(1.廣東省焊接技術研究所(廣東省中烏研究院)，廣東省現(xiàn)代焊接技術重點實驗室，廣州 510651；2.南京理工大學，南京 210094)

0 序 言

耗材摩擦焊(Friction Surfacing)由摩擦焊發(fā)展而來，其原理為：高速旋轉(zhuǎn)的耗材在一定壓力下與基板接觸，兩材料由于摩擦產(chǎn)熱達到塑性狀態(tài)，當耗材與基板發(fā)生相對運動時耗材連續(xù)過渡到基板而實現(xiàn)焊接[1]。耗材摩擦焊是一種固相焊接方法，具有焊接質(zhì)量高、焊接能耗低及無污染等特點，可以實現(xiàn)零稀釋率、高質(zhì)量的表面熔敷層或焊接接頭。在制造具有特殊表面需要材料或?qū)崿F(xiàn)異種難焊金屬焊接中有廣泛的應用[2]。

鋁/鋼異種材料結(jié)構(gòu)件結(jié)合了鋁合金耐腐蝕、比強度高與鋼高強度的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應用到工程實踐當中：在汽車輕量化工程中，鋁制覆蓋件及鋼制骨架焊接結(jié)構(gòu)件可以大大減小車身重量；在船舶行業(yè)當中鋁/鋼結(jié)構(gòu)件被應用在鋼制船基體與鋁制上層建筑的焊接中。目前鋁與鋼結(jié)構(gòu)件的連接主要通過激光焊、釬焊及爆炸焊等傳統(tǒng)焊方法來實現(xiàn)[3-5]，但鋁和鋼由于物理化學性能(如：熔點、熱導率、熱膨脹系數(shù)等)差異較大導致傳統(tǒng)焊接方法存在一定問題：①焊后殘余應力大，易引起變形及裂紋；②鋁與鋼的焊接會產(chǎn)生硬脆的FeAl,Fe2Al5等金屬間化合物，顯著降低其綜合力學性能。耗材摩擦焊可為上述問題提供有效技術途徑，而相關研究較為匱乏。

針對上述問題，文中提出了采用耗材摩擦焊來實現(xiàn)鋁/鋼焊接的方法，以獲得綜合力學性能高、稀釋率低的接頭。文中選擇2A12鋁合金為耗材，以Q235低碳鋼為基板進行了耗材摩擦焊研究，通過分析焊縫成形、接頭微觀組織及力學性能，揭示耗材摩擦焊工藝特性，并為耗材摩擦焊的推廣應用提供理論基礎及技術指導。

1 試驗方法

選用2A12-T4鋁合金耗材直徑尺寸d為φ25 mm，Q235低碳鋼基板尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，其化學成分和力學性能見表1,表2。2A12鋁合金為Al-Cu-Mg系可熱處理強化鋁合金，主要由α(Al)固溶體、S相(Al2CuMg)及θ相(CuAl2)組成，其中S相與θ相起主要強化作用；Q235組織為F(鐵素體)和P(珠光體)。

所用耗材在焊前需要對其端面進行銑平以保證焊接過程的穩(wěn)定性，焊前需要對工件進行打磨并用丙酮擦拭去除材料表面的氧化膜和油污。通過前期試驗，選擇耗材轉(zhuǎn)速ω=700～1 200 r/min，焊接壓力F=3 MPa，焊速v=60 mm/min。同時，采用加熱墊板對基板進行預熱以進行對比試驗，預熱溫度為T= 200 ℃。焊后沿垂直焊接方向選取橫截面，經(jīng)打磨和拋光處理后，用混合酸溶液(2 mL HF+3 mL HCl+5 mL HNO3+190 mL H2O)腐蝕鋁側(cè)，用5%硝酸酒精溶液腐蝕鋼側(cè)，并用光學顯微鏡進行接頭微觀組織分析。采用顯微硬度計沿厚度方向分別對焊接層鋁側(cè)、鋼側(cè)及鋁鋼結(jié)合面進行顯微硬度測試。利用線切割將接頭加工成L形剪切試樣，每個工藝參數(shù)獲得的接頭選取三個剪切試樣，在力學性能測試機上進行拉伸試驗，以三個剪切試樣剪切強度的平均值作為剪切評價標準，并采用射線能譜儀(EDS)對界面元素分布進行分析。

表1 2A12-T4鋁合金化學成分及力學性能

表2 Q235化學成分及力學性能

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫成形

不同的主軸轉(zhuǎn)速下焊縫表面成形如圖1所示。當主軸轉(zhuǎn)速較低(ω=700 r/min)時，由于熱輸入不足，耗材與基板的金屬都未能達到充分塑性化狀態(tài)，導致堆焊層表面粗糙并出現(xiàn)未焊合的缺陷，如圖1a所示；隨著主軸轉(zhuǎn)速提高到900 r/min，耗材處金屬的塑性化程度提高，均勻的過渡到基板上并形成了無表面缺陷、“魚鱗紋”清晰的焊縫，如圖1b所示。當主軸轉(zhuǎn)速提高到1 200 r/min時，過大的熱輸入導致高速旋轉(zhuǎn)的耗材對過渡金屬的剪切力大于此時過渡金屬與基板的結(jié)合力，從而使得堆焊層被破壞。此時過渡的金屬隨著高速旋轉(zhuǎn)的耗材被甩向兩邊并堆積，如圖1c所示。由于后退側(cè)熱輸入略低于前進側(cè)，過渡金屬與基板的結(jié)合力相對較大，因此在后退側(cè)堆積的金屬多于前進側(cè)。

圖1 不同轉(zhuǎn)速下焊縫表面成形

圖2為結(jié)合面處的微觀形貌圖，由于鋁與鋼熱塑性溫度差異大，當焊接熱源僅為摩擦熱時，耗材與基板無法同時達到熱塑性狀態(tài)，焊接過程不穩(wěn)定，熱塑性狀態(tài)的鋁未能與基板形成冶金結(jié)合，在結(jié)合面處出現(xiàn)了顯微裂紋。

圖2 結(jié)合面微觀形貌

為了使鋁/鋼能夠同時達到熱塑性狀態(tài)，采用加熱墊板對基板進行了預熱處理，所得接頭如圖3所示，在與圖1b相同的焊接工藝參數(shù)下基板預熱后所得到的堆焊層表面光滑，未預熱情況下表面存在明顯的“魚鱗紋”。

圖3 預熱狀態(tài)焊縫表面成形

“魚鱗紋”形成機制為：隨著耗材沿焊接方向進行，流動到耗材后方的塑性金屬不斷增加，當耗材后側(cè)金屬與塑性層的吸附力無法帶動整個軟化層向前運動時，后方積累塑性層脫落并逐漸冷卻硬化，在耗材后方形成了一個半圓形的峰，隨著焊接過程的繼續(xù)，此過程重復進行，從而形成了連續(xù)的峰，這些重復的峰組成了堆焊層上的“魚鱗紋”。當基板預熱時，在耗材端部形成的塑性層流動性增大，耗材后側(cè)的金屬與隨耗材轉(zhuǎn)動到后側(cè)的塑性層分子間吸附力減小，每次后方積累并脫落的金屬減少，耗材后方形成的半圓形峰高度降低，在堆焊層表面表現(xiàn)為表面光滑，“魚鱗紋”細小。

圖4為預熱狀態(tài)下結(jié)合面的微觀形貌圖，基板在摩擦及加熱墊板雙重加熱方式下達到熱塑性狀態(tài)，在軸向壓力作用下鋁和鋼形成了冶金結(jié)合，其結(jié)合面完整，未出現(xiàn)微觀缺陷。因此，預熱基板，提高焊接熱輸入，有利于改善接頭焊接質(zhì)量，減少結(jié)合面缺陷的產(chǎn)生。

圖4 預熱狀態(tài)結(jié)合面微觀形貌

2.2 微觀組織

圖5為接頭不同區(qū)域內(nèi)微觀組織形態(tài)圖，其中鋼與鋁母材區(qū)域未受到焊接的影響，圖5a為鋼側(cè)母材組織呈軋制狀態(tài)，晶粒沿軋制方向分布；圖5b為鋁側(cè)母材組織，經(jīng)T4熱處理后第二相顆粒沿晶界分布；圖5c為堆焊層組織形態(tài)，其在熱-機作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，組織得到細化，最終形成細小的等軸晶，第二相顆粒仍沿晶界分布，相對于母材分布更均勻。圖5d為鋼側(cè)結(jié)合面處的組織形態(tài)，結(jié)合面處鋼側(cè)金屬在耗材摩擦扭轉(zhuǎn)力作用下沿著耗材旋轉(zhuǎn)的方向發(fā)生了扭曲。

圖5 接頭各區(qū)域顯微組織

圖6為耗材處不同部位組織結(jié)構(gòu)圖，分為可摩擦碾壓區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。摩擦碾壓區(qū)處晶粒與堆焊層晶粒相近，此處組織發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒細小且第二相均勻分布在晶界處；熱影響區(qū)同時受熱作用及擠壓作用，一方面在熱作用下晶粒會發(fā)生長大，另一方面在擠壓作用下晶粒會發(fā)生再結(jié)晶使晶粒細小，從圖中可以看出熱機影響區(qū)其晶粒大小介于熱擠壓區(qū)和母材區(qū)之間。

圖6 耗材各區(qū)域顯微組織

2.3 元素分布

圖7a和7b分別為未預熱與預熱狀態(tài)下元素分布情況，兩種狀態(tài)下Al元素與Fe元素都發(fā)生了相互擴散，在預熱狀態(tài)下擴散范圍為15 μm，未預熱狀態(tài)為8 μm；耗材摩擦焊是一種固相焊接方法，兩種狀態(tài)下元素的擴散都在一個極小的范圍內(nèi)，符合耗材摩擦焊零稀釋率的特點，當基板預熱時焊接界面處的溫度升高，加速了元素間的擴散，擴散范圍增加。在結(jié)合面處存在元素的突然波動，分析其原因為在劇烈塑性變形下，鋁與鋼形成了相互勾連的結(jié)構(gòu)，掃描線經(jīng)過此區(qū)域從而出現(xiàn)了元素的突變。

圖7 接頭元素分布

鋁/鋼耗材摩擦焊接頭的性能由結(jié)合面結(jié)合程度及界面處金屬間化合物共同決定，未預熱狀態(tài)下結(jié)合面存在缺陷，但其元素擴散范圍窄，金屬間化合物少；預熱狀態(tài)下其結(jié)合面完整，但其元素擴散范圍大，金屬間化合物較多。

2.4 力學性能

圖8a為垂直于堆焊層的結(jié)合面硬度分布，由于結(jié)合面處耗材與基板在熱-機作用下都發(fā)生了再結(jié)晶得到細化的晶粒，硬度升高；預熱狀態(tài)下Al元素和Fe元素的相互擴散加劇，促進了脆硬性金屬間化合物的生成，其硬度略高于未預熱狀態(tài)。圖8b為耗材與堆焊層硬度分布圖，其中母材硬度高于預熱條件下堆焊層硬度和未預熱條件下堆焊層硬度，其原因為2A12鋁合金耗材是可熱處理強化鋁合金，沉淀強化是主要強化機制，同時伴隨著細晶強化及形變強化，在熱-機作用下沉淀相發(fā)生粗化，強化作用減弱。

圖8c為耗材處硬度分布：母材高于摩擦碾壓區(qū)且高于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)在熱作用下晶粒長大，沉淀相析出，硬度降低，摩擦碾壓強化機制與堆焊層類似，此區(qū)域內(nèi)晶粒的動態(tài)再結(jié)晶會使其硬度升高，但沉淀相析出會降低其硬度。

圖8 顯微硬度分布

3 結(jié) 論

(1)實現(xiàn)了2A12鋁合金耗材與Q235低碳鋼基板的耗材摩擦焊試驗。預熱可以改善接頭成形質(zhì)量，得到表面成形良好、內(nèi)部無缺陷、近零稀釋率的焊接接頭。

(2)接頭鋁側(cè)晶粒在熱-機作用下發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒細化，鋼側(cè)晶粒隨耗材旋轉(zhuǎn)的方向發(fā)生了扭轉(zhuǎn)；預熱條件下接頭界面結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)微觀缺陷，未預熱情況下接頭有顯微裂紋。

(3)接頭處Fe元素與Al元素都發(fā)生了相互擴散，預熱狀態(tài)下元素擴散范圍為15 μm，未預熱狀態(tài)為8 μm。

(4)在鋁/鋼接頭界面處硬度都有所升高，堆焊層的硬度低于母材硬度，預熱條件下堆焊層硬度低于未預熱條件下的硬度。耗材硬度分為三個區(qū)域，母材硬度高于摩擦碾壓區(qū)高于熱影響區(qū)。

[1] 姚君山，杜巖峰. 耗材摩擦焊敷工藝原理及試驗研究[J]. 中國表面工程，2000(4)：8-11.

[2] 張彥華，姚君山. 耗材摩擦焊技術及其應用前景[J]. 中國機械工程，2000，11(9)：1010-1012.

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