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旋转速度对铝/钢填丝搅拌摩擦焊接头性能的影响

钟万亮1徐萌2罗展3李默阳1杨栋华1许惠斌1

（1.重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆；2.航天工程装备(苏州)有限公司,江苏苏州；3.重庆铁马工业集团有限公司,重庆）

DOI：10./j.issn.-..05.05

摘要铝与钢复合结构是实现载具轻量化的有效途径之一，为了指导铝与钢搅拌摩擦焊接技术的工业应用，必须开展铝与钢异种材料的搅拌摩擦焊接工艺试验。采用填丝搅拌摩擦焊对2.8mm厚的Q冷轧钢和2.9mm厚的5A06铝合金异种金属进行对接焊，分析接头的宏观形貌、微观结构、组织成分、微观硬度和断口形貌。结果表明：C形界面的内凹深度、界面IMC层厚度随旋转速度的增加而增加；大量Al3Ni颗粒呈弥散分布于焊缝中；在旋转速度为r/min时，界面IMC层为厚度1.3μm的FeAl相，接头主要断裂于焊核区，断裂模式为韧性断裂，平均抗拉强度为.3MPa，正弯角度为19.3°、背弯角度为13.4°；接头显微硬度呈不对称分布，表现出阶跃特征。关键词异材金属；填丝搅拌摩擦焊；旋转速度；力学性能；金属间化合物0前言节能减排、绿色发展已成为各国的发展理念，在运输载具方面，车身结构的轻量化将得到大力发展和应用。钢材具有经济性好、高强度和高韧性的优点，铝合金具有比强度、比刚度高的优势，且质量只有钢材的1/3。因此，部分结构采用铝合金替代钢可以有效实现载具轻量化［1-3］。铝合金和钢在物理性能和化学性能上差异巨大，实现二者的有效连接成为一个新的技术难题。采用传统的熔焊方法焊接铝与钢时，接头容易出现过厚的金属间化合物层（IMC），恶化接头性能［4］。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术，具有高效率、低热输入、变形小等优点。这项技术是依靠刚性的搅拌头在高速旋转下沿焊接方向移动，通过搅拌头与母材的摩擦产热使母材达到塑性状态，由于搅拌针的强烈搅拌作用，塑性状态的金属发生动态再结晶，从而实现接头的连接［5］。目前，国内外学者对铝与钢的搅拌摩擦焊接开展了大量实验。M.DEHGHANI［6］得到铝合金与低碳钢的搅拌摩擦焊对接接头，分析了热输入对接头强度和界面IMC层的影响。Tanaka［7］等人在固定其他焊接参数的条件下，研究了不同转速下接头的强度趋势，发现在高转速配合低焊速条件下，铝与钢的接头能获得最高的强度。王希靖［8］等人发现不同搅拌摩擦焊接头位置的连接方式分为机械连接、冶金结合与铝向钢的扩散渗透。然而，上述传统的搅拌摩擦焊接技术在焊接韧性差且硬而脆的异种金属材料时易出现孔洞、界面裂纹等缺陷，为解决这一难题，许惠斌［9］等人发明了一种适用于难焊材料的新型Al基焊丝，起到填充孔洞和改善IMC层成分的作用。高鹏宇［10］发现填充Al-5Si（wt.%）焊丝解决了接头中的界面裂纹缺陷，同时减薄了界面的IMC层厚度。李默阳［11］阐述了填充Al-Si-Cu-Ni焊丝的必要性，发现不添加焊丝时，采用搅拌摩擦焊焊接韧性较差且硬度较高的冷轧态Q钢和5A06铝合金，接头出现明显的裂纹和孔洞缺陷，界面无明显冶金结合，抗拉强度仅为23.5MPa；添加焊丝后，有效填充了焊缝并改善了IMC层成分，接头力学性能得到明显提高。因此，进一步优化适用于铝与钢填丝搅拌摩擦焊接技术的工艺参数，对接头力学性能的提高具有重要意义。文中以搅拌头的旋转速度为变量，对厚度为2.9mm的5A06铝合金和2.8mm的Q冷轧钢进行填丝搅拌摩擦焊接试验，比较不同旋转速度条件下接头的微观组织和力学性能，得到适用于5A06铝合金与Q冷轧钢的搅拌摩擦焊接最佳工艺参数，为铝与钢焊接的工业生产提供理论指导。1试验材料及方法试验材料选用Q冷轧钢和5A06铝合金，尺寸分别为mm×50mm×2.8mm和mm×50mm×2.9mm，主要化学成分如表1、表2所示。焊丝是由实验室自行设计、冶炼及加工的新型Al基焊丝，主要化学成分如表3所示。搅拌头轴肩直径为15mm，搅拌针为锥度凸台状，端部直径为4mm，底部直径为5mm，针长为2.6mm。填丝搅拌摩擦焊接示意图如图1所示，其中Q钢置于前进侧，5A06铝合金置于后退侧。

表15A06铝合金的化学成分（质量分数，%）Table1Chemical

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