許 輝，夏佩云，張選明，閆學(xué)文，朱 帥，封小松，袁雅俊，周佳俊

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

異種金屬連接件由于具備兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，在航空航天輕量化及接頭密封的需求下引起重點(diǎn)關(guān)注，不銹鋼與鋁合金由于被廣泛應(yīng)用，其可靠連接成為研究的熱點(diǎn)之一。不銹鋼與鋁合金的焊接由于鋼鋁物理化學(xué)性能差異較大，熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)及熔點(diǎn)等差異，常規(guī)的熔化焊方法容易產(chǎn)生大量金屬間化合物，難以獲得優(yōu)良的焊縫[1–2]。旋轉(zhuǎn)摩擦焊為一種高效、綠色的固相連接技術(shù)，能夠有效控制鋼鋁接頭界面處的金屬間化合物[3–6]，成為鋼鋁異種材料焊接的主要方法之一。趙衍華等[7]研究了2219 鋁合金與不銹鋼的慣性摩擦焊工藝，獲得的接頭金屬間化合物厚度為1 μm。張麗娜等[8]研究了LF6 鋁合金與不銹鋼的摩擦焊工藝，獲得的接頭抗拉強(qiáng)度為210 MPa左右，但不銹鋼與6061 鋁合金異種材料的旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術(shù)研究相對(duì)較少。

6061 鋁 合金是Al–Mg–Si 系 鋁合金，其耐蝕性能好，成形和工藝性能良好，1Cr18Ni9Ti 不銹鋼具有良好的耐晶界腐蝕性和高溫強(qiáng)度，這兩種材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。以1Cr18Ni9Ti 不銹鋼和6061 鋁合金為研究對(duì)象，采用旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)。分析不同工藝參數(shù)對(duì)接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響，研究其旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝特性。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)采用1Cr18Ni9Ti 不銹鋼和6061 鋁合金，鋼棒外徑為Φ16 mm，鋁棒外徑為Φ40 mm，材料化學(xué)成分如表1 所示。不銹鋼為固溶態(tài)，抗拉強(qiáng)度≥550 MPa；鋁合金為T6 態(tài)，抗拉強(qiáng)度≥310 MPa。

表1 不銹鋼與鋁合金主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main chemical components of stainless steel and aluminum alloy (mass fraction) %

采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦焊設(shè)備（MCH–32）進(jìn)行焊接，接頭形式為對(duì)接，焊接示意圖如圖1 所示。工藝參數(shù)中摩擦壓力3.3 kN，摩擦?xí)r間4 s，摩擦變形量–4 mm，頂鍛保壓時(shí)間1.5 s。上述參數(shù)保持不變，調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度和頂鍛力，分析工藝對(duì)焊接性能的影響。旋轉(zhuǎn)速度ω參數(shù)范圍為500～800 r/min，頂鍛壓力F參數(shù)范圍為3.6～4.2 kN。

圖1 旋轉(zhuǎn)摩擦焊示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of rotary friction welding (mm)

焊接后的試樣制成金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相觀察分析，將焊件加工成外徑為Φ16 mm 棒料進(jìn)行拉伸，接頭力學(xué)性能測(cè)試采用INSTRON–5967電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫成形

不銹鋼與鋁合金的旋轉(zhuǎn)摩擦焊縫主要由鋼鋁之間元素?cái)U(kuò)散形成的結(jié)合層組成。因此，焊縫成形重點(diǎn)考察鋼鋁的連接界面元素?cái)U(kuò)散形成的結(jié)合層情況。通過掃描曲線能夠發(fā)現(xiàn)元素的擴(kuò)散，結(jié)合掃描電鏡觀察結(jié)合層厚度。圖2 EDS 線掃描結(jié)果顯示焊接界面兩側(cè)發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，這表明鋼鋁界面在旋轉(zhuǎn)摩擦熱和頂鍛力的共同作用下，克服了原子的激活能，發(fā)生元素成分?jǐn)U散，并在鋼鋁界面處形成了結(jié)合層[9–10]。結(jié)合層厚度的控制對(duì)接頭性能有重要影響，分析不同的旋轉(zhuǎn)速度和頂鍛力對(duì)結(jié)合層厚度的影響，取樣位于距接頭中心位置4 mm 處。

圖2 元素?cái)U(kuò)散圖Fig.2 Element diffusion diagram

（1）旋轉(zhuǎn)速度對(duì)結(jié)合層的影響。保持頂鍛力為3.8 kN 不變，分別采用4 種旋轉(zhuǎn)速度（500 r/min、600 r/min、700 r/min、800 r/min）進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究旋轉(zhuǎn)速度對(duì)結(jié)合層厚度的影響。圖3 為旋轉(zhuǎn)速度對(duì)結(jié)合層厚度的影響曲線。

圖3 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)結(jié)合層厚度的影響Fig.3 Effect of rotation speed on binding layer thickness

從圖3 可見，隨著旋轉(zhuǎn)速度的提高，結(jié)合層的厚度逐漸增加，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為500 r/min 時(shí)，結(jié)合層厚度為0.85 μm；隨著旋轉(zhuǎn)速度提高到800 r/min，結(jié)合層厚度增加至1.36 μm。旋轉(zhuǎn)速度的提高增加了單位時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)熱，提高了鋼鋁界面溫度，元素?cái)U(kuò)散速度更快，有利于結(jié)合層的生成，相應(yīng)的厚度呈增加趨勢(shì)。

（2）頂鍛力對(duì)結(jié)合層的影響。保持旋轉(zhuǎn)速度600 r/min 不變，分別采用4 種不同的頂鍛力（3.6 kN、3.8 kN、4.0 kN、4.2 kN）進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究頂鍛力對(duì)結(jié)合層的影響。圖4為頂鍛力對(duì)結(jié)合層厚度的影響曲線，可以看出，隨著頂鍛力的提高，結(jié)合層的厚度先增加后減小，在頂鍛力為4.0 kN 時(shí)，達(dá)到最大值。當(dāng)頂鍛力較小時(shí)，鋁側(cè)形成的熱塑性金屬不能與鋼充分結(jié)合，界面中存在金屬氧化物及夾雜，阻礙了元素的擴(kuò)散，形成的結(jié)合層厚度相對(duì)較小；隨著頂鍛力的提高，摩擦產(chǎn)熱增加，且界面雜質(zhì)更容易被排出，有利于界面兩側(cè)元素的擴(kuò)散，結(jié)合層的厚度逐漸增加。當(dāng)頂鍛力過大時(shí)，鋁合金側(cè)熱塑性金屬被擠出界面，形成焊接飛邊，降低了連接界面溫度，不利于結(jié)合層的形成，結(jié)合層厚度相應(yīng)減小。

圖4 頂鍛力對(duì)結(jié)合層厚度的影響Fig.4 Effect of force on binding layer thickness

（3）結(jié)合層徑向分布。結(jié)合層在接頭的徑向上存在不均勻現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)速度600 r/min，頂鍛力3.8 kN 時(shí)，分析結(jié)合層在徑向的分布情況。在距離接頭中心分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm 的位置測(cè)量結(jié)合層厚度，圖5 為結(jié)合層厚度沿接頭徑向的分布?？梢钥闯觯拷宇^外側(cè)的結(jié)合層厚度較大，由于外側(cè)旋轉(zhuǎn)線速度高，摩擦產(chǎn)熱高，界面原子擴(kuò)散速度快，在相同條件下，結(jié)合層厚度也相應(yīng)較大。越靠近中心，相對(duì)旋轉(zhuǎn)線速度越低，摩擦產(chǎn)熱越少，結(jié)合層厚度也相應(yīng)較小。

圖5 結(jié)合層厚度沿徑向的分布Fig.5 Radial distribution of bonding layer thickness

2.2 接頭微觀組織

圖6 為焊縫橫截面金相。旋轉(zhuǎn)速度600 r/min，頂鍛力為3.8 kN，分析接頭微觀組織，從圖6（a）可以看出，不銹鋼側(cè)的母材未發(fā)生明顯變化，鋁合金側(cè)的母材晶粒在熱力影響作用下形成細(xì)晶區(qū)和熱影響區(qū)。在旋轉(zhuǎn)摩擦熱及擠壓旋轉(zhuǎn)力的作用下，鋁合金側(cè)發(fā)生變形晶粒沿旋轉(zhuǎn)方向被拉長(zhǎng)，并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，鋁合金較快的冷卻速度使晶粒來不及長(zhǎng)大從而形成細(xì)晶區(qū)（圖6（b）），同時(shí)由于焊接熱影響作用，靠近細(xì)晶區(qū)的母材晶粒受熱增大（圖6（c）），形成了熱影響區(qū)。

圖6 焊縫橫截面金相Fig.6 Metallography of weld cross section

2.3 接頭力學(xué)性能

（1）接頭硬度。在旋轉(zhuǎn)速度600 r/min，頂鍛力3.8 kN 時(shí)，對(duì)鋼鋁旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，以鋼鋁界面為中心，沿焊接接頭兩側(cè)方向測(cè)試，厚度方向取外、中、內(nèi)3 處位置，硬度分布曲線如圖7 所示，可見，外、中、內(nèi)3 處的硬度分布趨勢(shì)基本一致，外側(cè)的整體硬度相對(duì)較高。鋁合金側(cè)硬度在距離界面–0.1～0 mm 有所升高，與橫截面金相中的細(xì)晶區(qū)范圍相當(dāng)，在–0.2～ –0.1 mm 有輕微下降，對(duì)應(yīng)橫截面金相中的熱影響區(qū)。不銹鋼側(cè)硬度靠近界面處有所升高，0.5 mm 范圍外恢復(fù)母材硬度。

圖7 硬度分布曲線Fig.7 Hardness distribution curves

（2）接頭抗拉強(qiáng)度。焊接頂鍛力固定為3.8 kN，研究旋轉(zhuǎn)速度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，從圖8 可以看出，旋轉(zhuǎn)速度為500～800 r/min 時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度先增加后下降。旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度有重要影響，旋轉(zhuǎn)速度必須足夠大才能使摩擦產(chǎn)生足夠的熱量，使鋼鋁之間形成有效的冶金結(jié)合。結(jié)合焊縫金相分析，結(jié)合層厚度太小無法獲得較高的接頭抗拉強(qiáng)度，結(jié)合層厚度超過一定范圍后接頭抗拉強(qiáng)度下降。在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min 時(shí)獲得1Cr18Ni9Ti 不銹鋼與6061 鋁合金接頭抗拉強(qiáng)度值為262 MPa。

圖8 旋轉(zhuǎn)速度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系Fig.8 Relationship between rotation speed and tensile strength

旋轉(zhuǎn)速度固定為600 r/min，分析鋼鋁旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度與頂鍛力的關(guān)系，如圖9 所示，在3.6～3.8 kN 之間，頂鍛力增大會(huì)導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度增加，但頂鍛力超過3.8 kN 后接頭性能下降。頂鍛力增大，摩擦扭矩增加，有利于接頭鋁合金側(cè)的塑性變形，使晶粒更加細(xì)化，有利于接頭性能提高，但頂鍛力過大會(huì)擠壓排出塑性鋁合金，減少高溫塑性鋁合金與不銹鋼的擴(kuò)散，接頭抗拉強(qiáng)度有所下降。

圖9 頂鍛力與抗拉強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Relationship between force and tensile strength

結(jié)合層的厚度應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，厚度太小元素?cái)U(kuò)散不充分，接頭冶金連接較弱，結(jié)合層厚度太大，由于金屬間化合物自身脆性，會(huì)降低接頭的性能[11]。

在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min，頂鍛力為3.8 kN 時(shí)，對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦焊拉伸試樣斷口進(jìn)行分析，由圖10 可以發(fā)現(xiàn)，斷裂位置主要位于鋼鋁連接界面，部分位于鋁合金側(cè)。圖11 為斷口SEM掃描圖，焊接斷口存在小而淺的韌窩。結(jié)合層主要由金屬間化合物組成，本身屬于脆性相，但其厚度可以通過一定的工藝優(yōu)化進(jìn)行控制，在合適的參數(shù)范圍內(nèi)，鋼/鋁接頭斷裂未完全沿結(jié)合層脆性斷裂，斷口韌窩說明接頭從鋁合金側(cè)的細(xì)晶區(qū)及鋁合金母材之間的熱影響區(qū)韌性斷裂，韌窩小而淺，也說明了鋼鋁接頭韌性相對(duì)較差。

圖10 拉伸試樣斷裂位置Fig.10 Fracture position of tensile specimen

3 結(jié)論

（1）1Cr18Ni9Ti 不銹鋼與6061鋁合金的連接界面發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，形成了連續(xù)的結(jié)合層，旋轉(zhuǎn)速度的提高能夠增加結(jié)合層的厚度，隨著頂鍛力的提高，結(jié)合層的厚度先增加后減小。

（2）鋼鋁界面處的鋁合金晶粒發(fā)生拉長(zhǎng)變形，出現(xiàn)晶粒細(xì)化現(xiàn)象，形成了細(xì)晶區(qū)和熱影響區(qū)，EDS 線掃描結(jié)果顯示了焊接界面處發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散。

（3）界面處母材硬度有所提高，接頭抗拉強(qiáng)度隨著旋轉(zhuǎn)速度和頂鍛力的提高先增加后減小，在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min，頂鍛力為3.8 kN 時(shí)獲得1Cr18Ni9Ti 不銹鋼與6061 鋁合金接頭最高抗拉強(qiáng)度值為262 MPa。

（4）斷裂位置主要位于鋼鋁連接界面，部分位于鋁合金側(cè)，焊接斷口存在小而淺的韌窩，接頭更有可能從鋁合金側(cè)的細(xì)晶區(qū)及母材之間的熱影響區(qū)韌性斷裂，韌窩小而淺，也說明了接頭韌性相對(duì)較差。