鋁和不銹鋼摩擦焊接界面組織與性能研究

倪加明 陳夢凡 卜星

摘要：針對6061鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼異種金屬焊接，采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦焊接實現(xiàn)鋁鋼異種材料焊接，并采用SEM、EDS進行組織分析和性能測試。試驗結(jié)果表明：在旋轉(zhuǎn)速率為600 r/min、頂鍛壓力為4.5 MPa，頂鍛時間為2 s等工藝參數(shù)條件下，鋁/鋼摩擦焊接頭結(jié)合緊密，界面呈現(xiàn)波紋狀;接頭抗拉強度可達252 MPa，且拉伸斷裂位置發(fā)生在鋁側(cè);鋁/鋼異種材料接頭的結(jié)合界面兩邊互有元素擴散，形成厚度小于2 μm的金屬間化合物層;其顯微硬度在界面處發(fā)生階躍變化，且形成金屬間化合物的界面處硬度最高達230 HV。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)摩擦焊;鋁/鋼異種金屬;力學性能;微觀組織

中圖分類號：TG453+.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0055-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.10

0? ? 前言

鋁合金具有比強度高、密度小等優(yōu)點，鋼具有良好的力學性能和焊接性能。鋁鋼異種材料形成的焊接接頭，可以充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)良性能。用于新一代運載火箭推進劑動力系統(tǒng)，滿足結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與材料綜合強度性能需求[1]。

由于鋼與鋁的物理化學性能差異較大，采用傳統(tǒng)電弧熔焊方法，接頭易生成鋁鋼金屬間化合物，大量的金屬間化合物將導致接頭產(chǎn)生裂紋等內(nèi)部缺陷，接頭性能難以滿足要求[2-3]。旋轉(zhuǎn)摩擦焊接作為一種高效率的固相焊接方法，與傳統(tǒng)熔焊法相比，減少了材料因熔化而形成脆性金屬間化合物的可能性，在異種金屬連接領(lǐng)域具有良好的應用前景。M. Ashfaq[4]等人采用外錐形結(jié)合面獲得的最優(yōu)接頭強度可達220 MPa。近年來，國內(nèi)外研究人員針對鋁/鋼摩擦焊開展了相關(guān)研究，研究了不同摩擦焊方式的工藝參數(shù)對接頭力學性能和組織成分的影響[5-9]。張鵬飛[10]等人通過分析發(fā)現(xiàn)鋁鋼接頭結(jié)合方式屬于機械及冶金結(jié)合。

文中針對6061鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼開展了旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝研究，探討了兩種材料的焊接性，研究旋轉(zhuǎn)速率、頂鍛壓力、接頭結(jié)構(gòu)形式對焊接組織與性能的影響。

1 試驗方法

采用φ30 mm的6061鋁合金棒材和φ30 mm的不銹鋼棒材。6061鋁合金初始狀態(tài)為T6，其化學成分見表1，力學性能見表2。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼初始狀態(tài)為固溶退火態(tài)，基體硬度180 HV，其化學成分見表3。

為了增強鋁/鋼摩擦焊接頭中心區(qū)域的耦合程度，設(shè)計了2種形式的凸臺結(jié)構(gòu)。將鋁合金和不銹鋼棒材的端面加工成如圖1所示的兩種不同接頭形式的鋁/鋼摩擦焊接頭。可通過對比接頭抗拉強度，優(yōu)化接頭形式。圖1a為采用鋼側(cè)凸臺對接形式，圖1b為由鋁側(cè)凸臺對接形式。

試驗所用設(shè)備為C32-SF-J型旋轉(zhuǎn)摩擦焊機，最大頂鍛壓力320 kN，主軸轉(zhuǎn)速0～1 500 r/min，工作臺最大行程320 mm，設(shè)備采用PLC程序控制，可預先設(shè)置焊接時間等其他參數(shù)。一級摩擦壓力為3 MPa，二級摩擦壓力4 MPa，頂鍛方式采用頂鍛后再停機，頂鍛時間2 s，停機時間0.2 s。其他工藝參數(shù)如表4所示。

用線切割將鋁-鋼異種材料接頭沿軸向剖切后進行金相腐蝕，分析其焊縫形貌并觀察微觀組織。6061鋁合金的金相腐蝕用低濃度混合酸，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的金相腐蝕用FeCl3+HCl溶液;用LEICA DMR材料顯微鏡觀察接頭焊縫的顯微組織形貌;用FEI Quanta 450掃描電子顯微鏡分析焊合區(qū)形貌與元素金相分析。常溫拉伸試驗使用WAW-300B微機控制電液伺服萬能試驗機。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌分析

相等直徑的鋁/鋼棒材旋轉(zhuǎn)摩擦焊接時，整體產(chǎn)生的飛邊量較大，主要是在頂鍛和停機過程中生成。

采用鋼側(cè)凸臺對接形式的接頭（見圖2a），在頂鍛過程中形成了均勻連續(xù)的包覆形飛邊，存在少量開裂，顏色呈淺灰色。采用鋁側(cè)凸臺對接形式的接頭（見圖2b），在頂鍛過程中形成了包覆形飛邊，但部分飛邊開裂且存在少量絮狀、絲狀鋁合金，顏色介于銀白色與淺灰色之間。鋁/鋼摩擦焊接頭形成的飛邊均由鋁合金產(chǎn)生，是由轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、進給量、頂鍛壓力等多種因素造成的。根據(jù)飛邊的形貌可以反映出焊接過程中熱輸入的情況。過高的轉(zhuǎn)速或頂鍛壓力都會使鋁合金受熱過度，造成大量非均勻飛邊，導致大量變形和材料的消耗，不利于獲得高質(zhì)量的接頭;過低的轉(zhuǎn)速或頂鍛壓力則會使鋁合金受熱不足，形成少量飛邊或不完整飛邊，導致界面熔合不足，也不利于獲得高質(zhì)量的接頭。

2.2 接頭力學性能

采用轉(zhuǎn)速600 r/min，頂鍛力4.5 MPa，進給量10 mm的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，鋼側(cè)凸臺設(shè)計接頭的平均抗拉強度為252 MPa，延伸率為4.5%。采用轉(zhuǎn)速600 r/min，頂鍛力4.5MPa，進給量10 mm，鋁側(cè)凸臺設(shè)計接頭的平均抗拉強度為212 MPa，延伸率為2.0%，相對鋼側(cè)凸臺設(shè)計拉伸強度有所降低。試驗結(jié)果顯示，鋁鋼異種材料接頭的抗拉強度和延伸率隨轉(zhuǎn)速提高而顯著降低。分析認為由于轉(zhuǎn)速提高，摩擦焊接熱輸入增加，鋁/鋼異種材料接頭結(jié)合界面金屬間化合物增多，導致焊接接頭強度下降。同時，采用鋼側(cè)凸臺接頭形式的抗拉強度大于鋁側(cè)凸臺的抗拉強度。分析認為，鋼側(cè)凸臺接頭形式能夠有效改善旋轉(zhuǎn)摩擦焊接過程熱量產(chǎn)生和傳遞，有效平衡鋼側(cè)與鋁側(cè)對接棒材的溫度場，實現(xiàn)可靠的有效連接，因此采用鋼側(cè)凸臺設(shè)計得到的鋁鋼異種材料接頭的力學性能較好。

2.3 焊縫形貌和組織分析

采用轉(zhuǎn)速600 r/min、頂鍛壓力4.5 MPa、進給量10 mm獲得的接頭軸向剖切的焊縫形貌微觀組織如圖3所示。鋁鋼異種材料焊接結(jié)合界面比較清晰，兩種材料結(jié)合緊密，無孔洞、縫隙等缺陷，不銹鋼組織無熔化及變形。

結(jié)合界面鋁側(cè)形成大量旋轉(zhuǎn)有序組織分布，其上分布強化相粒子。分析認為在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接過程中，低硬度鋁合金發(fā)生半固態(tài)塑性流動以及組織再結(jié)晶，并析出第二相粒子。臨近界面20 μm鋁側(cè)的金相組織晶粒細小，且越靠近焊縫的區(qū)域，晶粒越細小而致密。這是因為鋼和鋁的熱導率和熱擴散系數(shù)存在差異，鋼側(cè)熱導率高，冷卻速率快，越臨近界面晶粒越細小。

2.4 顯微硬度分析

鋁/鋼異種材料接頭顯微硬度分布曲線如圖4所示。由圖可知，6061鋁合金的顯微硬度值幾乎沒有變化，僅在距離界面中心0.05 mm的位置處，硬度從基體的70 HV提高到了76 HV。這是因為Fe元素的擴散會使接頭鋁側(cè)產(chǎn)生一定的固溶強化作用，焊接過程中組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶引起的細晶強化也會提高材料的顯微硬度。鋁/鋼異種材料接頭的顯微硬度值在焊縫界面結(jié)合區(qū)域有明顯的突變，結(jié)合界面金屬間化合物的顯微硬度達230 HV。不銹鋼基體顯微硬度為180 HV，隨著遠離焊縫，顯微硬度逐漸降低至正常值。這是因為Al元素的擴散促使結(jié)合界面附近的不銹鋼組織產(chǎn)生了時效強化。

2.5 結(jié)合界面分析

采用掃描電子顯微鏡分析接頭結(jié)合界面，如圖5所示。由圖可知，界面呈波紋狀，鋁和鋼結(jié)合致密，相互嵌合，沒有未熔合現(xiàn)象，無裂紋缺陷。鋁鋼異種材料結(jié)合界面金屬間化合物層厚度小于2μm。經(jīng)能譜分析顯示，鋁鋼異種材料結(jié)合界面元素分布，鋁合金與不銹鋼形成較為清晰的元素分布界面。同時，由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊的焊接過程比較復雜，伴隨著再結(jié)晶冶金和元素擴散等行為。

采用EDS對鋁-鋼異種材料元素擴散進行分析，如圖6所示。鋁鋼異種材料接頭結(jié)合界面兩側(cè)擴散的元素主要有Al、Fe和Cr，其擴散都是漸變性的。其中Al元素的擴散距離約為4～4.5 μm，F(xiàn)e和Cr元素的擴散距離為1.5～2 μm。Fe、Cr的原子半徑和晶體結(jié)構(gòu)等方面相似，相同條件下Fe與Cr的自擴散系數(shù)相近，因此擴散距離接近。而Al與Fe、Cr的差異較大，相同條件下自擴散系數(shù)更大，擴散速度更快。

3 結(jié)論

（1）直徑30 mm的不銹鋼和6061鋁合金棒材的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，采用鋼側(cè)凸臺設(shè)計更容易獲得成形良好的焊接接頭。在轉(zhuǎn)速600 r/min，一級摩擦壓力3 MPa，二級摩擦壓力4 MPa，頂鍛壓力4.5 MPa，頂鍛時間2 s，進給量10 mm的焊接參數(shù)下，焊接接頭飛邊形貌良好。（2）采用轉(zhuǎn)速600 r/min，頂鍛力4.5 MPa，進給量10 mm的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，鋼側(cè)凸臺設(shè)計接頭的平均抗拉強度為252 MPa延伸率為4.5%;鋁側(cè)凸臺設(shè)計接頭的平均抗拉強度為212 MPa，延伸率為2.0%，相對鋼側(cè)凸臺設(shè)計拉伸強度有所降低。（3）在文中試驗條件下，鋁和鋼異種金屬結(jié)合致密，界面呈現(xiàn)波紋狀，元素分布清晰，Al、Fe和Cr元素有相互擴散，金屬間化合物層厚度小于2 μm。（4）顯微硬度在界面處發(fā)生階躍變化，最高達230 HV。

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