鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊研究進(jìn)展

董紅剛 李艷光 李鵬 夏月慶 楊國(guó)舜

摘要：由于鋁、鋼的熱物理性能差異較大，且鐵在鋁中的固溶度極低，鋁/鋼異質(zhì)金屬焊接已成為該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。攪拌摩擦焊具有熱輸入低、熱循環(huán)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制鋁/鋼接頭中金屬間化合物的生長(zhǎng)，從而獲得高質(zhì)量的焊接接頭。文中綜述了鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，涉及攪拌頭材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，分析了對(duì)接、搭接與點(diǎn)焊三種形式接頭的組織與性能，并探討了鋁/鋼攪拌摩擦焊技術(shù)的未來研究方向。

關(guān)鍵詞：鋁/鋼異質(zhì)金屬;攪拌摩擦焊;焊接工藝;微觀組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG 453.9

Abstract：Joining aluminum to steel has been a difficult but hot research area due to the large difference in their thermal physical properties and the low solid solubility of Fe in Al. Friction stir welding with the advantage of low heat input and short thermal cycle can efficiently control the growth of intermetallic compounds to obtain high quality joints. This paper reviewed the research status of aluminum/steel dissimilar materials friction stir welding， involving material selection and structure design of pin tool. Besides， the microstructure and mechanical properties of butt joint， lap joint and spot joint were analyzed. The future research direction on friction stir welding of aluminum/steel was further discussed.

Key words：aluminum/steel dissimilar materials; friction stir welding; welding technology; microstructure; mechanical property

0?前言

鋁/鋼異種金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天等制造領(lǐng)域，如汽車采用鋼制框架、鋁制車身，既保證了汽車撞擊的安全性同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化。但是，由于鋁、鋼物理和化學(xué)性質(zhì)相差很大[1]，采用傳統(tǒng)的熔化焊方法，在焊縫處易形成偏析、夾渣等缺陷。同時(shí)，焊后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，易引起接頭開裂。此外，鐵在鋁中的固溶度很小，在焊縫處易產(chǎn)生過厚的金屬間化合物（Intermetallic compound， IMC），如Fe3Al，F(xiàn)eAl，F(xiàn)eAl2，F(xiàn)e2Al5，F(xiàn)e4Al13等[2]，嚴(yán)重惡化接頭性能[3-4]。因此，選擇合適的工藝方法控制界面處IMCs的產(chǎn)生與分布是實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異質(zhì)金屬高質(zhì)量連接的有效途徑。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鋁/鋼異質(zhì)金屬熔釬焊、固相焊等領(lǐng)域開展了大量研究，并取得了一定的成果。但是，由于熔釬焊過程中熱輸入量較大，在鋁/鋼焊縫處易產(chǎn)生過厚的IMCs，嚴(yán)重降低接頭的性能，難以保證高強(qiáng)度的連接[5-6]。因此，很多學(xué)者開始將鋁/鋼焊接研究的重點(diǎn)向固相焊轉(zhuǎn)移，包括擴(kuò)散焊[7]、電阻點(diǎn)焊[8-9]、攪拌摩擦焊[10]，由于焊接過程中母材不熔化，可減少界面處IMCs的產(chǎn)生。其中，擴(kuò)散焊過程熱循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，焊接效率低，無(wú)法批量生產(chǎn);電阻點(diǎn)焊接頭的強(qiáng)度低，疲勞性能差，應(yīng)用范圍受限;而攪拌摩擦焊技術(shù)具有熱輸入低、熱循環(huán)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制IMCs生長(zhǎng)，從而獲得高質(zhì)量鋁/鋼異質(zhì)接頭。目前，由于鋁/鋼異質(zhì)金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)件的迫切需求，鋁/鋼攪拌摩擦焊技術(shù)已成為焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊 （friction stir welding， FSW）的研究重點(diǎn)主要包括攪拌頭的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接頭形式 （對(duì)接、搭接、點(diǎn)焊）、組織與性能分析等。文中綜述了攪拌頭的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)接、搭接與點(diǎn)焊三種形式接頭的微觀組織與力學(xué)性能等國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并討論了鋁/鋼攪拌摩擦焊技術(shù)未來研究的方向。

1?攪拌頭的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW時(shí)，由于鋼的熔點(diǎn)高、硬度大，焊接過程易引起攪拌頭磨損，降低其服役壽命，同時(shí)攪拌頭磨損嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。為解決攪拌頭磨損問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用耐磨、耐高溫材料，如工具鋼、高速鋼、WC-Co合金鋼等制作攪拌頭[11-15]。目前，攪拌頭常用材料與結(jié)構(gòu)，如表1所示?？梢钥闯?，工具鋼、WC-Co合金鋼使用量較多。Xiong Jiangtao等人[11]設(shè)計(jì)了以H13模具鋼為軸肩、YG8硬質(zhì)合金鋼為攪拌針的組合式攪拌頭，在控制成本的基礎(chǔ)上，有效地提高了耐磨性與產(chǎn)熱量。此外，為了改善塑性金屬的流動(dòng)性，提高接頭的質(zhì)量，在常用錐形、柱狀攪拌針的基礎(chǔ)上[22]，又開發(fā)出了銑刀式攪拌針[11]、無(wú)攪拌針式攪拌頭[23]，如圖1所示。 Y. Uematsu等人[24]采用無(wú)攪拌針式攪拌頭對(duì)2 mm厚6061鋁合金與2 mm厚SPCC鋼進(jìn)行點(diǎn)焊，以軸肩與鋁板表面的摩擦熱作為熱源，僅依靠熱傳導(dǎo)作用將產(chǎn)生的摩擦熱傳遞至鋁/鋼界面處，在熱、力耦合的作用下發(fā)生冶金反應(yīng)形成接頭，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連接，抗剪強(qiáng)度達(dá)到62 MPa。但是，其焊接效果受到板厚的限制，一般不超過2 mm，主要是由于軸肩下壓量過大，易產(chǎn)生“hook”缺陷與鋁板減薄現(xiàn)象。因此，合理選擇攪拌頭的材料與結(jié)構(gòu)，增大摩擦力，提高摩擦熱，有利于焊縫金屬塑化，從而提高接頭質(zhì)量。

2?鋁/鋼攪拌摩擦對(duì)接焊

鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW對(duì)接焊時(shí)，被焊材料的相對(duì)位置、攪拌針的偏置量是影響鋁/鋼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通常將鋼作為前進(jìn)側(cè)，鋁作為后退側(cè)，攪拌針向鋁側(cè)偏置，焊縫成形與接頭性能較好[16， 25- 26]，焊接示意圖，如圖2所示[27]。這主要是鋁作為后退側(cè)時(shí)，鋁合金沿?cái)嚢栳樝蜾搨?cè)流動(dòng)并發(fā)生混合形成接頭。同時(shí)，少部分的鋼在攪拌針的攪拌作用與軸肩的摩擦作用下，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪Σ翢幔行У乜刂艻MCs的產(chǎn)生。

H.Uzun等人[28]采用FSW實(shí)現(xiàn)了6063-T4鋁合金與X5CrNi18-10不銹鋼的對(duì)接，焊縫成形與接頭的疲勞性能較好。接頭的組織形貌主要包括7個(gè)區(qū)域，即鋼-母材區(qū)（St-BM）、鋼-熱影響區(qū)（St-HAZ）、鋼-熱機(jī)影響區(qū)（St-TMAZ）、焊核區(qū)（WN）、鋁-熱機(jī)影響區(qū)（Al-TMAZ）、鋁-熱影響區(qū)（Al-HAZ）、鋁-母材區(qū)（Al-BM），如圖3～4所示[28]。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的鋁與斷碎的鋼片不均勻的分布在焊核區(qū)，呈旋渦狀結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為焊核區(qū)是鋁基復(fù)合增強(qiáng)材料。熱機(jī)影響區(qū)由于受到熱、力雙重作用，鋁-熱機(jī)影響區(qū)與鋼-熱機(jī)影響區(qū)的晶粒被拉長(zhǎng)、彎曲。鋁-熱影響區(qū)、鋼-熱影響區(qū)由于僅受熱循環(huán)的作用，其組織并沒有明顯的變化，與母材的組織基本一致。 Liu Xun等人[13]采用SEM觀察6061鋁合金/高強(qiáng)鋼FSW對(duì)接接頭焊核區(qū)的結(jié)構(gòu)，焊核區(qū)是由不同形狀和大小的鋼顆粒與IMCs增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，如圖5所示。這些結(jié)構(gòu)的形成主要是由于攪拌頭的破碎與攪拌作用，將鋼以碎片或顆粒的形式嵌入鋁合金基體中，且與周圍的鋁合金基體發(fā)生冶金反應(yīng)形成IMCs。

鋁/鋼界面處受到熱循環(huán)作用與嚴(yán)重的塑性變形，在界面處的冶金反應(yīng)較為復(fù)雜。W. Lee等人[26]采用TEM觀察6056鋁合金/304不銹鋼FSW對(duì)接接頭的微觀組織，界面處的微觀組織是由混合層與IMC層組成，如圖6所示。通過EDS分析可知，混合層是由塑性變形的鋁合金與不銹鋼組成，呈旋渦狀與類旋渦狀結(jié)構(gòu)。混合層晶粒的分布也存在著明顯的差異，主要為拉長(zhǎng)晶粒與超細(xì)晶。此外，IMC為FeAl4，其厚度約為250 nm。 R. S. Coelho等人[29]采用TEM分析6081鋁合金/高強(qiáng)鋼FSW對(duì)接接頭界面處的微觀組織，部分IMCs嵌入鋼基體中，其厚度約為50 nm，呈帶狀分布。通過對(duì)反應(yīng)層的物相分析可知，該IMC是Fe2Al5，如圖7所示[29]。此外，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋁合金母材強(qiáng)度的80%。T. Watanabe等人[16]采用SEM在A5083鋁合金/SS400中碳鋼FSW對(duì)接接頭中觀察到少量IMCs，通過EDS檢測(cè)，其IMCs為FeAl與FeAl3，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋁合金母材強(qiáng)度的86%，并指出過厚的IMCs嚴(yán)重惡化接頭的性能。因此，鋁/鋼FSW對(duì)接接頭中IMCs厚度對(duì)接頭性能有著重要的影響。而接頭中IMCs的產(chǎn)生與分布受工藝參數(shù)的控制，故研究工藝參數(shù)與接頭中IMCs的之間的關(guān)系對(duì)提高接頭的性能具有指導(dǎo)性意義。

鋁/鋼FSW對(duì)接工藝參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速、焊接速度、偏置量等，其中轉(zhuǎn)速與焊接速度決定鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW界面處的熱輸入與溫度。在FSW過程中，忽略攪拌針與工件的摩擦熱以及焊接過程中的熱量損失，其熱輸入為[30]

式中：T為界面溫度，℃;Tm為熔點(diǎn)，℃;V為焊接速度，mm/min;ω為角速度，rad/s;α為0.04;K為0.65。結(jié)合公式（1）～（2）可知，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速或降低焊接速度，焊縫區(qū)產(chǎn)熱增加，界面溫度升高，有利于鋁合金的塑化，較小的軸肩下壓量就可以獲得質(zhì)量可靠的接頭。但是，轉(zhuǎn)速降低或焊接速度升高時(shí)，焊縫區(qū)產(chǎn)熱減少，界面溫度降低，不足以使鋁合金塑化，不能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的連接。轉(zhuǎn)速過高或焊接速度過低，焊縫區(qū)產(chǎn)生的摩擦熱過多，界面溫度過高，鋁合金過于塑化，從而引起界面處產(chǎn)生過厚的IMCs，嚴(yán)重惡化接頭的性能。 M. Dehghani等人[32]采用FSW獲得5186鋁合金/St-52鋼對(duì)接接頭，當(dāng)采用較低的焊接速度時(shí)，界面處產(chǎn)生較厚的IMCs，接頭的強(qiáng)度較差。隨著焊接速度的增加，界面處IMCs減少，接頭的強(qiáng)度顯著增加。通過XRD檢測(cè)，界面處IMCs為Fe2Al5相與FeAl6相。當(dāng)轉(zhuǎn)速355 r/min、焊接速度56 mm/min時(shí)，界面處IMCs厚度為0.5 μm，接頭的強(qiáng)度達(dá)到最大值246 MPa，達(dá)到鋁合金母材強(qiáng)度的90%。T.Tanaka等人[33]采用FSW實(shí)現(xiàn)了7075鋁合金與中碳鋼的對(duì)接，研究發(fā)現(xiàn)界面處IMCs隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸增厚，而接頭的強(qiáng)度隨著IMCs增厚呈指數(shù)的形式降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速500 r/min、焊接速度100 mm/min時(shí)，界面處IMCs厚度為0.1 μm，接頭的強(qiáng)度達(dá)到最大值333 MPa。Lan Shuhuai等人[25]研究了工藝參數(shù)對(duì)6061鋁合金/TRIP780鋼FSW對(duì)接接頭反應(yīng)層IMCs分布的影響，如圖8所示。較高的轉(zhuǎn)速與較小的偏置量促使IMCs增厚，這主要是由于較高的轉(zhuǎn)速提高界面溫度，加速合金元素的擴(kuò)散，同時(shí)為IMCs的形核與生長(zhǎng)提供更多的能量。較小的偏置量導(dǎo)致更多的鋼屑進(jìn)入攪拌區(qū)，為冶金反應(yīng)提供更多的Fe原子。但是，界面處IMCs隨著焊接速度的增加而減少。因此，合理調(diào)整工藝參數(shù)，控制界面處的熱輸入與溫度，獲得少量IMCs分布的高質(zhì)量接頭。此時(shí)，鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW對(duì)接接頭的連接機(jī)制為機(jī)械咬合與冶金結(jié)合。

3?鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊

鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊（friction stir lap welding， FSLW）時(shí)，被焊材料的相對(duì)位置與攪拌針的下壓量是影響鋁/鋼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通常鋁板置于上方，有利于材料的塑性流動(dòng)、焊縫成形，同時(shí)減小攪拌頭的磨損[34-35]。若鋼板置于上方，鋼板攪拌區(qū)的溫度高于鋁合金的熔點(diǎn)，鋁合金發(fā)生熔化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋁/鋼高質(zhì)量連接，其搭接方式，如圖9所示[18]。

圖10為鋁/鋼FSLW接頭形貌。根據(jù)攪拌針的下壓量不同，鋁/鋼FSLW接頭的形貌包括兩種：①攪拌針壓入鋼表面時(shí)，界面處呈鋸齒狀條帶，如圖10a～10b所示[35]，其連接機(jī)制為機(jī)械咬合與冶金結(jié)合;②攪拌針未壓入鋼表面時(shí)，界面光滑，如圖10c～10d所示[36]，其連接機(jī)制為冶金結(jié)合[37]。A. Elrefaey等人[38]采用FSW獲得純鋁/低碳鋼搭接接頭，在攪拌針壓入鋼表面0.1 mm時(shí)獲得高強(qiáng)度接頭。同時(shí)，他們指出當(dāng)攪拌針未壓入鋼表面時(shí)，接頭的強(qiáng)度較低。當(dāng)攪拌針壓入鋼表面時(shí)，接頭的強(qiáng)度較高。K. Kimapong等人[35]采用FSLW焊接5083鋁合金與SS400鋼，隨攪拌針下壓量的增加，接頭中孔洞缺陷增多，IMCs增厚，接頭的抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)攪拌針壓入鋼表面0.1 mm時(shí)，接頭的剪切載荷達(dá)到最大值5 591 N。但是，攪拌針壓入鋼表面的深度很難控制，若下壓量較小，界面處無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械咬合。若下壓量太大，孔洞缺陷增多，同時(shí)，極易產(chǎn)生“hook”缺陷與鋁板過度減薄的現(xiàn)象，降低接頭性能。Chen Y C等人[36]分別選用表面鍍鋅、表面打磨與表面未處理3種不同的方式處理待焊鋼板，采用攪拌針未壓入鋼表面的方式與AC4C鋁合金進(jìn)行FSLW，試驗(yàn)結(jié)果表明AC4C鋁合金/鍍鋅鋼接頭的性能較好，主要是由于界面處產(chǎn)生了Al-Zn低熔共晶，從而抑制了界面處IMCs的產(chǎn)生。因此，提高焊接質(zhì)量的方式包括：①若攪拌針壓入鋼表面時(shí)，采用較小的下壓量有利于減少接頭中孔洞缺陷，提高接頭的性能;②若攪拌針未壓入鋼表面時(shí)，鋼表面鍍鋅處理可以抑制IMCs的產(chǎn)生，提高接頭的性能。

除攪拌針下壓量外，結(jié)合公式（1）～（2）可知，轉(zhuǎn)速與焊接速度決定界面處的熱輸入與溫度。M. Pourali等人[18]采用不同的轉(zhuǎn)速與焊接速度攪拌摩擦搭接焊2 mm厚1100鋁與2 mm厚St-37鋼，經(jīng)微觀組織分析，接頭中通過冶金反應(yīng)生成富Fe IMCs，如FeAl與Fe3Al。但是，富Fe IMCs具有較高的韌性，對(duì)降低接頭性能的影響較小。較高的轉(zhuǎn)速增加焊接熱輸入，促使界面處產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，較低的焊接速度增強(qiáng)機(jī)械咬合作用。在轉(zhuǎn)速400 r/min、焊接速度50 mm/min條件下，獲得無(wú)損接頭，其失效載荷達(dá)到1 925 N。而在較低的轉(zhuǎn)速與較高的焊接速度工藝條件下，在焊接過程中熱輸入不足且機(jī)械混合作用減弱，攪拌頭周圍的塑性金屬的流動(dòng)性減弱，接頭中易出現(xiàn)如孔洞、未焊合等缺陷。在轉(zhuǎn)速315 r/min、焊接速度63 mm/min條件下，接頭產(chǎn)生孔洞與未焊合缺陷，接頭性能較差，其失效載荷為1 650 N。因此，可以認(rèn)為接頭中存在的焊接缺陷是惡化接頭性能的主要因素而非富Fe IMCs。H. Das等人[39]采用FSLW焊接3 mm厚6063鋁合金與 13 mm厚鍍鋅鋼，研究轉(zhuǎn)速、焊接速度對(duì)接頭力學(xué)性能的影響。通過試驗(yàn)測(cè)試分析，在轉(zhuǎn)速700 r/min、焊接速度30 mm/min工藝條件下，接頭的剪切載荷達(dá)到最大值4.10 kN。增大轉(zhuǎn)速或焊接速度，接頭的剪切載荷降低。因此，認(rèn)為增大轉(zhuǎn)速與降低焊接速度可以提高熱輸入，但熱輸入過高界面處易產(chǎn)生過厚的IMCs，降低接頭的性能。而熱輸入過低時(shí)，接頭中易出現(xiàn)孔洞與未焊合缺陷，惡化接頭的性能。因此，合適的熱輸入有利于控制界面處IMCs的生成，同時(shí)保證工件緊密接觸與增加焊合面積，提高接頭的力學(xué)性能。M. Movahedi等人[40]認(rèn)為提高轉(zhuǎn)速與降低焊接速度有利于提高5083鋁合金/St-12鋼FSLW接頭的強(qiáng)度，但是降低焊接速度對(duì)提高接頭強(qiáng)度的效果更加明顯，主要是因?yàn)榻档秃附铀俣扔欣跍p少接頭中的孔洞缺陷。H. Das等人[41]也采用較高的轉(zhuǎn)速與較低的焊接速度獲得高強(qiáng)度的6061鋁合金/鍍鋅鋼FSLW接頭，并通過TEM在接頭中檢測(cè)到Fe4Al13與Fe3Al相，如圖11所示。因此，采用FSLW焊接鋁/鋼時(shí)，當(dāng)攪拌針未壓入鋼表面時(shí)，此時(shí)接頭的連接機(jī)制為冶金結(jié)合，接頭的力學(xué)性能受界面處IMCs控制。而當(dāng)攪拌針壓入鋼表面時(shí)，采用高轉(zhuǎn)速、低焊接速度的工藝方法獲得高質(zhì)量、高強(qiáng)度的連接，接頭中存在的缺陷是降低接頭性能的主要因素。

4?鋁/鋼攪拌摩擦點(diǎn)焊

攪拌摩擦點(diǎn)焊（friction stir spot welding， FSSW）與FSLW工藝非常類似，但是攪拌頭沒有前移，焊接結(jié)構(gòu)，如圖12所示[15]。5083鋁合金/St-12鋼FSSW接頭的形貌，如圖13所示[42]，當(dāng)攪拌針未壓入鋼表面時(shí)，界面光滑，連接機(jī)制為冶金結(jié)合，接頭的強(qiáng)度較低。當(dāng)攪拌針壓入鋼表面時(shí)，界面呈鋸齒形，連接機(jī)制為機(jī)械咬合與冶金結(jié)合，接頭的強(qiáng)度較高。但是，較大的下壓量易產(chǎn)生“hook”缺陷，導(dǎo)致接頭的性能降低。S. Bozzi等人[21]采用FSSW焊接6016鋁合金與IF鋼，界面處IMCs隨下壓量增加而增厚。他們指出界面處少量的IMCs有利于提高接頭的性能，但是過厚的IMCs嚴(yán)重降低接頭的性能。隨后，采用TEM在接頭中檢測(cè)到FeAl2，F(xiàn)e2Al5與FeAl3相，如圖14所示[24]。當(dāng)IMCs厚度為8 μm時(shí)，接頭的性能最好。除攪拌針下壓量外，IMCs的產(chǎn)生與分布受攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接時(shí)間嚴(yán)格控制。

在FSSW過程中，熱源主要來源于軸肩、攪拌針與工件產(chǎn)生的摩擦熱，其熱輸入為[43]

式中：W為摩擦熱功率，W;N為轉(zhuǎn)速，r/min;μ為摩擦系數(shù);P為焊接壓力，MPa;R1為軸肩半徑，mm;R2為攪拌針半徑，mm;H為攪拌針長(zhǎng)度，mm。從公式（3）可以看出轉(zhuǎn)速?zèng)Q定熱輸入。此外，焊接時(shí)間控制IMCs的生長(zhǎng)。合理選擇轉(zhuǎn)速與焊接時(shí)間，控制界面處IMCs的數(shù)量是獲得高質(zhì)量鋁/鋼FSSW接頭的關(guān)鍵。G. Figner等人[44]認(rèn)為對(duì)于鋁/鋼FSSW工藝，提高轉(zhuǎn)速可以促使更多的鋼顆粒無(wú)規(guī)律的分布在攪拌區(qū)，進(jìn)而提高接頭的力學(xué)性能。而增加焊接時(shí)間，導(dǎo)致IMCs增厚，進(jìn)而降低接頭的力學(xué)性能。在轉(zhuǎn)速3 200 r/min、焊接時(shí)間3 s時(shí)，5754鋁合金/鍍鋅鋼接頭的拉伸剪切力達(dá)到最大值8.4 kN。E. Fereiduni等人[42]采用FSSW焊接5083鋁合金與St-12鋼，研究了轉(zhuǎn)速與焊接時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊接頭微觀組織與力學(xué)性能的影響。在轉(zhuǎn)速900 r/min與焊接時(shí)間12 s的焊接工藝條件下，接頭的失效載荷為4 020 N。通過試驗(yàn)分析，在轉(zhuǎn)速為900 r/min或1 100 r/min條件下，接頭的強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的增加先升高而后降低，主要是由于隨著焊接時(shí)間的增加，攪拌針周圍更多的金屬發(fā)生塑性變形，焊接面積增加，接頭的力學(xué)性能升高。但是，焊接時(shí)間過長(zhǎng)，界面處IMCs由非連續(xù)分布向連續(xù)分布轉(zhuǎn)變。界面處IMCs的臨界厚度為2.3～2.9 μm，過厚的IMCs嚴(yán)重降低接頭的性能。而增大轉(zhuǎn)速，獲得高質(zhì)量點(diǎn)焊接頭所需的焊接時(shí)間減小。因此，在滿足焊接質(zhì)量的條件下，一般采用提高轉(zhuǎn)速、縮短焊接時(shí)間的方式提高生產(chǎn)效率。

5?結(jié)束語(yǔ)

攪拌摩擦焊作為一種固相焊方法，在鋁/鋼異質(zhì)金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的焊接中具有焊接質(zhì)量好、焊接效率高的優(yōu)勢(shì)。目前，通過合理調(diào)整焊接工藝，改善焊縫成形，控制界面處IMCs的生長(zhǎng)，已實(shí)現(xiàn)鋁/鋼對(duì)接、搭接與點(diǎn)焊三種形式的高質(zhì)量焊接。而對(duì)于鋁/鋼攪拌摩擦點(diǎn)焊，在滿足焊接質(zhì)量的前提下，可通過提高轉(zhuǎn)速、縮短焊接時(shí)間的方式提高生產(chǎn)效率。但是，鋁/鋼攪拌摩擦焊接頭的腐蝕行為與疲勞性能缺乏理論分析。

在未來鋁/鋼攪拌摩擦焊的研究工作中，研究鋁/鋼異質(zhì)金屬摩擦焊接頭的腐蝕性能、疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展行為，可為實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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