摘要：由于鋁、鋼的熱物理性能差異較大，且鐵在鋁中的固溶度極低，鋁/鋼異質(zhì)金屬焊接已成為該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。攪拌摩擦焊具有熱輸入低、熱循環(huán)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制鋁/鋼接頭中金屬間化合物的生長，從而獲得高質(zhì)量的焊接接頭。文中綜述了鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，涉及攪拌頭材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，分析了對(duì)接、搭接與點(diǎn)焊三種形式接頭的組織與性能，并探討了鋁/鋼攪拌摩擦焊技術(shù)的未來研究方向。

　　關(guān)鍵詞：鋁/鋼異質(zhì)金屬;攪拌摩擦焊;焊接工藝;微觀組織;力學(xué)性能

　　《東方汽輪機(jī)》是由中國東方電氣集團(tuán)有限公司主管、東方汽輪機(jī)有限公司主辦的公開發(fā)行的技術(shù)期刊，主要刊登透平機(jī)械及新能源發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等方面的論文和總結(jié)，也刊登反映國內(nèi)外透平機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的有獨(dú)到見解的綜述或編譯文章。

　　0 前言

　　鋁/鋼異種金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天等制造領(lǐng)域，如汽車采用鋼制框架、鋁制車身，既保證了汽車撞擊的安全性同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化。但是，由于鋁、鋼物理和化學(xué)性質(zhì)相差很大[1]，采用傳統(tǒng)的熔化焊方法，在焊縫處易形成偏析、夾渣等缺陷。同時(shí)，焊后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，易引起接頭開裂。此外，鐵在鋁中的固溶度很小，在焊縫處易產(chǎn)生過厚的金屬間化合物(Intermetallic compound， IMC)，如Fe3Al，F(xiàn)eAl，F(xiàn)eAl2，F(xiàn)e2Al5，F(xiàn)e4Al13等[2]，嚴(yán)重惡化接頭性能[3-4]。因此，選擇合適的工藝方法控制界面處IMCs的產(chǎn)生與分布是實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異質(zhì)金屬高質(zhì)量連接的有效途徑。

　　近年來，國內(nèi)外學(xué)者在鋁/鋼異質(zhì)金屬熔釬焊、固相焊等領(lǐng)域開展了大量研究，并取得了一定的成果。但是，由于熔釬焊過程中熱輸入量較大，在鋁/鋼焊縫處易產(chǎn)生過厚的IMCs，嚴(yán)重降低接頭的性能，難以保證高強(qiáng)度的連接[5-6]。因此，很多學(xué)者開始將鋁/鋼焊接研究的重點(diǎn)向固相焊轉(zhuǎn)移，包括擴(kuò)散焊[7]、電阻點(diǎn)焊[8-9]、攪拌摩擦焊[10]，由于焊接過程中母材不熔化，可減少界面處IMCs的產(chǎn)生。其中，擴(kuò)散焊過程熱循環(huán)時(shí)間長，焊接效率低，無法批量生產(chǎn);電阻點(diǎn)焊接頭的強(qiáng)度低，疲勞性能差，應(yīng)用范圍受限;而攪拌摩擦焊技術(shù)具有熱輸入低、熱循環(huán)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制IMCs生長，從而獲得高質(zhì)量鋁/鋼異質(zhì)接頭。目前，由于鋁/鋼異質(zhì)金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)件的迫切需求，鋁/鋼攪拌摩擦焊技術(shù)已成為焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊 (friction stir welding， FSW)的研究重點(diǎn)主要包括攪拌頭的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接頭形式 (對(duì)接、搭接、點(diǎn)焊)、組織與性能分析等。文中綜述了攪拌頭的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)接、搭接與點(diǎn)焊三種形式接頭的微觀組織與力學(xué)性能等國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并討論了鋁/鋼攪拌摩擦焊技術(shù)未來研究的方向。

　　1 攪拌頭的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW時(shí)，由于鋼的熔點(diǎn)高、硬度大，焊接過程易引起攪拌頭磨損，降低其服役壽命，同時(shí)攪拌頭磨損嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。為解決攪拌頭磨損問題，國內(nèi)外學(xué)者常采用耐磨、耐高溫材料，如工具鋼、高速鋼、WC-Co合金鋼等制作攪拌頭[11-15]。目前，攪拌頭常用材料與結(jié)構(gòu)，如表1所示?？梢钥闯?，工具鋼、WC-Co合金鋼使用量較多。Xiong Jiangtao等人[11]設(shè)計(jì)了以H13模具鋼為軸肩、YG8硬質(zhì)合金鋼為攪拌針的組合式攪拌頭，在控制成本的基礎(chǔ)上，有效地提高了耐磨性與產(chǎn)熱量。此外，為了改善塑性金屬的流動(dòng)性，提高接頭的質(zhì)量，在常用錐形、柱狀攪拌針的基礎(chǔ)上[22]，又開發(fā)出了銑刀式攪拌針[11]、無攪拌針式攪拌頭[23]，如圖1所示。 Y. Uematsu等人[24]采用無攪拌針式攪拌頭對(duì)2 mm厚6061鋁合金與2 mm厚SPCC鋼進(jìn)行點(diǎn)焊，以軸肩與鋁板表面的摩擦熱作為熱源，僅依靠熱傳導(dǎo)作用將產(chǎn)生的摩擦熱傳遞至鋁/鋼界面處，在熱、力耦合的作用下發(fā)生冶金反應(yīng)形成接頭，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度連接，抗剪強(qiáng)度達(dá)到62 MPa。但是，其焊接效果受到板厚的限制，一般不超過2 mm，主要是由于軸肩下壓量過大，易產(chǎn)生“hook”缺陷與鋁板減薄現(xiàn)象。因此，合理選擇攪拌頭的材料與結(jié)構(gòu)，增大摩擦力，提高摩擦熱，有利于焊縫金屬塑化，從而提高接頭質(zhì)量。

　　2 鋁/鋼攪拌摩擦對(duì)接焊

　　鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW對(duì)接焊時(shí)，被焊材料的相對(duì)位置、攪拌針的偏置量是影響鋁/鋼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通常將鋼作為前進(jìn)側(cè)，鋁作為后退側(cè)，攪拌針向鋁側(cè)偏置，焊縫成形與接頭性能較好[16， 25- 26]，焊接示意圖，如圖2所示[27]。這主要是鋁作為后退側(cè)時(shí)，鋁合金沿?cái)嚢栳樝蜾搨?cè)流動(dòng)并發(fā)生混合形成接頭。同時(shí)，少部分的鋼在攪拌針的攪拌作用與軸肩的摩擦作用下，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪Σ翢幔行У乜刂艻MCs的產(chǎn)生。

　　H.Uzun等人[28]采用FSW實(shí)現(xiàn)了6063-T4鋁合金與X5CrNi18-10不銹鋼的對(duì)接，焊縫成形與接頭的疲勞性能較好。接頭的組織形貌主要包括7個(gè)區(qū)域，即鋼-母材區(qū)(St-BM)、鋼-熱影響區(qū)(St-HAZ)、鋼-熱機(jī)影響區(qū)(St-TMAZ)、焊核區(qū)(WN)、鋁-熱機(jī)影響區(qū)(Al-TMAZ)、鋁-熱影響區(qū)(Al-HAZ)、鋁-母材區(qū)(Al-BM)，如圖3～4所示[28]。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的鋁與斷碎的鋼片不均勻的分布在焊核區(qū)，呈旋渦狀結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為焊核區(qū)是鋁基復(fù)合增強(qiáng)材料。熱機(jī)影響區(qū)由于受到熱、力雙重作用，鋁-熱機(jī)影響區(qū)與鋼-熱機(jī)影響區(qū)的晶粒被拉長、彎曲。鋁-熱影響區(qū)、鋼-熱影響區(qū)由于僅受熱循環(huán)的作用，其組織并沒有明顯的變化，與母材的組織基本一致。 Liu Xun等人[13]采用SEM觀察6061鋁合金/高強(qiáng)鋼FSW對(duì)接接頭焊核區(qū)的結(jié)構(gòu)，焊核區(qū)是由不同形狀和大小的鋼顆粒與IMCs增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，如圖5所示。這些結(jié)構(gòu)的形成主要是由于攪拌頭的破碎與攪拌作用，將鋼以碎片或顆粒的形式嵌入鋁合金基體中，且與周圍的鋁合金基體發(fā)生冶金反應(yīng)形成IMCs。

　　鋁/鋼界面處受到熱循環(huán)作用與嚴(yán)重的塑性變形，在界面處的冶金反應(yīng)較為復(fù)雜。W. Lee等人[26]采用TEM觀察6056鋁合金/304不銹鋼FSW對(duì)接接頭的微觀組織，界面處的微觀組織是由混合層與IMC層組成，如圖6所示。通過EDS分析可知，混合層是由塑性變形的鋁合金與不銹鋼組成，呈旋渦狀與類旋渦狀結(jié)構(gòu)?；旌蠈泳Я５姆植家泊嬖谥黠@的差異，主要為拉長晶粒與超細(xì)晶。此外，IMC為FeAl4，其厚度約為250 nm。 R. S. Coelho等人[29]采用TEM分析6081鋁合金/高強(qiáng)鋼FSW對(duì)接接頭界面處的微觀組織，部分IMCs嵌入鋼基體中，其厚度約為50 nm，呈帶狀分布。通過對(duì)反應(yīng)層的物相分析可知，該IMC是Fe2Al5，如圖7所示[29]。此外，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋁合金母材強(qiáng)度的80%。T. Watanabe等人[16]采用SEM在A5083鋁合金/SS400中碳鋼FSW對(duì)接接頭中觀察到少量IMCs，通過EDS檢測(cè)，其IMCs為FeAl與FeAl3，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋁合金母材強(qiáng)度的86%，并指出過厚的IMCs嚴(yán)重惡化接頭的性能。因此，鋁/鋼FSW對(duì)接接頭中IMCs厚度對(duì)接頭性能有著重要的影響。而接頭中IMCs的產(chǎn)生與分布受工藝參數(shù)的控制，故研究工藝參數(shù)與接頭中IMCs的之間的關(guān)系對(duì)提高接頭的性能具有指導(dǎo)性意義。

　　鋁/鋼FSW對(duì)接工藝參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速、焊接速度、偏置量等，其中轉(zhuǎn)速與焊接速度決定鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW界面處的熱輸入與溫度。在FSW過程中，忽略攪拌針與工件的摩擦熱以及焊接過程中的熱量損失，其熱輸入為[30]

　　式中：T為界面溫度，℃;Tm為熔點(diǎn)，℃;V為焊接速度，mm/min;ω為角速度，rad/s;α為0.04;K為0.65。結(jié)合公式(1)～(2)可知，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速或降低焊接速度，焊縫區(qū)產(chǎn)熱增加，界面溫度升高，有利于鋁合金的塑化，較小的軸肩下壓量就可以獲得質(zhì)量可靠的接頭。但是，轉(zhuǎn)速降低或焊接速度升高時(shí)，焊縫區(qū)產(chǎn)熱減少，界面溫度降低，不足以使鋁合金塑化，不能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的連接。轉(zhuǎn)速過高或焊接速度過低，焊縫區(qū)產(chǎn)生的摩擦熱過多，界面溫度過高，鋁合金過于塑化，從而引起界面處產(chǎn)生過厚的IMCs，嚴(yán)重惡化接頭的性能。 M. Dehghani等人[32]采用FSW獲得5186鋁合金/St-52鋼對(duì)接接頭，當(dāng)采用較低的焊接速度時(shí)，界面處產(chǎn)生較厚的IMCs，接頭的強(qiáng)度較差。隨著焊接速度的增加，界面處IMCs減少，接頭的強(qiáng)度顯著增加。通過XRD檢測(cè)，界面處IMCs為Fe2Al5相與FeAl6相。當(dāng)轉(zhuǎn)速355 r/min、焊接速度56 mm/min時(shí)，界面處IMCs厚度為0.5 μm，接頭的強(qiáng)度達(dá)到最大值246 MPa，達(dá)到鋁合金母材強(qiáng)度的90%。T.Tanaka等人[33]采用FSW實(shí)現(xiàn)了7075鋁合金與中碳鋼的對(duì)接，研究發(fā)現(xiàn)界面處IMCs隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸增厚，而接頭的強(qiáng)度隨著IMCs增厚呈指數(shù)的形式降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速500 r/min、焊接速度100 mm/min時(shí)，界面處IMCs厚度為0.1 μm，接頭的強(qiáng)度達(dá)到最大值333 MPa。Lan Shuhuai等人[25]研究了工藝參數(shù)對(duì)6061鋁合金/TRIP780鋼FSW對(duì)接接頭反應(yīng)層IMCs分布的影響，如圖8所示。較高的轉(zhuǎn)速與較小的偏置量促使IMCs增厚，這主要是由于較高的轉(zhuǎn)速提高界面溫度，加速合金元素的擴(kuò)散，同時(shí)為IMCs的形核與生長提供更多的能量。較小的偏置量導(dǎo)致更多的鋼屑進(jìn)入攪拌區(qū)，為冶金反應(yīng)提供更多的Fe原子。但是，界面處IMCs隨著焊接速度的增加而減少。因此，合理調(diào)整工藝參數(shù)，控制界面處的熱輸入與溫度，獲得少量IMCs分布的高質(zhì)量接頭。此時(shí)，鋁/鋼異質(zhì)金屬FSW對(duì)接接頭的連接機(jī)制為機(jī)械咬合與冶金結(jié)合。

　　3 鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊

　　鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊(friction stir lap welding， FSLW)時(shí)，被焊材料的相對(duì)位置與攪拌針的下壓量是影響鋁/鋼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通常鋁板置于上方，有利于材料的塑性流動(dòng)、焊縫成形，同時(shí)減小攪拌頭的磨損[34-35]。若鋼板置于上方，鋼板攪拌區(qū)的溫度高于鋁合金的熔點(diǎn)，鋁合金發(fā)生熔化，無法實(shí)現(xiàn)鋁/鋼高質(zhì)量連接，其搭接方式，如圖9所示[18]。