鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

孫靖　陳艷　王旭琴　丘廉芳

摘要：攪拌摩擦鉚焊技術(shù)在連接鋁合金與鋼領(lǐng)域的研究取得了較大的進(jìn)展。綜述攪拌摩擦鉚焊的原理和分類，對(duì)鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊的接頭形式、接頭區(qū)域的微觀組織演變、界面金屬間化合物種類與影響因素以及接頭失效形式進(jìn)行分析總結(jié)。大量研究表明，攪拌摩擦鉚焊接頭區(qū)域按照微觀組織演變可劃分為錨固區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)以及熱影響區(qū)。在鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊界面結(jié)合處易形成FexAly（x<y）型金屬間化合物，對(duì)接頭性能產(chǎn)生危害，而通過表面鍍Zn、Zn-Al-Mg或添加Zn元素等可減少有害金屬間化合物，提高接頭性能。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦鉚焊技術(shù);鋁合金與鋼異種材料;微觀組織演變;金屬間化合物;失效形式

中圖分類號(hào)：TG453+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0057-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.09

0 前言

近年來，隨著輕量化以及節(jié)能在工業(yè)領(lǐng)域的需求日益提高，鋁鎂合金的應(yīng)用需求日益增加，而鋁鎂合金單獨(dú)使用強(qiáng)度和剛度較低，需要將其與高強(qiáng)度材料如鋼等復(fù)合使用。因此，異種材料的連接，尤其是鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金與鋼的連接顯得尤為重要[1-2]，著重需要解決異種材料高強(qiáng)度和高精度結(jié)合問題。異種材料傳統(tǒng)連接方法包括鉚接、焊接和膠結(jié)，傳統(tǒng)連接方式存在諸多缺點(diǎn)，如普適性不強(qiáng)、連接強(qiáng)度及穩(wěn)定性欠佳、精度難以控制等問題。因此，亟需開展異種材料穩(wěn)定可靠的新連接方式研究。

攪拌摩擦鉚焊技術(shù)是一種新興的異種材料穩(wěn)定連接技術(shù)，采用鉚釘?shù)男D(zhuǎn)摩擦生熱，同時(shí)保留鉚焊技術(shù)的變形鎖合以及固相焊接特征[3]。關(guān)于攪拌摩擦鉚焊國內(nèi)外各高校已有相關(guān)研究，但著重集中在攪拌摩擦鉚焊接頭的組織、力學(xué)性能表征以及失效形式分析。Haris[4]等人研究了微攪拌摩擦鉚焊技術(shù)連接多層Al/Cu超薄板，試驗(yàn)結(jié)果表明層間結(jié)合良好，且存在納米級(jí)擴(kuò)散層。William[5]研究了雙面攪拌摩擦自鉚焊技術(shù)，試驗(yàn)中在預(yù)制孔里形成了連續(xù)的類似鉚釘?shù)倪B接接頭，接頭處不僅形成材料層面的冶金結(jié)合外，而且在鉚焊接頭下部形成了有效的機(jī)械鎖合。國內(nèi)蘭州理工大學(xué)王希靖[6]等采用攪拌摩擦鉚焊新方法連接6061鋁合金和DP600鍍鋅鋼，接頭成形平整，接頭處形成冶金結(jié)合。Huang[7]等人研究了鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊過程中材料的流動(dòng)行為以及力學(xué)性能。本文主要介紹鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊接頭結(jié)合機(jī)理、接頭處微觀組織演變以及接頭失效形式及其影響機(jī)理。

1 攪拌摩擦鉚焊接頭結(jié)合機(jī)理

攪拌摩擦鉚焊的接頭形式根據(jù)鉚接形式以及鉚釘結(jié)構(gòu)的不同主要分為兩種：自鉚接攪拌摩擦鉚焊和自沖旋鉚。自鉚接鉚焊中無預(yù)制鉚釘，用于異種材料板子的連接，在下層板子上預(yù)制適當(dāng)形狀的孔，隨著攪拌頭移動(dòng)，上層材料在摩擦熱作用下軟化并受到擠壓向下流動(dòng)，進(jìn)入下層板子的預(yù)制孔形成類似鉚釘結(jié)構(gòu)。自沖旋鉚過程主要包括：鉚點(diǎn)尋位—攪拌自攻孔—攪拌變形鎖合—急停固焊。自沖旋鉚根據(jù)鉚釘結(jié)構(gòu)以及鉚焊過程的不同可以細(xì)分為4種：攪拌摩擦盲鉚技術(shù)（FSBR）[8-10]、攪拌自旋鉚接（FSPR）[11-12]、旋轉(zhuǎn)摩擦鉆孔鉚接（RFDR）[13]以及旋轉(zhuǎn)摩擦壓力鉚（RFPR）[14]。典型的攪拌摩擦自鉚焊接頭與自沖旋鉚攪拌磨擦鉚焊接頭如圖1所示。

如圖1a所示，攪拌摩擦自鉚焊技術(shù)連接鋁合金與鋼時(shí)，一般采用鋁板在上、鋼板在下的放置方式，鋁合金軟化溫度較低，塑性流動(dòng)較好，可在攪拌摩擦熱影響下充分軟化。一般在鋼板上預(yù)制一定形狀的孔，以便鉚焊之后形成牢固的類似鉚釘?shù)慕宇^。隨著攪拌摩擦頭移動(dòng)，產(chǎn)生大量摩擦熱，使上層鋁合金材料軟化具有一定的流動(dòng)性，在攪拌頭的擠壓作用下填充下層板子上的預(yù)制孔，形成鉚焊接頭。根據(jù)Huang[7]等人的研究成果，在攪拌摩擦自鉚焊焊接鋁合金與鋼過程中，材料填充順序遵循以下規(guī)律：首先是鉚釘尖端變形的鋁合金，其次是鉚釘桿部受到攪拌的鋁合金，最后是由于鉚釘進(jìn)給被壓入的鋁合金。形成的典型接頭形貌如圖1a所示，接頭區(qū)域可被分為4個(gè)區(qū)塊，分別為：鉚焊塊區(qū)（Welding Nugget Zone，WNZ）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）、熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）以及自鉚接區(qū)域（Self-riveting Zone，SRZ）。

王希靖[18]等人研究了植入式攪拌摩擦鉚焊兩種接頭形式對(duì)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：背面有釘帽的接頭形式在拉伸過程中鋁柱沿著界面被剪成兩部分，而背后無釘帽的接頭形式在拉伸過程中鋁柱直接從孔中拔出。因此，為了實(shí)現(xiàn)鉚釘?shù)臋C(jī)械鎖合，即形成釘帽結(jié)構(gòu)，需要在預(yù)制孔下方放置適當(dāng)?shù)钠ヅ淠?，這對(duì)鉚焊的放置方式和空間提出了更加嚴(yán)苛的要求。而自沖旋鉚技術(shù)可有效解決空間利用的問題，在Ma等人的研究中[17]，自沖旋鉚連接鋁合金與鋼的典型接頭結(jié)構(gòu)如圖1b所示。將預(yù)制鉚釘從單邊旋入預(yù)制的異種多層板材中，板材放置一般上為軟性材料，下方為硬質(zhì)材料，鉚釘一般為空心結(jié)構(gòu)。在攪拌摩擦鉚焊過程中，由于鉚釘相對(duì)于板材旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的摩擦熱，使上方軟性材料發(fā)生軟化，產(chǎn)生塑性流動(dòng)，在鉚釘旋入過程中，軟化材料進(jìn)入空心鉚釘內(nèi)部，在鉚釘與板材界面處形成冶金結(jié)合。此外，通過控制旋轉(zhuǎn)速度與急停，鉚釘下部變形張開形成根切效應(yīng)，達(dá)到機(jī)械鎖合效果。如圖1b所示，根切量d是指鉚釘與板材結(jié)合界面到鉚釘尖部的輻射距離;鉚釘深度h為鉚釘深入下層板子的深度;δ為靠近鉚釘桿部板子間距離。通常，根切和鉚入深度越大，表明機(jī)械鎖合作用越強(qiáng)，較大的δ值預(yù)示著鉚入深度減小且機(jī)械鎖合效果削弱。

2 接頭區(qū)域微觀組織表征

對(duì)攪拌摩擦鉚焊接頭區(qū)域微觀組織的研究可促進(jìn)對(duì)組織-性能間關(guān)系的深入理解，從而進(jìn)一步控制攪拌摩擦鉚焊接頭的綜合性能。攪拌摩擦自鉚焊接頭微觀組織如圖2所示，根據(jù)組織演變規(guī)律，與Huang[7]等人研究結(jié)果類似，Saju[19]自鉚焊接頭區(qū)域可劃分為攪拌區(qū)域（Stir Zone，SZ）或者焊接區(qū)塊（WNZ）[7]、熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）、塑性變形金屬流動(dòng)區(qū)（Plastically Defor-med Metal Flow Zone，PDZ）或自鉚接區(qū)域（SRZ）。與基體組織比較，SZ區(qū)域組織明顯細(xì)化，晶粒最細(xì)小，微觀組織為細(xì)小等軸晶。PDZ區(qū)域組織則明顯粗化，但與基體比較細(xì)小，晶粒為較粗大的等軸晶。TMAZ區(qū)域晶粒細(xì)化，且晶粒由于機(jī)械攪拌的影響發(fā)生明顯變形。

Rodrigues[20]等人分析了自沖旋鉚攪拌摩擦鉚焊接頭典型微觀組織，如圖3所示，接頭區(qū)域被分為5個(gè)典型區(qū)塊：熱影響區(qū)（Polymer Heat Affected Zone，PHAZ），熱機(jī)影響區(qū)（Polymer Thermal-mecha-

nical Affected Zone，PTMAZ），金屬熱影響區(qū)（Metal Heat Affected Zone，MHAZ），金屬熱機(jī)影響區(qū)（Metal Thermal-mechanical Affected Zone，MTMAZ）以及錨固區(qū)（Anchoring Zone，AZ）。MHAZ僅受摩擦熱的影響，因此在這個(gè)區(qū)域主要發(fā)生回復(fù)和時(shí)效硬化，組織演變?nèi)Q于合金的類型以及最高溫度。PTMAZ區(qū)域既受到熱影響，同時(shí)又受塑性變形的影響。PHAZ主要受到低于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度的溫度影響，PTMAZ受到高于其軟化溫度的溫度影響，同時(shí)受到剪切變形。

Min[21]等對(duì)自沖旋鉚鉚焊AA611鋁合金與鍍鋅鋼鉚釘?shù)奈⒂^組織演變規(guī)律進(jìn)行了觀察表征。攪拌摩擦鉚焊預(yù)制孔邊緣橫截面的EBSD微觀組織如圖4所示。

接頭區(qū)域按照微觀組織的演變可被分為3個(gè)典型區(qū)域——區(qū)域X，區(qū)域A和區(qū)域B，3個(gè)區(qū)域都已鉚釘為中心成圓弧形分布。區(qū)域X距離鉚釘邊緣的距離大于773 μm，微觀組織及晶粒尺寸與基體基本相同。在區(qū)域A中，小角度晶界明顯增多，大角度晶界由94%將至28%，這表明在攪拌摩擦鉚焊過程中區(qū)域A經(jīng)歷了變形。但是，在區(qū)域A中晶粒尺寸與基體及區(qū)域X接近，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，區(qū)域A一般分布在距離鉚釘邊緣363～773 μm范圍內(nèi)。區(qū)域B內(nèi)大角度晶界比例與區(qū)域A內(nèi)類似，約27%，但是區(qū)域B內(nèi)小角度晶界比例與區(qū)域A相比明顯提升。通過進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)區(qū)域B內(nèi)晶粒發(fā)生明顯的細(xì)化，說明在攪拌摩擦鉚焊過程中材料經(jīng)歷明顯的軟化變形再結(jié)晶過程，區(qū)域B的分布一般在距離鉚釘邊緣88～363 μm范圍內(nèi)。

因?yàn)閿嚢枘Σ零T焊過程中產(chǎn)生大量的摩擦熱使界面結(jié)合處發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，生成金屬間化合物，而促進(jìn)有利金屬間化合物，抑制有害金屬間化合物有利于提升接頭性能。Huang[15]等人研究結(jié)果表明，鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊界面平整，結(jié)合緊密，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋孔洞等缺陷，如圖5a所示。TEM檢測(cè)結(jié)果表明，生成的金屬間化合物為Fe4Al13。Sun[22]等人在6061鋁合金與低碳鋼攪拌摩擦鉚焊結(jié)合界面處檢測(cè)到片狀Fe2Al5以及彌散分布的塊狀FeAl6金屬簡化合物。大量研究結(jié)果表明，相較于生成富Fe的金屬間化合物，如FeAl、Fe3Al，形成富Al的金屬間化合物，如Fe2Al5和FeAl3對(duì)界面結(jié)合以及接頭強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響[23]。在鋁和鋼攪拌摩擦鉚焊過程中加入Zn元素[24]或采用鍍鋅鋼[25]將會(huì)促進(jìn)Al-Zn金屬間化合物生成，從而抑制Al-Fe金屬間化合物[26]。王希靖[18]等人在研究鋁合金與鍍鋅鋼攪拌摩擦鉚焊過程中發(fā)現(xiàn)，鋼表面鍍鋅層在攪拌摩擦鉚焊過程中發(fā)生部分溶解，形成液相Zn膜，鋪展在界面上，并逐漸固溶于附近鋁基體中，形成過飽和固溶體。在接頭微觀形貌觀察中明顯發(fā)現(xiàn)Zn固溶于鋁基體形成的白色條帶，如圖6所示。

3 接頭失效形式

攪拌摩擦鉚焊接頭的失效包括鉚焊過程中的失效，即鉚焊接頭不合格以及后續(xù)拉伸過程中的失效。自鉚焊過程中的失效方式主要為鉚釘成形失效或有缺陷，在后續(xù)拉伸過程中鉚釘直接抽出[11]。自旋鉚焊過程中的失效形式主要包含3種，分別為根切不夠、鉚釘深度過小以及鉚釘破裂，如圖7所示。根切不足是由于材料軟化過度;鉚釘深度過小是由于摩擦產(chǎn)生熱量足夠使鉚釘穿過上層板子，但不足以穿過下層板子;鉚釘破裂是由于攪拌摩擦熱產(chǎn)生過小，上層板子軟化不足，致使鉚釘受力過大產(chǎn)生破裂。

攪拌摩擦鉚焊接頭拉伸過程中鉚釘失效方式主要包括以下5種，如圖8所示[27]。Ⅰ：金屬鉚釘在接頭外側(cè)韌性斷裂;Ⅱ：帶有后塞的鉚釘拔出，因?yàn)殂T釘尖端錨接區(qū)域萌生裂紋，“后塞”是指鉚釘拔出后的遺留部分;Ⅲ：完整的鉚釘拔出，遺留以底部變形區(qū)域?yàn)榘霃降目锥?Ⅳ：鉚釘拔出，伴隨鉚釘尖端大的變形區(qū)域但是深入深度較小;Ⅴ：鉚釘拔出伴隨有二次開裂，裂紋在錨接區(qū)域萌生。

4 結(jié)論

鋁合金與鋼異種材料連接中，傳統(tǒng)焊接技術(shù)存在熱量輸入控制不精準(zhǔn)、穩(wěn)定性欠佳等問題，攪拌摩擦鉚焊技術(shù)由于效率高、工序簡單、連接可靠等特點(diǎn)在汽車及航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（1）鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊接頭根據(jù)微觀組織演變，接頭區(qū)域從貼近鉚釘區(qū)域向外依次可劃分為錨固區(qū)（Anchoring Zone，AZ）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermal-Mechanical Affected Zone，TMAZ）以及熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）。

（2）在鉚焊過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面區(qū)域易生成AlxFey金屬間化合物，當(dāng)x>y時(shí)削弱接頭綜合性能，而當(dāng)在鉚焊過程中添加Zn元素或使用鍍鋅鋼或Zn-Al-Mg鍍層時(shí)，有害金屬間化合物得到明顯抑制。

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