黃 幸， 周 林， 姜進(jìn)京

（上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438）

為滿足汽車輕量化的要求，鋁合金材料作為主要輕質(zhì)金屬材料，越來越多地應(yīng)用在各種車輛上，而鋁合金/鋼件的對接技術(shù)是不可缺少的。目前大部分鋁合金/鋼件的對接都采用鉚接，但對于有密封或較高強(qiáng)度要求的地方，鋁合金/鋼件的對焊必不可少。由于鋁鐵金屬間化合物比較脆，導(dǎo)致鋁合金與鋼的焊接性很差，造成傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)無法完成，因此鋁合金/鋼對焊技術(shù)是目前限制鋁合金零件在車輛上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前正在研究的技術(shù)有：鎢極氬弧焊（TIG），冷金屬過渡焊（CMT），攪拌摩擦焊(FSW)，激光釬焊（LB）等技術(shù)。這些在研的技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而汽車制造業(yè)有其本身的特點(diǎn)和需求[1-3]。

攪拌摩擦焊由于具有成本低、效率高、缺陷少、殘余應(yīng)力小、焊件變形小、尺寸穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，近年來發(fā)展十分迅速。此項(xiàng)技術(shù)屬于固相焊接。焊接工具與母材表面的摩擦生熱和接合區(qū)材料變形產(chǎn)生的熱量使接合區(qū)局部瞬時(shí)達(dá)到高溫狀態(tài)，接合區(qū)同時(shí)經(jīng)歷高應(yīng)變速率強(qiáng)變形的機(jī)械混合，從而獲得連續(xù)、致密的接頭組織。該技術(shù)用來實(shí)現(xiàn)鋁合金和鋼焊接的可行性，已經(jīng)由國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行的大量試驗(yàn)予以報(bào)道證實(shí)[6]。

目前鋁合金/鋼異種材料攪拌摩擦焊的研究大都集中在厚2 mm以上的鋁合金板上，關(guān)于厚1 mm以下超薄鋁合金板/鋼攪拌摩擦焊的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道甚少。對于超薄鋁合金板和鋼的攪拌摩擦焊，選取適合的攪拌頭以及優(yōu)化焊接工藝來獲得具有良好性能的焊縫，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值。本文采用復(fù)合式攪拌頭對0.7 mm厚6010鋁合金板和2.0 mm厚DP600高強(qiáng)鋼板進(jìn)行攪拌摩擦搭接焊，研究了不同焊接工藝下的接頭性能和焊縫組織。在不磨損攪拌頭的同時(shí)得到了性能優(yōu)良的焊接接頭。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的材料為固溶處理并自然時(shí)效后的6010變形鋁合金薄板。該材料主要應(yīng)用于汽車車身，其典型力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度186 MPa，抗拉強(qiáng)度290 MPa，伸長率24.0%。鋼板選用寶鋼的DP600高強(qiáng)鋼，其典型的力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度371 MPa，抗拉強(qiáng)度620 MPa，伸長率22.5%。兩種母材的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)中鋁合金板和高強(qiáng)鋼板的尺寸為：長300 mm，寬200 mm，厚度分別為0.7和2.0 mm。

表1 DP600高強(qiáng)鋼和6010鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Chemical compositions of DP600 high strength steel and 6010 aluminium alloy (mass fraction/%)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前，先用砂紙將板材表面打磨干凈，并用酒精清洗表面油污。焊接過程裝置如圖1所示，采用“鋁合金上鋼下”的搭接方式進(jìn)行焊接，焊接過程中攪拌頭設(shè)置1°的傾角。攪拌頭材料為WC-Co，WRe合金復(fù)合式攪拌頭，為三截面圓柱形，如圖2所示。軸肩直徑為15.6 mm，針長為0.7 mm，針直徑為7 mm。焊接的搭接區(qū)域?qū)挾葹?0 mm。

焊接試驗(yàn)按照兩種工藝進(jìn)行：恒定頂鍛力焊接和恒定下壓量焊接。取3組不同的焊接參數(shù)，如表2所示。

圖1 鋁合金/高強(qiáng)鋼攪拌摩擦搭接焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction stir overlap welding of aluminium alloy/high strength steel

圖2 攪拌頭的形貌和尺寸Fig.2 Appearance and size of stirring head

表2 攪拌摩擦搭接焊工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of friction stir overlap welding

對焊接之后焊接接頭進(jìn)行靜態(tài)拉伸測試和維氏硬度測試，并對其微觀組織進(jìn)行光學(xué)顯微鏡（optical microscope, OM）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）觀察和能譜（energy dispersive spectrometer, EDS）分析。取樣位置及尺寸如圖3所示，每種焊接工藝取3個(gè)拉伸試樣。

圖3 取樣位置及尺寸Fig.3 Position and size of the sample

2 力學(xué)性能測試結(jié)果及分析

焊接試驗(yàn)過程中，對各參數(shù)下的頂鍛力進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖4所示。從圖4中發(fā)現(xiàn)，在2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下，最大頂鍛力達(dá)到 7.4 kN；而1 500 r·min-1轉(zhuǎn)速下，最大頂鍛力只有 4.0 kN；恒定頂鍛力則穩(wěn)定在5.0 kN。

焊核區(qū)宏觀形貌如圖5所示。從圖5中可以看出，3組試驗(yàn)參數(shù)下都得到了無溝槽、無魚鱗紋狀的光亮表面，試樣a焊縫的飛邊和毛刺要略大于試樣b和試樣c。說明3組轉(zhuǎn)速和頂鍛力都在適宜的范圍內(nèi)，被焊接材料回填充分，焊接表面較好[7]。文獻(xiàn)[8-11]指出，根據(jù)不同的材質(zhì)和厚度，攪拌摩擦焊轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化，在走速不變的情況下，轉(zhuǎn)速降低，表面毛刺（起絲）減少。因此，毛刺的產(chǎn)生可能與熱輸入量有關(guān)，熱輸入量越高，表面溫度越高，材料和攪拌頭越易發(fā)生黏連，冷卻后呈皮狀或絲狀留在表面[12]。

圖4 焊接過程中頂鍛力變化圖Fig.4 Change of upsetting force in the welding process

圖5 焊核區(qū)宏觀形貌Fig.5 Macro-morphology of nugget zone

2.1 靜態(tài)拉伸測試

試驗(yàn)后，通過靜態(tài)拉伸測試來評估焊接接頭的力學(xué)性能。首先，通過線切割將接頭切成如圖6所示形狀，拉伸試樣尺寸為長160 mm，寬15 mm。在萬能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測試，拉伸速率為1 mm·min-1。

圖6 拉伸測試用試樣示意圖Fig.6 Schematic diagram of tensile test sample

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。其中，在參數(shù)a和參數(shù)c下，拉伸試樣斷裂在靠近焊核區(qū)的鋁合金一側(cè)，平均拉伸力分別為2 603 N和2 724 N；而試樣b拉伸時(shí)斷裂在鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面處，平均拉伸力為2 287 N。焊接過程中的頂鍛力對焊接接頭的質(zhì)量有很大影響[13]，甚至可以用來監(jiān)控焊接過程，保證焊接的穩(wěn)定性。從圖7結(jié)果可以看出，恒定頂鍛力5.0 kN下的焊接接頭性能最好，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到260 MPa；而1 500 r·min-1轉(zhuǎn)速下的焊接接頭性能最差。

圖7 試樣的拉伸力Fig.7 Tensile strength of the samples

1 500 r·min-1轉(zhuǎn)速下的3個(gè)拉伸試樣中，其中1個(gè)樣品（b-3）在線切割時(shí)斷在連接界面處，說明在焊接快結(jié)束位置處未實(shí)現(xiàn)成功焊接，而另外2個(gè)拉伸試樣斷裂面形貌如圖8所示。圖8中白色部分為焊接連接區(qū)域，結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，該參數(shù)下，后期焊接頂鍛力越來越小，推斷實(shí)現(xiàn)成功焊接存在一個(gè)最小的頂鍛力。根據(jù)走速和拉伸試樣尺寸可以大致推斷出，對于本試樣實(shí)現(xiàn)焊接的最小頂鍛力在3.5 kN以上。

圖8 1 500 r·min-1，0.2 mm恒定下壓量的拉伸樣斷裂位置Fig.8 Fracture position of tensile tested specimen after welding under 1 500 r·min-1 and 0.2 mm pressure

2.2 顯微硬度試驗(yàn)

采用HV0.3維氏硬度計(jì)測試了試樣焊接接頭部分的硬度分布及母材的硬度。分別在鋁合金側(cè)距離焊接界面0.4 mm、高強(qiáng)鋼側(cè)距離焊接界面0.3 mm和鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面處，每隔300 μm測試試樣的顯微硬度，測量位置如圖9所示，顯微硬度測試結(jié)果如圖10所示。鋁合金板母材的顯微硬度（HV）為：89～78，高強(qiáng)鋼板母材的顯微硬度 (HV)為：180～195。

圖9 顯微硬度的測試位置Fig.9 Testing position of micro-hardness

從圖10中硬度分布結(jié)果可知，不同的焊接工藝參數(shù)對焊接界面硬度的影響極大。采用2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，0.2 mm恒定下壓量的焊接界面硬度出現(xiàn)了劇烈的波動，而采用 1 200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN恒定頂鍛力的焊接界面在靠近中心距離±5 mm處的硬度接近鋁合金板母材的硬度，遠(yuǎn)低于遠(yuǎn)離中心區(qū)的焊接界面的硬度。這主要是由于，不同的焊接工藝參數(shù)對材料的攪拌和擠壓不同，而產(chǎn)生了不同的焊接界面。不同的焊接工藝對焊接界面附近區(qū)域材料的硬度影響不大，鋁合金側(cè)靠近焊接區(qū)域的硬度與母材的硬度相當(dāng)，高強(qiáng)鋼側(cè)靠近焊接區(qū)域的硬度比母材硬度高。

圖10 顯微硬度結(jié)果Fig.10 Results of microhardness

3 焊接界面微觀結(jié)構(gòu)分析

沿垂直于焊接方向截取焊縫試樣制備金相試樣，用于觀察焊縫橫截面顯微組織，腐蝕液為HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶95（體 積 分 數(shù) 比 ）。 圖 11為光學(xué)顯微鏡觀察到的焊接界面微觀組織，可以觀測到鋁合金/高強(qiáng)鋼基體之間有一薄層界面過渡層，臨近交界面處存在明顯的晶粒變形。采用SEM和EDS對鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面進(jìn)行進(jìn)一步的分析。圖12 分別為試樣 a（2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，0.2 mm 恒定下壓量）與試樣 b（1 200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN 恒定頂鍛力）的焊接界面SEM圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)試樣a的焊接界面曲折且其中存在鋼制碎片（如箭頭所指）。這是由于采用2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，0.2 mm恒定下壓量焊接工藝的試樣a的頂鍛力大且對材料的攪拌劇烈，攪拌針的激烈攪拌擠力使得一些鋼制碎片從高強(qiáng)鋼板上脫落下來混入焊接界面。這些鋼制硬質(zhì)碎片使得焊接界面硬度劇烈波動。采用1 200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN恒定頂鍛力焊接工藝的試樣b的焊接界面比較平直，存在一層厚2 μm的過渡層，其與鋁合金基體緊密連接。

圖11 鋁合金/高強(qiáng)鋼FSW焊接接頭微觀組織(1200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN恒定頂鍛力)Fig. 11 Microstructure of Al alloy/high strength steel FSW joint (rotating speed of 1200 r/min and upsetting force of 5 kN)

圖13為在鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面處EDS線掃描分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在焊縫附近鋁/鐵原子發(fā)生了相互擴(kuò)散，擴(kuò)散層的厚度約為5 μm。

Chen等[14]研究了在攪拌針未進(jìn)入鋼板的情況下鋁合金/鋼搭接焊，認(rèn)為焊接界面存在一薄層金屬間化合物，其主要相為Fe2Al5和Fe4Al13。而Tanaka等[15]研究了攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，攪拌針不進(jìn)入鋼材，僅靠熱傳導(dǎo)將熱量傳到鋼/鋁合金界面上，焊后界面處幾乎不形成金屬間化合物。圖10（b）硬度分析的結(jié)果顯示，鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面層的硬度與母材鋁合金板的硬度接近，同時(shí)EDS分析結(jié)果顯示為富鋁界面層，可以推斷，過渡層主要由鐵原子在鋁合金基體中擴(kuò)散形成的固溶體組成。對比圖 13（a）和圖 13（b）可以發(fā)現(xiàn)，采用 2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，0.2 mm恒定下壓量獲得的焊縫中，鐵原子擴(kuò)散區(qū)域明顯大于采用1 200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN恒定頂鍛力的焊縫，這是由于2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速，0.2 mm恒定下壓量對材料的攪拌能量更大所致。

圖12 不同焊接參數(shù)焊接界面的SEM圖Fig.12 SEM images of FSW joint under different welding parameters

圖13 鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面處EDS分析Fig.13 EDS analysis of aluminium alloy/high strength steel welding interface

4 結(jié) 論

（1）對于鋁合金上高強(qiáng)鋼下的超薄鋁合金板與高強(qiáng)鋼攪拌摩擦搭接焊，在攪拌針未進(jìn)入鋼板的情況下頂鍛力是攪拌摩擦焊過程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其對焊接接頭的質(zhì)量有很大影響，存在一個(gè)實(shí)現(xiàn)鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接的最小頂鍛力。

（2）1 200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN 恒定頂鍛力的焊接工藝得到了最佳性能的焊接接頭，拉伸試驗(yàn)斷裂在鋁合金母材區(qū)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到260 MPa。

（3）鋁合金/高強(qiáng)鋼焊接界面上存在一層 2～3 μm的過渡層，不同的焊接工藝對焊接界面結(jié)構(gòu)的影響很大。高攪拌速度和大頂鍛力（轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1，頂鍛力6.0～7.0 kN）的焊接界面曲折，同時(shí)存在從鋼板脫落下來的鋼制碎屑混入焊接界面。而采用1 200 r·min-1轉(zhuǎn)速，5.0 kN恒定頂鍛力焊接工藝的焊接界面比較平直，存在一層厚2 μm的均勻富鋁固溶體過渡層，其與鋁合金基體緊密連接。