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(湖北汽車工業(yè)學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002)

0　前言

汽車輕量化是節(jié)省燃油和降低排放的主要選擇對策。為了既能實現(xiàn)車身輕量化又能保證汽車安全，多元結構材料車身越來越受到汽車工業(yè)的青睞[1]，鋼/鋁車身復合框架結構為汽車輕量化提供了有效的技術途徑，但鋼/鋁異種金屬的連接問題一直困擾著汽車制造企業(yè)。

鋼與鋁的密度、熔點、電阻率、熱導率和線膨脹系數(shù)等物理性能均存在很大差異[2]，而且鋁及其合金的化學活潑性很強，在高溫下易氧化形成高熔點的Al2O3氧化膜，成為鋼/鋁異種金屬焊縫中的夾雜物，增加異質接頭的脆性，易導致未熔合的產(chǎn)生；鐵與鋁之間屬于“冶金學上的不相容性”，在焊接熱源的作用下易發(fā)生化學反應生成一系列脆性的Fe-Al金屬間化合物，且鐵在鋁中的溶解度極小，在室溫下，鐵幾乎不溶于鋁，所以在焊接冷卻過程中會產(chǎn)生FeAl3，F(xiàn)e2Al，F(xiàn)e2Al7，F(xiàn)e2Al5和FeAl2等金屬間化合物，降低接頭的塑韌性，甚至引起焊接裂紋[3]，這些脆性金屬間化合物的存在成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)；其熔點差異很大，鋼的熔點約1 500 ℃，而鋁的僅為660 ℃，相差約900 ℃，焊接時鋁先熔化，待鋼熔化后，由于二者密度相差很大，鋼的密度為7 800 kg/m3，而鋁的密度僅為2 700 kg/m3，液態(tài)鋁浮在鋼液上，難以形成焊縫，或冷卻后焊縫成份不均勻，使焊接接頭的性能降低[4]。由此可見，鋼/鋁之間的熔化焊接存在極大的困難。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一種固相連接技術，該方法是使被焊金屬達到塑性狀態(tài)實現(xiàn)連接的方法。該焊接方法對材料的適應性較強，可以不受或少受材料的物理性能、晶體結構等因素的影響，對克服不同材料間性能差異帶來的焊接困難具有較大的優(yōu)勢[5]。很多學者采用攪拌摩擦焊進行了異種金屬的焊接，如Elrefaey等人[6]采用FSW對純鋁和鍍鋅低碳鋼進行了搭接焊試驗，獲得了高于鋁合金基材強度的鋼/鋁異種金屬攪拌摩擦焊搭接接頭；Bozzi S等人[7]利用攪拌摩擦點焊焊接了6061鋁合金和高強低合金鋼等；國內也有一些學者進行了相關的研究[8～10]。

目前汽車鋼板大多采用鍍鋅鋼板，因此鍍鋅層以及鍍鋅層的厚度對焊接質量起著至關重要的作用，文中主要研究采用不同鋅層厚度來進行鋼/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦點焊，了解鋅對鋼/鋁合金連接所起的作用。

1　試驗材料及方法

1.1　試驗材料

試驗材料選用2 mm厚的6061鋁合金板和1 mm厚的Q235冷軋鋼板，切割成100 mm×30 mm待用，點焊試樣搭接長度[11]選定為25 mm。試驗用材料的主要化學成分及力學性能[12]如表1和表2所示。試驗用不同厚度的鍍鋅層采用自制的電鍍裝置獲得。

表1　試驗材料的主要化學成分(質量分數(shù)，%)

表2　試驗材料的力學性能

1.2　試驗方法

1.2.1鋼板鍍鋅試驗

采用自制的電鍍設備，在Q235低碳鋼板基體上電鍍鋅。通過計算法和測厚儀相結合，獲得不同厚度鍍鋅層的鍍鋅鋼板，為了比較不同厚度鍍鋅層對焊接質量的影響，試驗采用的鍍鋅層厚度分別為8～12 μm、16～20 μm、24～28 μm和32～36 μm。

1.2.2攪拌摩擦點焊試驗

采用FSW-RT31-006型臺式攪拌摩擦焊機，其轉速在100～1 500 r/min之間可調，焊接壓力可以根據(jù)軸肩下壓量進行調節(jié)，攪拌頭傾角為0°。試驗用柱狀螺紋攪拌頭，軸肩直徑10 mm，攪拌針長2.4 mm。

6061鋁合金與Q235低碳鍍鋅鋼板攪拌摩擦點焊接頭采用鋁合金在上鋼在下的搭接方式進行攪拌摩擦焊接。每組參數(shù)焊接4個試樣，3個試樣用做拉剪試驗，得到的拉剪力取三者的平均值，一個試樣用作金相分析。通過前期大量的焊接工藝試驗，獲得在不同鍍鋅層厚度下的攪拌摩擦點焊的最佳工藝參數(shù)后，在優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)下將電鍍好的鍍鋅鋼板與6061鋁合金板施焊，獲得不同鍍鋅層厚度的點焊接頭，將點焊接頭進行拉剪測試和組織分析，確定鍍鋅層厚度對點焊接頭性能的影響。

2　試驗結果及分析

2.1　鍍鋅層厚度對FSSW接頭拉剪力的影響

表3為在不同鍍鋅層厚度下獲得的攪拌摩擦點焊接頭的拉剪力值。從表3可以得出，沒有鍍鋅層時，攪拌摩擦焊接頭的拉剪力為2.2 kN，當鍍鋅層厚度為8～12 μm時，點焊接頭有最大拉剪力6.46 kN，隨著鍍鋅層厚度的增加，點焊接頭的拉剪力呈現(xiàn)下降趨勢，從16～20 μm的2.61 kN下降到32～40 μm的0.85 kN。由此可見，鍍鋅層厚度范圍在8～12 μm范圍內可獲得拉剪力較好的鋼/鋁合金攪拌摩擦點焊接頭。

表3　鍍鋅層厚度對點焊接頭拉剪力的影響

2.2　鍍鋅層厚度對FSSW接頭形貌的影響

在鋼/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦點焊中，能夠實現(xiàn)連接主要得益于被稱為“鉤子”的區(qū)域[7]。這個區(qū)域中鋼在攪拌針的攪拌和摩擦作用下，發(fā)生了一定的塑性變形，然后在鋁合金的塑性流動作用下，攪拌針周圍區(qū)域發(fā)生了凸起，嵌入到發(fā)生了塑性變形的鋁合金中，冷卻后形成了“鉤子”的形貌。圖1為試驗獲得的典型的鋼/鋁合金結合界面的“鉤子”形貌，圖中a是鋁合金側，b是鋼側，黑色線條是鋼/鋁合金分界面。

圖2a～圖2e分別是鋅層厚度為0 μm,8～12 μm，16～20 μm，24～28 μm和32～36 μm點焊接頭界面“鉤子”形貌圖。結合界面“鉤子”形貌，對不同鍍鋅層的點焊接頭表現(xiàn)出來的力學性能進行分析和比較。由圖可見，在相同的焊接參數(shù)下，沒有鍍鋅層的鋼板中“鉤子”處的鋼呈現(xiàn)出破碎的形態(tài)，沒有形成完整的“鉤子”，該試樣的強度較低，而圖2b～圖2d為有鍍鋅層的鋼板，其“鉤子”呈現(xiàn)出了較完整的形貌，只是隨著鍍鋅層厚度的增加，鉤子與鋁合金界面間的接觸面積變小，在靠近“鉤子”的鋼/鋁合金界面處有些破碎的“鋼顆粒”，這可能是導致其拉剪力下降的原因。

圖1　鋼/鋁合金攪拌摩擦焊點焊接頭界面“鉤子”形貌

圖2　鍍鋅層厚度對“鉤子”形狀的影響

2.3　FSSW接頭界面元素過渡分析

為了進一步了解鋼/鋁合金異種金屬攪拌摩擦點焊接頭鋼/鋁合金界面處元素是否有擴散，采用掃描電鏡中的能譜分析(EDS)手段對鋼/鋁合金界面進行了面掃描和線掃描，測試位置如圖3a、圖4a所示，測試結果如圖3b、圖4b～圖4e及表4所示。圖3a為其面掃描位置圖，圖3b是其元素分布譜圖，能譜分析獲得的數(shù)據(jù)如表4所示，在該掃描面內，Al占69.05%，Zn占14.03%，F(xiàn)e只有0.65%。因此，在鋼/鋁合金界面處Fe的擴散非常有限，Zn在界面處含量較高，并且在兩種基材(鋁合金、鋼)中均有擴散。

圖3　鋼/鋁合金界面掃描位置及能譜圖

為了更詳細分析在鋼/鋁合金攪拌摩擦點焊接頭界面上各元素的擴散情況，對鋼/鋁合金界面進行了線掃描，如圖4所示。從各元素的分布情況看，Al幾乎沒有向鋼中進行擴散，在鋼中Al含量幾乎為0，而Fe元素存在少量的擴散現(xiàn)象，在鋁合金側有一定含量的Fe元素分布；鋁合金中的Mg和鍍鋅層的Zn在界面處的含量較高，說明Mg和Zn起到了連接鋼/鋁合金的作用。

2.4　Zn元素在鋼/鋁合金界面的分布

圖5a為6061鋁合金與沒有鍍鋅層的Q235的FSSW接頭鋼/鋁合金界面形貌，圖5b為6061鋁合金與鍍鋅層厚度為8～12 μm的Q235低碳鋼的界面結合形貌，圖中標記1的區(qū)域為Q235低碳鋼，標記2區(qū)域為6061鋁合金。從圖5可以觀察到，沒有鍍鋅層的鋼/鋁合金界面有明顯的縫隙，接頭的形成完全靠“鉤子”的幾何結構連接(圖5a)；而有鍍鋅層的的鋼/鋁合金界面存在有較完整的結合區(qū)域(但也有部分存在間隙現(xiàn)象)，鋼/鋁合金之間達到了較緊密的結合(圖5b)。為了更好的驗證Zn元素在接頭中的作用，對圖5b的鋼/鋁合金界面進行了線掃描，結果如圖6所示。

由圖6b可知，鋼板表面的鍍鋅層已經(jīng)向鋁合金基材側進行了擴散，而在鋼側的含量低于鋁合金側的含量，這說明在焊接過程中Zn擴散較快，可能起到了一定的連接作用。

2.5　元素擴散與鍍鋅層厚度的關系

由前述分析可見，鋼板的鍍鋅層厚度不同，鋼/鋁合金異種金屬形成的接頭強度有明顯差異，而鋼/鋁合金界面起連接作用的“鉤子”的形狀也略有差異。通過掃描電鏡中的能譜儀繼續(xù)分析鍍鋅層厚度對元素擴散的影響，選擇兩種鍍鋅層厚度差異較大的鋼/鋁合金攪拌摩擦點焊接頭的鋼/鋁合金界面進行分析，如圖6c～圖6e和圖7所示。

比較圖6和圖7可以看出，鍍鋅鋼板的鍍鋅層厚，鋁合金中的Mg元素在Q235中的擴散則少，而Fe在界面處的分布亦呈現(xiàn)斷續(xù)增加趨勢，在兩種鍍層條件下，鋁合金的擴散都不明顯。

2.6　拉剪斷口分析

在試驗條件下，鋼/鋁合金攪拌摩擦點焊焊接接頭的拉剪強度普遍偏低，因此有必要對其拉剪斷口進行分析，確定其斷裂形貌和斷裂類型。

由圖8a可以看出，斷裂發(fā)生在焊核交界面，斷口處存在有較深而密的韌窩，屬于典型的韌性斷裂；而圖8b為鋼熔核側，其斷裂形貌為典型的解理斷裂，說明在鋼側沒有發(fā)生塑性變形，可能是其中的金屬間化合物撕裂形成的斷口形貌。

圖6　鍍鋅層厚度為8～12 μm試樣不同元素在界面的分布情況

圖7　鍍鋅層厚度為32～36 μm試樣不同元素在界面的分布情況

圖8　FSSW接頭斷口掃描圖

3　結論

(1)在鋼/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦點焊過程中，起連接作用的“鉤子”形貌與鍍鋅鋼板的鋅層厚度存在一定的關系，即鋼板未鍍鋅時，不能形成完整的“鉤子”形貌，有鍍鋅層的鋼板均能形成較完整的“鉤子”，但隨著鍍鋅層厚度的增加，“鉤子”出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象，導致接頭的拉剪力下降；

(2)在適合的焊接工藝參數(shù)下，隨著鍍鋅層厚度的增加，Zn元素進入到鋁合金母材的含量增加，但是由于鍍鋅層增加，Zn元素不能均勻的溶入到母材中，導致焊接接頭拉剪力下降；鍍鋅層厚度為8 ～12 μm時獲得的攪拌摩擦點焊接頭拉剪力較高。

[1]邱然鋒, 石紅信, 張柯柯, 等. 汽車車身用鋁合金與鋼的異種材料電阻點焊技術研究現(xiàn)狀[J]. 電焊機, 2010, 40(5): 150-153.

[2]史春元, 于啟湛. 異種金屬的焊接[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

[3]Pardal G, Meco S, Ganguly S，et al. Dissimilar metal laser spot joining of steel to aluminium in conduction mode[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014,73(1-4): 365-373.

[4]李亞江, 吳娜. 鋼/鋁異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀[J]. 焊接, 2010(3):5-12.

[5]柯黎明, 邢麗, 劉鴿平. 攪拌摩擦焊工藝及其應用[J]. 焊接技術, 2000, 29(2):7-8.

[6]Elrefaey Ahmed, Takahashi Makoto, Ikeuchi Kenji. Friction stir welded lap joint of aluminum to zinc-coated steel[J]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society, 2005, 23(2): 186-193.

[7]Bozzi S, Helbert-Etter A L, Baudin T, et al. Intermetallic compounds in Al 6016/IF-steel friction stir spot welds[J]. Materials Science and Engineering A, 2010, 527(16-17): 4505-4509.

[8]王希靖, 鄧向斌, 王磊. Q235鋼板與6082鋁合金攪拌摩擦焊工藝[J]. 焊接學報, 2016, 37(1): 99-102.

[9]高福洋, 郁炎, 蔣鵬, 等. 鋁鋼異種金屬攪拌摩擦焊搭接接頭組織與性能研究[J]. 兵器材料科學與工程, 2016, 39(2): 51-54.

[10]徐海升. 鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊工藝及連接機制研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2015.

[11]中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊(第一卷)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2001.

[12]中華人民共和國標準, GB/T 228.1—2010金屬材料 拉伸試驗 第1部分室溫試驗方法[S].北京:北京標準出版社,2011.