铝和不锈钢FSW对搭接接头界面结构及性能研究

摘要：采用搅拌摩擦焊接方法，设计了基于“差高偏置”的对搭接接头，对厚度为4 mm的5A06铝合金和厚度为2 mm的316L不锈钢进行了搅拌摩擦焊接（Friction stir welding，FSW）焊接试验。通过观察焊缝金相形貌发现，焊接界面光滑平整，没有形成Hook钩，在焊缝靠近界面位置形成了钢颗粒增强铝基复合组织和河流状花样组织结构。通过SEM观察，铝-钢之间形成了一层厚度约为3 μm的中间过渡层。显微硬度及拉伸测试结果表明，过渡层的显微硬度较高，接头的拉伸强度达到了铝合金母材强度的89.7%。

关键词：搅拌摩擦焊接；铝/钢异种材料；对搭接接头

中图分类号：TG456.9 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）03-0436-04

Interface Structure and Properties on Friction Stir Welding Dissimilar Alloys Lap-Butt Joint of Aluminum and Stainless Steel

Xu Haisheng，Shen Yiju，Feng Xiaomei，Chen Wenhua

Abstract： 4 mm thick plates of 5A06 aluminum alloy and 2 mm thick plates of 316L stainless steel are successfully lap-butt jointed using friction stir welding （FSW）. In order to solve the lack of penetration and hook problem， a lap-butt configuration is adopted based on the principle of "height differcnce-pin offset". The interface which exhibits characteristics of smoothness， no hook and incomplete penetration is found by observing the microstructure of the joint. There are steel particle reinforced aluminum matrix composite tissue structure and river pattern structures near the interface of the welds. Meanwhile， the element diffusion and the generation of intermetallic compound occur in the interfacial zone， and the thickness of the layer is about 3 μm. The microhardness value in the bonding interface reaches the maximum. The tensile strength of the joint reaches 89.7% of the aluminum alloy base metal strength.

Key words： friction stir welding（FSW）； Al-Fe dissimilar materials； lap-butt joint

在轨道交通、船舶、航空航天等工业中，为了减轻重量以及满足使用要求，用铝合金来代替部分钢组成铝钢复合结构成为越来越普遍的选择[1-2]。但是，铝和钢存在较大的物理和化学性能差异：熔点和密度差异明显；热导率和热膨胀系数差别明显；焊缝中容易形成脆硬的铝钢金属间化合物，容易导致焊缝裂纹。因此，铝-钢之间的焊接问题一直是业内关注的热点和难点[3]。

搅拌摩擦焊接（Friction stir welding，FSW）属固态连接技术[4]。铝-钢FSW传统对接接头易在接头界面处出现过多的金属间化合物，并且在界面根部出现未焊透的缺陷或者Hook钩，这些都对焊缝性能有不利影响。本文针对铝-钢异种金属的FSW，基于“差高-偏置”原理设计了对搭接接头进行FSW，可有效避免焊接过程中出现Hook钩和焊缝根部未焊透缺陷[5-7]。

基金项目：国家自然科学基金（51475232）资助项目；江苏高校优势学科建设工程（PAPD）资助项目。

收稿日期：2015-03-10；修订日期：2015-04-19

1 实验材料和方法

实验材料选择厚度分别为2 mm的316L不锈钢和4 mm的5A06铝合金板材，材料的化学成分分别如表1，2所示。焊接实验前将铝板和不锈钢板表面用砂纸打磨，然后用丙酮清洗表面油污，以避免表面氧化膜等对焊接质量产生不利影响。对搭接接头示意图如图1（a）所示；搅拌头采用组合式结构，如图1（b）所示，轴肩材料为镍基高温合金，直径为16 mm，搅拌针为螺旋形，材料为WCo，直径为4 mm。焊接时将不锈钢置于前进侧，即焊接方向与搅拌针旋转方向相同的一侧[6]。经过焊接参数优化，搅拌头的转速为1 200 r/min，焊速为90 mm/min，搅拌针的前倾角为0°，搅拌头轴肩相对于铝合金表面的下压量为0.2 mm，搅拌针偏进钢一侧的偏置量为0.2 mm时可得到完整的焊接接头。焊后沿垂直于焊缝的方向取试样，并打磨抛光，经腐蚀后在光学显微镜观察金相组织。利用显微硬度计沿垂直于对接界面，在焊缝截面的上中下3个位置分别进行显微硬度测试。用扫描电镜观察焊缝焊接界面的微观组织结构，并用能谱仪分析接头的元素分布和含量。根据GB/T26512008《焊接接头拉伸试验方法》，制作接头拉伸试样，选取每种焊接参数在WDW-1000万能试验机上进行拉伸实验，拉伸速率为0.5 mm/min。为了增加实验数据的准确性，选取3个样品进行拉伸然后取其平均值。拉伸后利用扫面电镜分析断口断裂形貌和断口中的元素分布。

2 实验结果和分析

2.1 铝合金和不锈钢对接接头形貌分析

图2为搅拌头转速n=1 200 r/min，焊接速度v=90 mm/min，偏置量T=O.2 mm时的焊接接头的截面宏观形貌和局部区域放大图。由图2可知，在该工艺参数下，对搭接接头的表面完整，截面没有孔洞和裂纹等缺陷。对搭接焊接接头的组织特点可以将接头分为：焊核区（A）、钢侧热机影响区（B）、铝侧热机影响区（C）、钢侧热影响区（D）、铝侧热影响区（E）、钢侧母材区（F）和铝侧母材区（G）等。图2（c，d）分别为图2（b）中f和d区域的局部放大图，由图2（b）可以看出，该区域富集较多的钢颗粒，形成了钢颗粒增强的铝基复合区域，这是因为在焊接过程中，在铣削式搅拌针的作用下，搅拌针铣削下来大量的钢颗粒，随着搅拌针的搅拌作用均匀弥散分布在焊缝近界面位置，形成了近界面增强层，提高了该部位的接头强度。从图2（d）可以看出该部分有典型的河流状流动花样，这是因为在搅拌针的搅拌作用下，焊缝区塑性状态的金属材料形成了连续的流动，最后形成了该区域的连续河流状流动花样。

2.2 焊接接头界面微观结构成分分析

使用扫描电镜和能谱仪对焊缝界面进行微观结构和成分进行分析，结果如图3所示。图3（a）为焊缝界面微观区域图，图中左侧（灰白色区域）是钢基体，右侧（深色区域）是焊核区的铝合金一侧，中间（浅灰色区域）是焊接界面处的中间过渡层。由此可以看出，焊缝界面结合良好，焊接界面中间过渡层致密均匀，没有微裂纹等缺陷；在近界面处的铝合金一侧有随机分布的钢颗粒。

对图3（a）的中部界面沿图中白色箭头方向进行扫描能谱分析，结果图3（b）所示。从图中可以看出，从左侧到右侧，中间有明显的元素成分梯度变化，形成了梯度分布的中间过渡层。该中间过渡层的存在说明了在焊缝界面处有明显的Al-Fe原子的扩散、固溶和金属间化合物，铝-钢达到了良好的焊接冶金结合。

2.3 焊接接头显微硬度分析

图4为焊缝截面垂直于焊接面的显微硬度分布。由图可以发现，铝的显微硬度为55HV0.2左右，靠近焊接搭接面位置的铝合金硬度呈缓慢上升的趋势，这是因为靠近焊接界面过渡层位置的铝合金在搅拌针的作用下组织较为均匀，致密。过渡层区域的最高硬度可达370HV0.2，明显高于不锈钢母材的220HV0.2，这是因为在过渡层区域内可生成金属间化合物增强相[6，8]

2.4拉伸及断口分析

图5为焊接接头在搅拌头旋转速度为1 200r/mln，焊接速度为90 mm/min，搅拌针偏置量为0.2 mm时的对搭接接头，其拉伸强度为282.5 MPa，达到了铝合金母材强度（315 MPa）的89.7%。分析认为原因主要有以下方面：首先，在焊接过程中，焊核区的铝合金和不锈钢发生了充分的搅拌混合作用，形成了钢颗粒增强铝基复合区域；其次，在焊接过程中，对接界面处生成了厚度均匀且较薄的中问过渡层，形成了铝一钢的金属间冶金结合；最后，在焊接过程中有效地避免了Hook钩的形成，避免了焊缝的应力集中现象的产生。

图5（a）为拉伸实验后断裂形貌。由图可以看出，断裂位置为焊缝靠近焊接界面的铝合金一侧。断口呈现典型的45°韧性断裂形貌[9]。图5（b）为拉伸断口局部放大形貌图，由图可以看出，断口呈现典型的韧性断口形貌，韧窝大小不一，且韧窝较深。图5（c）为断口成分EDS图，由图可以看出，断口中主要为Al，有少量的Fe、Cr、Ni等。这是因为断裂位置是在焊缝前进侧靠近焊接界面的铝合金一侧，在靠近界面位置有钢颗粒和一些金属间化合物存在，这些是断裂裂纹源，是整个焊缝的薄弱位置，因此控制焊缝中的金属间化合物的数量、大小、形状及其分布是得到性能良好焊缝的关键。

3 结 论

（1）采用对搭接接头形式实现了铝-钢异种金属的搅拌摩擦焊接。当焊接转速为1 200 r/min，焊接速度90 mm/min，搅拌针偏置量为0.2 mm时焊接接头表明成形良好，焊缝内部没有空洞、裂纹等缺陷。

（2）焊接界面结合良好，形成了厚度约为3 μm的中间过渡层，界面根部没有Hook钩和未焊透现象出现。

（3）焊缝接头的断裂强度达到了282.5 MPa，达到了铝合金母材强度（315 MPa）的89.7%。断裂位置在焊缝界面铝合金一侧，断口是典型的韧性断裂。

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