鋁/鍍鋅鋼攪拌摩擦鉚焊接頭組織與力學(xué)性能

王希靖，張亞州，李經(jīng)緯，孫學(xué)敏

(省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘭州理工大學(xué))，蘭州 730050)

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，輕量化技術(shù)成為汽車行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，而采用輕量化材料又是輕量化技術(shù)的主導(dǎo)方向.鋁及鋁合金是目前應(yīng)用最廣的有色金屬，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕和導(dǎo)熱導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)［1］.DP600雙相鋼是一種高強(qiáng)度、高成形性的新鋼，尤其適用于汽車車身的制造［2］.因此，汽車輕量化技術(shù)勢(shì)必會(huì)涉及到鋁和鋼異種金屬的連接問題［3－4］.

由于鋁和鋼具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和熱物理性能，如熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和比熱容，鋁－鋼接頭處易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、裂紋和夾渣，除此之外，產(chǎn)生的較厚的金屬間化合物也會(huì)嚴(yán)重影響接頭強(qiáng)度［5］.盡管熔焊［6－7］、釬焊［8－10］和熔釬焊［11－14］等方法可以實(shí)現(xiàn)鋁和鋼異種金屬的連接，但往往有缺陷且抗拉強(qiáng)度較低，無法獲得焊縫成形和力學(xué)性能俱佳的優(yōu)質(zhì)接頭.

攪拌摩擦鉚焊(friction stir rivet welding，F(xiàn)SRW)是本課題組提出的一種新型無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法.該方法與普通攪拌摩擦點(diǎn)焊相比，避免了鋼母材對(duì)攪拌頭的磨損，延長(zhǎng)了工具的使用壽命，且接頭無匙孔，焊點(diǎn)平整美觀，兼有鉚接和冶金結(jié)合雙重連接［15］，特別適用于輕質(zhì)合金與鋼等異種金屬的搭接連接.本文采用該方法來實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)中鋁和鋼異種金屬的連接，通過拉剪試驗(yàn)評(píng)定接頭的力學(xué)性能，并分析接頭的表面成形、微觀組織及斷口形貌.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用3 mm厚的6061－T6變形鋁合金和1 mm厚的DP600鍍鋅雙相鋼板，幾何尺寸均為150 mm×50 mm.采用由高溫合金制成的圓柱形無針攪拌頭，其中軸肩直徑為20 mm.

采用攪拌摩擦鉚焊方法，搭接方式如圖1所示.首先，在較硬的鋼母材上鉆孔，將鋁板置于鋼板上方，鋼板下有1個(gè)開圓孔的墊板，無針攪拌頭端面與工件表面沿垂直方向高速局部頂鍛摩擦，將達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)的鋁合金旋擠壓入鋼板的孔內(nèi);然后，攪拌頭開始上升，離開工件，即完成焊接.根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，焊接時(shí)軸肩下壓量為定值0.2 mm，攪拌頭轉(zhuǎn)速選用 800和1 000 r/min，在每種轉(zhuǎn)速下鋼板上的圓孔直徑分別選用 6、7、8 mm 3種參數(shù).

圖1 攪拌摩擦鉚焊搭接示意圖

焊后，沿焊點(diǎn)直徑橫切接頭，經(jīng)研磨、拋光后，用掃描電鏡(SEM)及能譜分析(EDS)對(duì)接頭的微觀組織及斷口進(jìn)行觀察分析，采用 WDW－100E型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭的力學(xué)性能.

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭表面成形

試驗(yàn)過程中對(duì)不同焊接參數(shù)下的接頭成形進(jìn)行觀察.圖2(a)為轉(zhuǎn)速800 r/min、圓孔直徑7 mm時(shí)的接頭表面成形，可以發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)表面平整，基本與工件表面齊平，外形美觀，中心沒有匙孔，周圍只有少許的飛邊.焊點(diǎn)背面如圖2(b)所示，鋁合金嵌入鋼板的圓孔中形成圓柱形的鋁柱，焊點(diǎn)周圍鍍鋅鋼板顏色只是略有變化，這說明鍍鋅層被破壞得較少，有利于保持其抗腐蝕性.

圖2 轉(zhuǎn)速800 r/min、孔直徑7 mm時(shí)的接頭成形

2.2 接頭的宏觀組織特征

典型接頭的橫截面形貌如圖3所示.由圖3可知:在鉚接區(qū)，鋁合金在攪拌頭的摩擦頂鍛作用下產(chǎn)生了充分的塑性流變，以鋁柱的形式飽滿地嵌入鋼板的圓孔中;由于墊板的作用，鋁柱在鋼板的外側(cè)出現(xiàn)了翻卷，形成了比圓孔直徑略大些的“鉚釘帽”，可防止鋼板和鋁板的分離，將鋁和鋼以“鋁鉚釘”的方式連接在一起;另外，鋁柱四周的鋼板發(fā)生了向下彎曲.同時(shí)，在鉚接區(qū)周圍，鋁、鋼和鍍鋅層在熱－力條件下相互作用生成反應(yīng)層，形成了分界明顯的冶金結(jié)合.

圖3 接頭的橫截面形貌

2.3 鉚接區(qū)的微觀組織

鋁柱與鋼板上圓孔側(cè)壁形成的界面如圖4所示，圖4(a)、圖4(b)分別是圖3中 A、B區(qū)域的背散射放大圖像.由圖4可知:嵌入圓孔的鋁柱相對(duì)飽滿，在鋼板與“鉚釘帽”連接處有少量灰色的過渡層(1、4區(qū)域)形成;鋁柱上有河流狀的白色物相存在，由鋼板的上表面流向鋁柱的底部.

為確定界面上物相的成分組成，對(duì)圖4中1～5區(qū)域做了點(diǎn)能譜分析(EDS)，結(jié)果如表1所示.結(jié)合 Fe－Al、Al－Zn 二元相圖可知，灰色過渡層應(yīng)為金屬間化合物Fe2Al5，而白色物相可能是 Zn固溶于 Al中形成的富鋁的α 固溶體［16－17］.

由以上分析可推斷，焊接過程中鋅層最先熔化成液態(tài)薄膜，鋪展在鋁/鋼界面上;同時(shí)在攪拌頭的熱－力聯(lián)合作用下，鋁合金達(dá)到熱塑性流動(dòng)狀態(tài)，圓孔邊緣處的鋼板也開始向下彎曲，成為一個(gè)斜面［18－19］.于是，液態(tài)鋅沿著斜面與達(dá)到流態(tài)的鋁一起流入孔中，在冷卻過程中鋁、鋅形成了α固溶體，并在鋁柱底部有一定的積淀.另外，鋼板在焊接開始時(shí)彎曲變形小，與鋁柱的“釘帽”緊密接觸，有 Fe－Al金屬間化合物生成.隨著鋼板彎曲程度越來越大，下表面與“釘帽”的間隙也開始變大，最終兩種基體分離，又由于化合物層與鋼基體的連接更致密，所以形成的金屬間化合物主要粘附在鋼板下表面.

圖4 鉚接界面的背散射電子掃描電鏡照片

表1 圖4中EDS點(diǎn)成分分析(原子數(shù)分?jǐn)?shù)/%)

2.4 擴(kuò)散區(qū)的微觀組織

擴(kuò)散區(qū)的微觀組織如圖5所示，鋁/鋼界面上形成了一層厚度約為5 μm的反應(yīng)層，與兩側(cè)母材連接十分致密，且在界面上均勻分布.

為進(jìn)一步分析擴(kuò)散界面的元素分布情況，沿著圖5中線AB做了能譜分析，結(jié)果如圖6所示，可以看出，在反應(yīng)層區(qū)域鐵和鋁的含量較為均勻，且出現(xiàn)了平臺(tái)，這說明Fe和Al兩個(gè)主元素發(fā)生了相互擴(kuò)散.焊接時(shí)，鋅層熔化后形成微量液相，潤(rùn)濕填充接頭間隙，擴(kuò)大了待焊表面的物理接觸，同時(shí)界面在攪拌頭壓力作用下產(chǎn)生了微觀塑性變形，也使鋁/鋼界面緊密接觸，于是，塑性態(tài)鋁與固態(tài)鐵相互擴(kuò)散、相互滲透發(fā)生固相態(tài)冶金反應(yīng)，生成了一層均勻、致密的Fe－Al金屬間化合物，兩種金屬在擴(kuò)散界面上形成了冶金結(jié)合［20］.對(duì)圖5中1區(qū)域進(jìn)行能譜點(diǎn)分析，化合物層主要由24.0%Fe、75.2%Al和0.8%Zn(原子數(shù)分?jǐn)?shù))組成，其中，鐵和鋁的原子個(gè)數(shù)比接近 1∶3.結(jié)合Fe－Al二元相圖，該金屬間化合物可初步判定為FeAl3，該結(jié)果與文獻(xiàn)中 Al－Fe金屬間化合物的熱力學(xué)分析結(jié)果一致［21］.

圖5 擴(kuò)散界面的背散射電子掃描電鏡圖像

圖6 擴(kuò)散界面主元素的線分析結(jié)果

2.5 接頭的力學(xué)性能

為了測(cè)試鋁合金和鍍鋅鋼板攪拌摩擦鉚焊接頭的力學(xué)性能，進(jìn)行了拉剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接頭有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3種斷裂形式，分別如圖7(a)、7(b)、7(c)所示.

圖7 攪拌摩擦鉚焊接頭的斷裂形式

對(duì)于Ⅰ型斷裂，鋁柱發(fā)生明顯塑性變形后，沿兩板的界面剪斷成兩部分，其中一部分留在鋼板的孔中，斷口表面細(xì)致，呈淺灰色.該斷裂方式在拉剪的所有接頭中最為常見，也有少數(shù)的斷口為Ⅱ或Ⅲ型.Ⅱ型斷口中，鋁柱發(fā)生塑性變形后從鋼板的孔中被拔出來，且“釘帽”幾乎與鋁柱體分離;而在Ⅲ型斷口中，鋁柱基本上沒有塑性變形，直接從圓孔中完全拔出來，往往會(huì)發(fā)生在沒有“釘帽”的接頭上.

不同焊接參數(shù)下接頭的抗剪力見表2，由表2可知:在相同轉(zhuǎn)速下，孔直徑7 mm時(shí)，接頭的強(qiáng)度相對(duì)較高，這是因?yàn)榭字睆? mm時(shí)，用于鉚接的鋁柱太細(xì)，無法承受較大的抗剪載荷;當(dāng)孔直徑為8 mm時(shí)，在該試驗(yàn)條件下所得的鋁－鋼鉚焊接頭中，嵌入的鋁柱不飽滿，與圓孔側(cè)壁的間隙較大，且形成的“釘帽”較小，拉剪時(shí)接頭易發(fā)生Ⅱ型或Ⅲ型斷裂，強(qiáng)度較低.圓孔直徑相同時(shí)，高轉(zhuǎn)速下得到的接頭強(qiáng)度較低，這主要是由鋁合金的軟化導(dǎo)致，6061鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其主要強(qiáng)化相是Mg2Si，該合金在焊接過程中受熱循環(huán)的影響，致使鋁柱出現(xiàn)嚴(yán)重軟化，接頭力學(xué)性 能 下 降［22－23］.因此，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為800 r/min、孔直徑為7 mm時(shí)，接頭的抗剪力達(dá)到最大值8.2 kN，此時(shí)接頭的抗剪強(qiáng)度為213 MPa(按鋁柱的橫截面積計(jì)算)，高于6061－T6鋁棒母材的抗剪強(qiáng)度155 MPa，這說明接頭中既有鋁柱的鉚接，同時(shí)也有靠金屬間化合物連接的冶金結(jié)合，但在兩種連接方式中，鉚接起主要作用.因此，經(jīng)雙重連接的鋁/鋼攪拌摩擦鉚焊接頭的力學(xué)性能較好，可以用于鋁/鋼結(jié)構(gòu)件的點(diǎn)焊連接.

表2 不同焊接參數(shù)下接頭的力學(xué)性能

接頭拉剪斷口的微觀形貌如圖8所示，圖8(a)、8(b)分別是鉚接區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的斷口微觀形貌.

圖8 接頭SEM斷口形貌

由圖8可知，鋁柱上的斷口由大量的被拉長(zhǎng)了的韌窩組成，韌窩圓形端在同一方向上，這是典型的剪切韌窩，其長(zhǎng)軸在剪力方向上.擴(kuò)散區(qū)的斷口主要由灰色的基體及大量的白色顆粒物質(zhì)組成，其中灰色基體 (1 區(qū)域 3.7%Fe、41.5%Al、13.7%Zn、41.1%O)可能為氧化物和α 固溶體的混合物，而白色顆粒 (2 區(qū)域 23.6%Fe、75.1%Al、1.3%Zn)應(yīng)為金屬間化合物 FeAl3，進(jìn)一步證實(shí)了擴(kuò)散界面有金屬間化合物生成.

3 結(jié)論

1)對(duì)6061鋁合金和DP600鍍鋅鋼板進(jìn)行攪拌摩擦鉚焊，得到的接頭平整美觀、飛邊少、中心沒有匙孔.

2)接頭具有鉚接和冶金結(jié)合雙重連接:鋁母材達(dá)到塑性流變狀態(tài)后，以鋁柱的形式嵌入鋼板上的孔中，形成一個(gè)“鋁鉚釘”，將鋁和鋼鉚接在一起;在圓孔四周，鋁和鋼形成了擴(kuò)散界面，依靠均勻分布的金屬間化合物FeAl3連接在一起.

3)當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速 800 r/min、孔直徑7 mm時(shí)，接頭的抗剪力最大;接頭的斷裂形式有3種，其中以鋁柱明顯塑性變形后沿鋁/鋼界面被剪斷最為常見;鋁柱上的斷口由被拉長(zhǎng)的韌窩組成;擴(kuò)散界面的斷口由灰色基體和白色顆粒組成.

［1］ 李軍，楊建國(guó)，路浩，等.鋁合金薄板焊件旋轉(zhuǎn)擠壓矯形研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2010，18(2):293－296.LI Jun，YANG Jianguo，LU Hao，et al.Controlling welding distortion of aluminum alloy thin plates with rotating extrusion［J］.Materials Science ＆ Technology，2010，18(2):293－296.

［2］ 馬明圖.先進(jìn)汽車用鋼［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:55－57.

［3］ ZHOU Yunjiao，LAN Fengchong，CHEN Jiqing.Crashworthiness research on S-shaped front rails made of steel-aluminum hybrid materials［J］.Thin-Walled Structures，2011，49(2):291－297.

［4］ CHOI C Y，KIM D C，NAM D G，et al.A hybrid joining technology for aluminum/zinc coated steels in vehicles［J］.JournalofMaterials Science and Technology，2010，26(9):858－864.

［5］ 李亞江，王娟，劉鵬.異種難焊材料的焊接及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:170－175.

［6］ SIERRA G，PEYRE P，STUART D，et al.Steel to aluminium key:hole laser welding［J］.Materials Science and Engineering A，2007，447(12):197－208.

［7］ 張秉剛，何景山，曾如川，等.LF2鋁合金與Q235鋼加入中間Cu層電子束焊接接頭組織及形成機(jī)理［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28(6):37－41.ZHANG Binggang，HE Jingshan，ZENG Ruchuan，et al.Microstructures and formation of EBW joint of aluminum alloy LF2 to steel Q235 with transition metal Cu［J］.Transactions of the China Welding Institution，2007，28(6):37－41.

［8］ ROULIN M，LUSTER J W，KARADENIZ G，et al.Strength and structure of furnace-brazed joints between aluminum and stainless steel［J］.Welding Journal，1999，78(5):151－155.

［9］ MATSUMOTO T，SASABE S.Laser braze welding for dissimilar metal joining of aluminium alloys to steel［J］.Welding International，2012，26(4):270－274.

［10］ WU M F，SI N C，CHEN J.Contact reactive brazing of Al alloy/Cu/stainless steel joints and dissolution behaviors of interlayer［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21(5):1035－1039.

［11］ ZHANG H T，F(xiàn)ENG J C，HE P.Interfacial microstructure and mechanical properties of aluminium-zinc-coated steel joints made by a modified metal inert gas welding-brazing process［J］.Materials Characterization，2007，58(7):588－592.

［12］ 秦國(guó)梁，蘇玉虎，王術(shù)軍.鋁合金/鍍鋅鋼板脈沖MIG電弧熔－釬焊接頭組織與性能［J］.金屬學(xué)報(bào)，2012，48(8):1018－1024.QIN Guoliang，SU Yuhu，WANG Shujun.Microstructures and properties of pulsed MIG arc brazed-fusion welded joint of Al alloy and galvanized steel［J］.Acta Metallurgica Sinica，2012，48(8):1018－1024.

［13］ 樊丁，張?jiān)娬?，余淑榮，等.5A02鋁合金與鍍鋅鋼CO2激光熔一釬焊接工藝［J］.熱加工工藝，2012，41(11):140－142.FAN Ding，ZHANG Shizheng，YU Shurong，et al.Fusion-brazing welding for dissimilar metals between 5A02 aluminum alloy and zinc-coated steel by CO2laser［J］.Hot Working Technology，2012，41(11):140－142.

［14］ 石玗，王釗，黃健康，等.鋁－鍍鋅鋼板脈沖旁路耦合電弧 MIG熔釬焊工藝及接頭組織分析［J］.焊接學(xué)報(bào)，2013，34(5):1－4.SHI Yu，WANG Zhao，HUANG Jiankang，et al.Study on microstructure of fusing-brazing joint of aluminum to galvanized steel by pulsed DE-MIG welding［J］.Transactions of the China Welding Institution，2013，34(5):1－4.

［15］ 周云郊，蘭鳳崇，黃信宏，等.鋼鋁板材壓力連接模具幾何參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(6):86－93.ZHOU Yunjiao，LAN Fengchong，HUANG Xinhong，et al.Multi-objective optimization of geometryof clinching tools for steel-aluminum blank sheets［J］.Materials Science＆ Technology，2011，19(6):86－93.

［16］ 盧燕平.Al55%－Zn合金鍍層鋼板組織與腐蝕特性［J］.材料科學(xué)與工藝，1997，5(4):61－65.LU Yanping.Microstructure and corrosion properties of Al55% － Zn alloy coated steel sheet［J］.Materials Science ＆ Technology，1997，5(4):61－65.

［17］ 石常亮，何鵬，馮吉才，等.鋁/鍍鋅鋼板CMT熔釬焊界面區(qū)組織與接頭性能［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27(12):61－64.SHI Changliang，HE Peng，F(xiàn)ENG Jicai，et al.Interface microstructure and mechanical property of CMT welding brazed joint between aluminum and galvanized steel sheet［J］.Transactions of the China Welding Institution，2006，27(12):61－64.

［18］ 黎俊初，周德生，劉大海，等.2A12鋁合金筋板件T型攪拌摩擦焊工藝及焊后熱處理［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(2):80－85.LI Junchu，ZHOU Desheng，LIU Dahai，et al.Friction stir welding and successive heat treatment of T-shaped rib-web parts of 2A12 aluminum alloy［J］.Materials Science＆ Technology，2011，19(2):80－85.

［19］ 姬書得，劉偉，張利國(guó)，等.FGH96合金慣性摩擦焊過程材料流動(dòng)行為的數(shù)值模擬［J］.材料科學(xué)與工藝，2013，21(1):109－112.JI Shude，LIU Wei，ZHANG Liguo，et al.Numerical simulation of material flow behavior in inertia friction welding of FGH96 alloy［J］.Materials Science ＆Technology，2013，21(1):109－112.

［20］ 張建，羅國(guó)強(qiáng)，沈強(qiáng)，等.鉬銅擴(kuò)散焊接接頭界面顯微組織［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20(4):61－64.ZHANG Jian，LUO Guoqiang，SHEN Qiang，et al.Microstructure in interface zone of diffusion welded joint ofMo and Cu［J］.MaterialsScience ＆Technology，2012，20(4):61－64.

［21］ 何翠翠，黃健康，石玗，等.鋁/鋼異種金屬焊接接頭界面Al－Fe金屬間化合物生成及其熱力學(xué)分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2014，44(4):1037－1041.HE Cuicui，HUANG Jiankang，SHI Yu，et al.Thermodynamic analysis ofAl－Fe intermetallic compounds formed by dissimilar joining of aluminum and galvanized steel［J］.Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2014，44(4):1037－1041.

［22］ MA T，OUDEN G D.Softening behaviour of Al－Zn－Mg alloys due to welding［J］.Materials Science and Engineering，1999，266(1/2):198－204.

［23］ 江超，陳輝，車小莉，等.高速列車A6005A鋁合金焊接接頭斷裂韌性研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2013，21(2):55－60.JIANG Chao，CHEN Hui，CHE Xiaoli，et al.Fracture toughness of welded joints of A6005A aluminum alloy for high speed train［J］.MaterialsScience ＆Technology，2013，21(2):55－60.