不銹鋼與6061 鋁合金旋轉摩擦焊接接頭組織與力學性能*

許 輝，夏佩云，張選明，閆學文，朱 帥，封小松，袁雅俊，周佳俊

（上海航天設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，在航空航天輕量化及接頭密封的需求下引起重點關注，不銹鋼與鋁合金由于被廣泛應用，其可靠連接成為研究的熱點之一。不銹鋼與鋁合金的焊接由于鋼鋁物理化學性能差異較大，熱膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)及熔點等差異，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]。旋轉摩擦焊為一種高效、綠色的固相連接技術，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，獲得的接頭抗拉強度為210 MPa左右，但不銹鋼與6061 鋁合金異種材料的旋轉摩擦焊技術研究相對較少。

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度，這兩種材料在航空航天領域應用廣泛。以1Cr18Ni9Ti 不銹鋼和6061 鋁合金為研究對象，采用旋轉摩擦焊接方法進行對接試驗。分析不同工藝參數(shù)對接頭微觀組織及力學性能的影響，研究其旋轉摩擦焊工藝特性。

1 試驗及方法

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

表1 不銹鋼與鋁合金主要化學成分（質量分數(shù)）Table 1 Main chemical components of stainless steel and aluminum alloy (mass fraction) %

采用連續(xù)旋轉摩擦焊設備（MCH–32）進行焊接，接頭形式為對接，焊接示意圖如圖1 所示。工藝參數(shù)中摩擦壓力3.3 kN，摩擦時間4 s，摩擦變形量–4 mm，頂鍛保壓時間1.5 s。上述參數(shù)保持不變，調整旋轉速度和頂鍛力，分析工藝對焊接性能的影響。旋轉速度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，利用光學顯微鏡和掃描電鏡對焊接接頭進行金相觀察分析，將焊件加工成外徑為Φ16 mm 棒料進行拉伸，接頭力學性能測試采用INSTRON–5967電子萬能材料試驗機。

2 結果與討論

2.1 焊縫成形

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

圖2 元素擴散圖Fig.2 Element diffusion diagram

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

圖3 旋轉速度對結合層厚度的影響Fig.3 Effect of rotation speed on binding layer thickness

從圖3 可見，隨著旋轉速度的提高，結合層的厚度逐漸增加，當旋轉速度為500 r/min 時，結合層厚度為0.85 μm；隨著旋轉速度提高到800 r/min，結合層厚度增加至1.36 μm。旋轉速度的提高增加了單位時間內摩擦產(chǎn)熱，提高了鋼鋁界面溫度，元素擴散速度更快，有利于結合層的生成，相應的厚度呈增加趨勢。

（2）頂鍛力對結合層的影響。保持旋轉速度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）進行焊接試驗，研究頂鍛力對結合層的影響。圖4為頂鍛力對結合層厚度的影響曲線，可以看出，隨著頂鍛力的提高，結合層的厚度先增加后減小，在頂鍛力為4.0 kN 時，達到最大值。當頂鍛力較小時，鋁側形成的熱塑性金屬不能與鋼充分結合，界面中存在金屬氧化物及夾雜，阻礙了元素的擴散，形成的結合層厚度相對較??；隨著頂鍛力的提高，摩擦產(chǎn)熱增加，且界面雜質更容易被排出，有利于界面兩側元素的擴散，結合層的厚度逐漸增加。當頂鍛力過大時，鋁合金側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，不利于結合層的形成，結合層厚度相應減小。

圖4 頂鍛力對結合層厚度的影響Fig.4 Effect of force on binding layer thickness

（3）結合層徑向分布。結合層在接頭的徑向上存在不均勻現(xiàn)象，在旋轉速度600 r/min，頂鍛力3.8 kN 時，分析結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 的位置測量結合層厚度，圖5 為結合層厚度沿接頭徑向的分布。可以看出，靠近接頭外側的結合層厚度較大，由于外側旋轉線速度高，摩擦產(chǎn)熱高，界面原子擴散速度快，在相同條件下，結合層厚度也相應較大。越靠近中心，相對旋轉線速度越低，摩擦產(chǎn)熱越少，結合層厚度也相應較小。

圖5 結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，不銹鋼側的母材未發(fā)生明顯變化，鋁合金側的母材晶粒在熱力影響作用下形成細晶區(qū)和熱影響區(qū)。在旋轉摩擦熱及擠壓旋轉力的作用下，鋁合金側發(fā)生變形晶粒沿旋轉方向被拉長，并產(chǎn)生動態(tài)再結晶，鋁合金較快的冷卻速度使晶粒來不及長大從而形成細晶區(qū)（圖6（b）），同時由于焊接熱影響作用，靠近細晶區(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 接頭力學性能

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

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

（2）接頭抗拉強度。焊接頂鍛力固定為3.8 kN，研究旋轉速度對抗拉強度的影響，從圖8 可以看出，旋轉速度為500～800 r/min 時，隨著旋轉速度的增加，接頭的抗拉強度先增加后下降。旋轉速度對接頭的抗拉強度有重要影響，旋轉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合。結合焊縫金相分析，結合層厚度太小無法獲得較高的接頭抗拉強度，結合層厚度超過一定范圍后接頭抗拉強度下降。在旋轉速度為600 r/min 時獲得1Cr18Ni9Ti 不銹鋼與6061 鋁合金接頭抗拉強度值為262 MPa。

圖8 旋轉速度與抗拉強度關系Fig.8 Relationship between rotation speed and tensile strength

旋轉速度固定為600 r/min，分析鋼鋁旋轉摩擦焊接頭抗拉強度與頂鍛力的關系，如圖9 所示，在3.6～3.8 kN 之間，頂鍛力增大會導致接頭的強度增加，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的塑性變形，使晶粒更加細化，有利于接頭性能提高，但頂鍛力過大會擠壓排出塑性鋁合金，減少高溫塑性鋁合金與不銹鋼的擴散，接頭抗拉強度有所下降。

圖9 頂鍛力與抗拉強度關系Fig.9 Relationship between force and tensile strength

結合層的厚度應控制在合適的范圍內，厚度太小元素擴散不充分，接頭冶金連接較弱，結合層厚度太大，由于金屬間化合物自身脆性，會降低接頭的性能[11]。

在旋轉速度為600 r/min，頂鍛力為3.8 kN 時，對旋轉摩擦焊拉伸試樣斷口進行分析，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。圖11 為斷口SEM掃描圖，焊接斷口存在小而淺的韌窩。結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)化進行控制，在合適的參數(shù)范圍內，鋼/鋁接頭斷裂未完全沿結合層脆性斷裂，斷口韌窩說明接頭從鋁合金側的細晶區(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較差。

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

3 結論

（1）1Cr18Ni9Ti 不銹鋼與6061鋁合金的連接界面發(fā)生元素擴散，形成了連續(xù)的結合層，旋轉速度的提高能夠增加結合層的厚度，隨著頂鍛力的提高，結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)生拉長變形，出現(xiàn)晶粒細化現(xiàn)象，形成了細晶區(qū)和熱影響區(qū)，EDS 線掃描結果顯示了焊接界面處發(fā)生了元素擴散。

（3）界面處母材硬度有所提高，接頭抗拉強度隨著旋轉速度和頂鍛力的提高先增加后減小，在旋轉速度為600 r/min，頂鍛力為3.8 kN 時獲得1Cr18Ni9Ti 不銹鋼與6061 鋁合金接頭最高抗拉強度值為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，焊接斷口存在小而淺的韌窩，接頭更有可能從鋁合金側的細晶區(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較差。