鍍鋅鋼板與6061鋁合金搭接攪拌摩擦釬焊

高鵬宇，許惠斌，李添翼，李小飛，胡盛情，周天濤，黃宏

（重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

鋼與鋁兩種合金的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)于現(xiàn)代制造業(yè)有降低重量、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、建筑、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注[1—4]，但是，鋁與鋼之間由于存在很大的性能差異，焊后有巨大的殘余應(yīng)力產(chǎn)生。同時(shí)硬而脆的 Fe-Al金屬間化合物如Fe3Al, Fe2Al5, FeAl3，極易在較高的焊接熱循環(huán)條件下出現(xiàn)，厚的金屬間化合物層容易造成裂紋[5—8]。這兩個(gè)原因共同限制了鋁-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在制造業(yè)中的應(yīng)用。

攪拌摩擦焊是熱-機(jī)共同作用的焊接方法，塑性流動(dòng)金屬相互攪拌、混合，最后形成高質(zhì)量接頭[9—11]。由于焊接過程不會(huì)因金屬熔化和凝固而發(fā)生裂縫等缺陷，焊接過程能耗低、成本少、沒有空氣污染和光污染，這些優(yōu)勢(shì)奠定了攪拌摩擦焊的前景[12—13]。攪拌摩擦釬焊(FSB)是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上，在待焊工件中間加入一層薄的中間層，防止焊件基體的直接接觸，使界面金屬間化合物類型和厚度發(fā)生變化[14—15]。文中采用純Zn箔片作為FSB中間層，在不同焊接轉(zhuǎn)速下，分析了 Q235鍍鋅鋼與 6061鋁合金接頭的元素分布及力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料鋼為電鍍鋅 Q235鋼板，鍍鋅量為60 g/mm2，尺寸為70 mm×50 mm×1 mm。鋁合金選用6061鋁合金，尺寸為70 mm×50 mm×2 mm。中間層材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的純Zn箔片，熔點(diǎn)為420 ℃。Zn中間層尺寸為 70 mm×20 mm，中間層厚度為0.3 mm。Q235含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%～0.30%的Si，0.14%～0.22%的C，0.30%～0.35%的Mn，余量為Fe；6061鋁合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的Fe，0.4%～0.8%的 Si，0.02%～0.25%的 C，0.8%～1.2%的 Mg，0.15%的Mn，余量為Al。

焊前先用粗砂紙打磨母材待焊表面，然后用酒精清洗。以純Zn箔片作為中間層的FSB見圖1。試驗(yàn)所用攪拌頭為圓柱攪拌頭。焊接參數(shù)為：焊接速度為44 mm/min，壓入量為0.5 mm，攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為660,1320, 1750 r/min。通過德國生產(chǎn)的Sigma HD掃描電子顯微鏡觀察FSB接頭形貌，同時(shí)分析各微區(qū)成分。使用HVS-1000顯微硬度儀測(cè)量接頭顯微硬度，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的間距為0.1 mm，壓頭加載載荷為0.1 kN，壓頭加載時(shí)間為10 s。

圖1 加中間層攪拌摩擦釬焊Fig.1 Friction stir brazing with Zn intermediate layer

2 結(jié)果及分析

2.1 接頭在不同轉(zhuǎn)速的宏觀形貌

不同轉(zhuǎn)速下接頭宏觀SEM見圖2。660 r/min轉(zhuǎn)速焊接時(shí)，中心界面處為一層厚的Zn過渡層，而攪拌針邊緣位置未被攪拌，近界面處鋁合金中出現(xiàn)大的孔洞。轉(zhuǎn)速為1320 r/min情況下，F(xiàn)SB界面中心區(qū)域的Zn過渡層變薄，以波浪狀沿界面分布。此時(shí)更大量流動(dòng)的Zn進(jìn)入到焊縫，在塑性流動(dòng)階段與Al反應(yīng)，生成熔點(diǎn)較低的Zn-Al共晶合金，此時(shí)攪拌區(qū)域金屬流動(dòng)性變好，高效的填充攪拌針前進(jìn)側(cè)留下的空隙，使近縫區(qū)鋁合金中的孔洞減小。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速達(dá)到1750 r/min時(shí)，界面處的Zn只剩下較薄的一層Zn聚集層，大量的Zn隨著攪拌針流動(dòng)進(jìn)入到近縫區(qū)鋁合金中，形成大片的Zn聚集區(qū)域，近界面鋁合金中只有小孔洞出現(xiàn)。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下宏觀接頭SEMFig.2 SEM of joint microstructure at different rotational speed

2.2 接頭在不同轉(zhuǎn)速微觀形貌與元素分布

不同轉(zhuǎn)速下接頭微觀 SEM 見圖 3。采用較小660 r/min時(shí)，攪拌頭軸肩對(duì)6061鋁合金待焊表面摩擦較少，焊接輸入熱不足。界面處有部分區(qū)域未熔合。根據(jù)圖3d線能譜元素分布可知，近界面鋁合金焊縫區(qū)主要由Zn元素組成，界面處有少量Fe元素。由圖3a點(diǎn)1可知，此時(shí)界面處可能生成Fe-Zn10。在轉(zhuǎn)速1320 r/min情況下，近界面鋁合金攪拌更加劇烈，一層薄的過渡層在界面出現(xiàn)。根據(jù)圖 3e線能譜元素分布可知，過渡層 Fe-Al-Zn三種元素發(fā)生相互擴(kuò)散。同時(shí)根據(jù)3b點(diǎn)2可知，少量的Al被攪拌針帶到界面處，此時(shí)界面可能有Fe-Zn與Fe-Al兩種類型的金屬間化合物。沒有出現(xiàn)未熔合區(qū)域與裂紋等缺陷，結(jié)合良好。采用高轉(zhuǎn)速1750 r/min時(shí)，此時(shí)鋁合金焊縫混合更加劇烈，界面過渡層極薄，根據(jù)圖 3f線能譜元素分布可知，過渡層存在著 Fe-Al-Zn三種元素之間的擴(kuò)散。根據(jù)圖3c中點(diǎn)3可知，界面檢驗(yàn)出更多的Al元素與Fe元素。由于有更多的Fe-Al金屬間化合物生成，界面硬度梯度增加，在殘余應(yīng)力作用下，過渡層中間層產(chǎn)生裂紋缺陷。其中，點(diǎn) 1中 Zn和 Fe的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為91%和9%，點(diǎn)2中Zn, Al, Fe的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為80.29%, 3.54%, 16.17%，點(diǎn)3中Zn, Al, Fe的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為 71.49%, 5.66%,20.25%。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下接頭微觀形貌SEM與線掃描Fig.3 SEM of microstructure joint and line scan at different rotational speed

2.3 接頭在不同轉(zhuǎn)速下的最大平均拉剪力

轉(zhuǎn)速對(duì)接頭平均最大拉剪力的影響見圖4。隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增加，F(xiàn)SB接頭最大拉剪力先增加后降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1320 r/min時(shí)，F(xiàn)SB接頭平均拉剪力達(dá)到最大，為2.33 kN。這是因?yàn)樵谳^低的攪拌頭轉(zhuǎn)速情況下，熱輸入較低，元素?cái)U(kuò)散不充分，界面有未結(jié)合區(qū)域。在轉(zhuǎn)速較高的情況下，界面生成更多硬而脆的Fe-Al金屬間化合物，致使過渡層中出現(xiàn)微裂紋，接頭強(qiáng)度降低。在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下，界面結(jié)合良好。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下接頭平均最大拉剪力Fig.4 Maximum average tensile shear force at different rotational speed

2.4 接頭顯微硬度

不同轉(zhuǎn)速下接頭顯微硬度見圖5，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，界面處的顯微硬度逐漸增加，界面處Zn元素含量隨之降低。由于低轉(zhuǎn)速情況下，界面有較厚的Zn過渡層?？拷缑娴?061鋁合金與界面處的顯微硬度較低，界面生成物為硬度較低的Fe-Zn金屬間化合物。隨著轉(zhuǎn)速增加，硬度較高Fe-Al金屬間化合物在界面生成，同時(shí)界面過渡區(qū)域顯微硬度梯度增加，近縫區(qū)鋁合金與界面顯微硬度增加。

圖5 接頭不同區(qū)域顯微硬度Fig.5 Hardness of different zones in joint

3 結(jié)論

在 Zn中間層下通過 FSB連接 6061鋁合金與Q235鍍鋅鋼。分析在不同轉(zhuǎn)速下FSB接頭形貌組織及力學(xué)性能，得到以下結(jié)論。

1)當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速增加時(shí)，更多Zn元素進(jìn)入近縫區(qū)鋁合金中，增強(qiáng)了鋁合金塑性流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)性，能更好地填充攪拌頭前進(jìn)側(cè)孔洞，致使鋁合金近縫區(qū)孔洞減少。

2)轉(zhuǎn)速為660 r/min情況下，界面產(chǎn)生一層較厚的過渡層，界面金屬間化合物為 Fe-Zn10，部分區(qū)域未結(jié)合。轉(zhuǎn)速增加到1320 r/min時(shí)，過渡層厚度降低，界面由Fe-Zn和Fe-Al金屬間化合物構(gòu)成，此時(shí)界面連接較好。轉(zhuǎn)速為1750 r/min時(shí)，界面處Fe, Al元素含量升高，近界面過渡層出現(xiàn)裂紋。

3)隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，鍍鋅鋼/鋁合金接頭最大平均拉剪力先增加后減小，界面處顯微硬度增加，硬度梯度增加。1320 r/min轉(zhuǎn)速情況下，F(xiàn)SB接頭平均拉剪力最大，為2.33 kN。

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