁，測得其抗拉強(qiáng)度為217 MPa，斷后伸長率23％；鋼母材為具有馬氏體和鐵素體雙相組織的鍍鋅雙相鋼DP600，其屈服強(qiáng)度大于等于340 MPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa，伸長率大于等于24％。母材的化學(xué)成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用DP600和5A02的化學(xué)成分％

1.2 焊接方法

實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，分組及焊接參數(shù)如表2所示，保持焊接速度和下壓量相同。焊后對焊接接頭進(jìn)行金相分析、XRD物相分析、顯微硬度測試和靜態(tài)拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用掃描電鏡觀察拉伸后的斷口。

表2 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相顯微組織分析

母材金相組織如圖1所示，光學(xué)顯微照片如圖2所示。比較轉(zhuǎn)速為600 r/min和1 000 r/min的光學(xué)顯微照片發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速從600r/min增加到1000r/min，鋼側(cè)HAZ、TMAZ和WN區(qū)域晶粒明顯長大，這是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，熱輸入增大，導(dǎo)致晶粒長大，即在其他參數(shù)不變的條件下（焊接速度、下壓量等），晶粒隨著轉(zhuǎn)速的增大而長大[5-6]。隨著轉(zhuǎn)速的增大，鋁側(cè)HAZ、TMAZ和WN區(qū)域晶粒明顯長大，原因與上述鋼側(cè)的分析相同。對于鋁上鋼下，鋼側(cè)和鋁側(cè)也有相同規(guī)律，即隨著轉(zhuǎn)速增加，晶粒明顯長大。

圖1 母材金相組織

2.2 XRD物相分析結(jié)果

Y.C.Chen等人在攪拌針未扎入鋼板的前提下，進(jìn)行了AC4C鋁合金和鍍鋅低碳鋼板連接，發(fā)現(xiàn)焊接速度對抗拉強(qiáng)度和斷裂位置影響較大，且斷裂發(fā)生在界面遺留的鋅與金屬間化合物之間，金屬間化合物的主要相組成為Al5Fe2和Al13Fe4[7-8]。在鋁-鋼攪拌摩擦焊接過程中，母材與焊核之間都發(fā)生了元素的擴(kuò)散。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硬脆的Fe-Al金屬間化合物，這對接頭性能極為不利[9-10]。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結(jié)合。

使用D/Max-2400型X射線衍射儀對轉(zhuǎn)速為800 r/min的鋼上鋁下和鋁上鋼下的焊縫截面都進(jìn)行物相分析，得到的X射線衍射波譜波形幾乎一樣，只是強(qiáng)度不同，如圖3所示，說明僅僅是物質(zhì)的含量不同。采用jade軟件分析得到焊縫中除了有鋁和鋼外，兩個(gè)試樣中金屬間化合物以AlFe和Al13Fe4為主。在350℃～450℃持續(xù)時(shí)間很短的情況下，鋁和鐵很難發(fā)生化合反應(yīng)，但是由于攪拌針的劇烈攪拌作用，兩種材料激烈混合，極大加速了化合反應(yīng)。另外，發(fā)現(xiàn)鋁和鋼的波峰與標(biāo)準(zhǔn)樣品的波峰有所偏離，其原因可能是在攪拌摩擦焊過程中焊縫材料經(jīng)歷了較大塑性變形，使兩種金屬晶格發(fā)生了畸變[11]。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的光學(xué)顯微組織

圖3 800 r/min鋁上鋼下和鋼上鋁下X射線衍射波形

2.3 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果

鋼母材處硬度為110～120 HV，鋁母材處硬度為50 HV。由于焊核區(qū)形成了金屬間化合物AlFe和Al13Fe4，并且該區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形導(dǎo)致加工硬化，從而使鋁和鋼從母材到焊縫中心硬度升高，如圖4和圖5所示。在“釘子”附近的硬度最高，這可能是因?yàn)椤搬斪印备浇匿摵弯X的混合最為充分，形成的金屬間化合物多于焊縫中心部位的；接頭的顯微硬度值在焊縫中心兩側(cè)的分布趨勢基本對稱，但后退側(cè)的顯微硬度值略高于前進(jìn)側(cè)，這是前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的金屬在焊接過程中的變化及流動(dòng)不一致所致。在后退側(cè)，組織致密，畸變能增加，加工硬化現(xiàn)象較焊縫前進(jìn)側(cè)明顯[12]，并且在焊縫的后退側(cè)，金屬的塑性流動(dòng)性好于前進(jìn)側(cè)，生成的金屬間化合物多于前進(jìn)側(cè)，其塑性變形也比前進(jìn)側(cè)充分。由圖4可知，鋁側(cè)沒有出現(xiàn)接頭軟化現(xiàn)象，熱影響區(qū)的硬度均在50 HV以上，而在常規(guī)的熔焊方法中，鋁合金焊接熱影響區(qū)均會出現(xiàn)不同程度的軟化現(xiàn)象，這說明攪拌摩擦焊焊接鋁鋼時(shí)，可避免鋁側(cè)接頭的軟化。

2.4 焊接接頭拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

通過拉伸-剪切實(shí)驗(yàn)來評估焊接接頭的力學(xué)性能，最大剪切載荷與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表3、圖6所示，最大載荷出現(xiàn)在800 r/min鋁上鋼下的情況下；鋁上鋼下時(shí)的抗剪強(qiáng)度普遍高于鋼上鋁下時(shí)的強(qiáng)度。

圖4 鋁上鋼下鋁側(cè)硬度分布

圖5 鋼上鋁下鋼側(cè)硬度分布

表3 最大剪切載荷與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖6 最大剪切載荷與轉(zhuǎn)速關(guān)系

2.5 斷口形貌分析

拉伸斷裂都發(fā)生在鋁鋼的搭接界面金屬間化合物之間，如圖7所示。兩種斷口形貌都包含了韌性和脆性兩種斷裂形貌，當(dāng)鋼在上側(cè)時(shí)其斷裂形貌主要為脆性斷裂形貌，而鋁在上側(cè)時(shí)以韌性斷裂形貌為主。在切應(yīng)力的作用下出現(xiàn)了拋物線狀的韌窩，剪切韌窩的方向指向裂紋源，而其反方向?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展方向，并且韌窩拋物線偏向左邊，說明拉伸斷裂時(shí)剪應(yīng)力的方向是向左的，并且這種剪切韌窩通常出現(xiàn)在拉伸斷口的剪切唇區(qū)。

圖7 鋁板斷口形貌

3 結(jié)論

（1）在拉伸-剪切試驗(yàn)中，斷口都出現(xiàn)在搭接界面處，鋁上鋼下的力學(xué)性能明顯優(yōu)于鋼上鋁下的力學(xué)性能。

（2）FSW搭接接頭組織中，焊核區(qū)晶粒最細(xì)小，熱影響區(qū)的晶粒比熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)的晶粒都要大；在其他參數(shù)不變的條件下，晶粒隨著轉(zhuǎn)速的增大而長大。

（3）鋁鋼搭接界面處有AlFe和Al13Fe4金屬間化合物生成。

（4）接頭的顯微硬度分布近似成M型，焊核區(qū)的硬度比母材大很多；在“釘子”附近的硬度高于焊縫中心區(qū)域的硬度。

（5）通過斷口形貌分析，鋁上鋼下的斷裂形式主要為韌性斷裂，并且斷口中出現(xiàn)了拋物線狀的剪切韌窩。

[1]李輝鳳，李建萍，魯貞華，等.鋁-鋼異種金屬攪拌摩擦焊研究[A].江西省焊接學(xué)會論文專集[C]，2010.

[2]WU Shouhui，CHEN Sijie，NIU Jitai，et al.Research on Spot Welding Between Aluminum and Steel Dissimilar Metal for AutomobileBody.Hot Working Technology，2013，42（11）：16-20.

[3]HUANG Jian kang，HE Cui cui，SHI Yu，et al.Thermodynamic analysis of Al-Fe intermetallic compounds formed by dissimilar joining of aluminum and galvanized steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A，2014，44（4）：1037-1041.

[4]楊陽，石巖.鋁和鋼異種金屬焊接發(fā)展現(xiàn)狀[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21（2），21-25.

[5]Elrefaey A，Gouda M，Takahashi M，et al.Characterization of Aluminum/Steel Lap Joint by Friction Stir Welding[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2005，14（1）：10-17.

[6]徐效東，楊新岐，吳鐵，等.鋁合金攪拌摩擦焊搭接接頭工藝及組織性能研究[J].熱加工工藝，2010，39（15）：125-129.

[7]Chen Y C，Komazaki T，Kim Y G，et al.Interface microstructure study of friction of stir lap joint of AC4C cast aluminum alloy and zinc-coated steel[J].Material Chemistry and Physics，2008：375-380

[8]Das H，Ghosh R N，Pal T K.Study on the Formation and Characterization of the Intermetallics in Friction Stir Welding of Aluminum Alloy to Coated Steel Sheet Lap Joint [J].Metallurgical and Materials Transactions A，2014，45（11）：5098-5106.

[9]Kittipong Kimapong，TakehikoWatanabe.LapjointofA5083 Aluminum Alloy and SS400 Steel by Friction STIR Welding[J].Materials Transactions，2005，4（46）：835-841.

[10]Ghosh R K，Gupta M，Husain M.Friction Stir Welding of Stainless Steel to Al Alloy:Effect of Thermal Condition on Weld Nugget Microstructure[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2014，45（2）：854-863.

[11]王希靖，申志康，張忠科.鋁和鍍鋅鋼板的攪拌摩擦焊搭接分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（12）：97-100.

[12]Shi Li hue.Study on the microstructure and mechanical properties of friction stir welded aluminum alloys[D].Jilin：Jilin University，2010.

Page 13

[3]孟宣宣，王春明，胡席遠(yuǎn).光纖激光焊接熔池和小孔的高速攝像與分析[J].電焊機(jī)，2010，40（11）：78-81.

[4]李時(shí)春，陳根余，周聰，等.萬瓦級光纖激光焊接小孔內(nèi)外等離子體研究[J].物理學(xué)報(bào)，2014，63（10）：1-8.

[5]李時(shí)春.萬瓦級激光深熔焊接中金屬蒸氣與熔池耦合行為研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[6]Li S，Chen G，Zhang M，et al.Dynamic keyhole profile during high-power deep-penetration laser welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2014（214）：565-570.

[7]Kaplan A F H，Westin E M，Wiklund G，et al.Imaging in cooperation with modeling of selected defect mechanisms during fiber laser welding of stainless steel[C].Proc.ICALEO（Temecula，USA），2008：1701.

[8]Berger P，HügelH，Graf T.Understanding pore formation in laser beam welding[J].Physics Procedia，2011（12）：241-247.

[9]Eriksson I，Powell J，Kaplan A F H.Melt behavior on the keyhole front during high speed laser welding[J].Optics and Lasers in Engineering，2013（51）：735-740.

[10]Golubev V S.Laser welding and cutting：recent insights into fluid-dynamics mechanisms[J].Proc.of SPIE，2003（5121）：1-15.

[11]Golubev V S.Possible hydrodynamic phenomena in deeppenetration laser channels[C].Proc.SPIE，2000，3888：244-253.

[12]Kumar N，Dash S，Tyagi A K，et al.Hydrodynamical phenomena in the process of laser welding and cutting[J].Science and Technology of Welding and Joining，2007，12（6）：540-548.

[13]Li S，Chen G，Katayama S，et al.Experimental study of phenomena and multiple reflections during inclined laser irradiating[J].Science and Technology of Welding and Joining，2014，19（1）：82-90.

[14]張建斌，張健，樊丁，等.基于VOF方法激光定點(diǎn)焊小孔行為的數(shù)值分析[J].電焊機(jī)，2014，44（10）：99-103.

Processing analysis of friction stir lap welding of aluminum and steel

ZHANG Zhongke，XU Chunlong，YU Yang，WANG Xijing
（Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology State，Lanzhou 730050，China）

The welding of a lap joint of dissimilar aluminum alloy 5A02 plate of 3mm thickness and DP600 steel plate of 1 mm thickness was carried out by friction stir welding to investigate the correlation of the welding lap sequence，the microstructure，intermetallic compound，mechanical properties and fracture mode.The results show that，under the effect of thermal cycle in the friction，weld metal reaches plastic state，and the plastic metal recrystallization.Microstructure analyses show that the cross section of FSW joint can be divided into four different areas.The result of XRD shows that inter-metallic compound AlFe and Al13Fe4 has produced in the weld.The distribution of the micro-hardness of joint approximately belongs to M type.The shear strength of the joint reaches a maximum of 38.3％of the aluminum alloy.Tensile-shear fracture occurs in the aluminum and steel lap weld interface，fracture mode mainly for brittle fracture when steel in the upper，and fracture mode mainly for ductile fracture when aluminum in the upper.

friction stir welding；DP600；microstructure；mechanical properties；intermetallic compound

TG457.1

A

1001-2303（2016）10-0014-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.03

0 前言

獻(xiàn)

張忠科，胥春龍，于洋，等.鋁鋼異種材料攪拌摩擦搭接焊接工藝[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：14-18.

2016-04-01；

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51265030）；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014GS03264）

張忠科（1978—），男，山東濟(jì)南人，副教授，博士，主要從事焊接設(shè)備及其自動(dòng)化，新型連接技術(shù)等方面的研究工作。

在工業(yè)領(lǐng)域中，鋁鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)同時(shí)發(fā)揮兩種材料各自的性能，并具有輕質(zhì)化、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。鋁鋼異種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在保證安全的前提下，可以有效地減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而如何解決鋁-鋼異種材料間的可靠連接是決定其安全使用的關(guān)鍵問題[1]。鋁合金和鋼異種金屬的連接也成為焊接領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。采用傳統(tǒng)熔焊方法進(jìn)行鋁鋼異種金屬連接時(shí)，極易生成金屬間化合物，嚴(yán)重影響了接頭的力學(xué)性能，甚至不能形成連續(xù)的焊縫[3]。攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，焊接過程中能有效避免金屬間化合物的產(chǎn)生及氣孔、裂紋等缺陷，因此通過攪拌摩擦焊工藝實(shí)現(xiàn)鋁和鋼相對較好的連接并滿足使用要求[4]。