胥　鍇，崔　強，崔琪睿

（1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系,安徽 蕪湖 241000；2.西北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710072）

汽車輕量化主要是通過采用高比強度、高比剛度的新型材料制造車身、底盤和動力系統(tǒng)來實現(xiàn)的。目前，用于制造輕量化汽車的新材料主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金和復(fù)合材料等。鋼-鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮這兩種材料的優(yōu)勢，在汽車和飛機制造等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但是異種金屬的優(yōu)質(zhì)高效連接是制約制造鋼-鋁復(fù)合構(gòu)件的最大技術(shù)瓶頸［1－5］。汽車零部件的焊接多以點焊為主，而鋼-鋁混合車身不能通過傳統(tǒng)的電阻點焊完成。為此，有必要研究和開發(fā)一種新型的焊接工藝來滿足鋼-鋁的可靠焊接的需要［6－9］。

鋼-鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的車身會存在異種金屬間的連接問題、接縫兩邊材料的匹配問題、電偶腐蝕導(dǎo)致的車身損壞問題及熱致變形造成的不協(xié)調(diào)問題。為此，國內(nèi)外一些專家、學(xué)者和技術(shù)人員進行了相關(guān)的研究，開發(fā)了鋼-鋁焊接的一些新技術(shù)和新工藝。在本文中，我們采用熱致攪拌摩擦點焊工藝對DP590鋼與6061鋁板進行了焊接實驗，通過掃描電鏡與拉伸試驗研究了焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能，為異種金屬材料特別是難焊異種金屬材料間的焊接提供了有價值的參考。

1　實驗材料、設(shè)備及焊接方法

實驗材料為DP590鋼板和6061鋁板，尺寸均為150 mm×100 mm×2 mm。實驗材料中所含的其他成分見表1和表2。

表1　DP590鋼中的其他成分

表2　6061鋁中的其他成分

焊接設(shè)備是北京賽福斯特技術(shù)有限公司制造的龍門式FSW-LM-AM16型攪拌摩擦焊機（圖1），焊機的攪拌頭如圖2所示。

實驗方法是采用搭接的連接方式，在異種材料的攪拌摩擦點焊中，較軟的材料通常放置在上層，較硬的材料在下層，這樣能減少攪拌頭的磨損，延長攪拌頭的使用壽命，提高焊接工藝的經(jīng)濟性。因此，我們將鋁合金板材放在上面，鋼板放在下面，搭接接頭如圖3所示。

焊接前先用砂紙分別打磨鋼板和鋁板的上下表面，并用酒精清洗去除氧化皮和油污，再將鋼板放在下面，鋁板放在上面，并用夾具將這兩種實驗板固定好（圖4）。焊接工藝采用的是“帶有退出孔的攪拌摩擦點焊”，具體的焊接過程分為三個階段，即壓入階段、連接階段和回撤階段?；爻泛笤诤缚p中心留下的是典型的退出“匙孔”。

焊接實驗的條件如下：攪拌頭的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，扎入深度為0.2 mm，攪拌頭停留時間為90 s，焊接壓力為0.2 MPa。

圖1　攪拌摩擦點焊設(shè)備

圖2　攪拌頭

圖3　焊接形式

圖4　夾具

2　實驗結(jié)果與分析

下面我們研究焊接頭的成形效果、微觀組織及其力學(xué)性能。

2.1　接頭的成形效果

圖5是上述條件下冷卻空氣流量為20 L/min時的焊接接頭形貌特征。這時的摩擦發(fā)熱量較大，溫度較高。由于鋼板和鋁板都固定在平臺上，傳熱效率很高，這會導(dǎo)致攪拌頭的溫度高于母材鋼的溫度，使鋼-鋁發(fā)生塑性流動。從圖5a可以看出，焊接接頭正面成形效果較好，表面光亮，退出孔較小；從圖5b可以看出，焊接接頭背面的焊核比較明顯，沒有留下焊瘤，焊接效果比較理想。

圖5　焊接接頭的形貌特征

2.2　攪拌區(qū)的顯微組織

掃描電鏡下攪拌區(qū)的顯微組織如圖6所示。從圖6可以看出，鋼-鋁的焊接點經(jīng)充分攪拌后已結(jié)合在一起，有較多的鋁顆粒嵌入鋼材料中，也有很多大小和形狀不同的鋼顆粒滲入鋁材料中，這說明在焊接過程中攪碎的鋼顆粒被攪入塑性較好的鋁材料中，鋁顆粒也被攪入鋼材料中。

完成焊接后，鋁顆粒和鋼顆粒呈片層狀交錯分布，這是在攪拌針的作用下，鋁顆粒和鋼顆粒得到了充分混合。在強烈的塑性剪切作用下，這兩種材料發(fā)生變形和流動，材料發(fā)生流動后顯示出河流狀特征［10］。

圖6　接頭攪拌區(qū)的顯微組織

2.3　剪切斷裂處的顯微組織

焊接后，接頭的抗剪載荷可達10.9 kN。掃描電鏡提供的剪切斷裂處的顯微組織見圖7。從圖7可以看出，該顯微組織的形貌特征是一個個大小不等的圓形或橢圓形韌窩。韌窩是微孔長大形成的，是微孔形核長大和聚合在斷口留下的痕跡。

韌窩的形狀取決于所受應(yīng)力的狀態(tài)，韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力。若第二相數(shù)量較少且呈均勻分布，基體的塑性變形能力就強，就會形成大而深的韌窩。若基體的加工硬化能力很強，就會形成大而淺的韌窩。若微孔聚集斷裂就一定會形成韌窩，而在微觀形態(tài)上形成韌窩，宏觀上不一定出現(xiàn)韌性斷裂，這是因為宏觀上的脆性斷裂，在局部區(qū)域內(nèi)可能是塑性斷裂，也可能是塑性變形，但顯示的都是韌窩。

圖7　斷裂處的顯微組織

3　結(jié)論

在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min、扎入深度為0.2 mm、停留時間為90 s及焊接壓力為0.2 MPa、冷卻空氣流量為20 L/min的條件下，焊縫表面成形較好，表面光亮，退出孔較小，即通過攪拌摩擦點焊能獲得成形較好的鋼-鋁異種金屬焊搭接接頭。

在攪拌針的作用下，攪拌區(qū)里的鋼-鋁產(chǎn)生強烈的塑性剪切變形與流動，這兩種材料能充分混合在一起，呈現(xiàn)出河流狀的流動特征。

剪切斷裂顯微組織的形貌特征是一個個大小不等的圓形或橢圓形韌窩，韌窩是由微孔長大形成的，是微孔形核長大和聚合在斷口留下的痕跡。