董紅剛 李艷光 李鵬 夏月慶 楊國舜

摘要：鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊具有焊接質(zhì)量好、焊接效率高的突出優(yōu)勢，特別適合軸類、管類結(jié)構的焊接制造。但是，由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊獨特的旋轉(zhuǎn)運動形式導致接頭中微觀組織與接頭性能沿徑向分布的不均勻性，成為制約其在關鍵領域應用的瓶頸之一。文中綜述了鋁/鋼異質(zhì)金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要分析了旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝、微觀組織與力學性能等，并探討了鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術未來研究的方向。

關鍵詞：旋轉(zhuǎn)摩擦焊;鋁/鋼異質(zhì)金屬;微觀組織;力學性能;不均勻性

中圖分類號：TG 453.9

Abstract： Rotary friction welding of aluminum/steel has outstanding advantages of high welding quality and welding efficient， which is especially suitable for joining rotary structures. However， the unique rotary motion of rotary friction welding would result in an inhomogeneous distribution of microstructure and joint properties along the radius direction， which has become one of bottlenecks restricting the application in key field. The research status of rotary friction welding of aluminum/steel dissimilar materials was reviewed in this paper， including welding technology， microstructure and mechanical properties. The future research direction on rotary friction welding of aluminum/steel was further discussed.

Key words： rotary friction welding; aluminum/steel dissimilar materials; microstructure; mechanical property; inhomogeneity

0 前言

鋁合金具有比重小、比強度高、耐蝕性好等特點。同時，因其可循環(huán)使用、加工性能良好而引起廣泛關注。不銹鋼是具有強度高、成本低的高品質(zhì)特殊鋼，可廣泛應用于航空航天、能源、交通、建筑等眾多領域。而鋁/鋼復合結(jié)構結(jié)合了兩種金屬的優(yōu)勢，具有質(zhì)量輕、強度高的特點，已逐步取代單一的鋼結(jié)構，從而實現(xiàn)結(jié)構輕量化。目前，鋁/鋼復合結(jié)構被廣泛應用于交通運輸、航空航天等制造領域，如離合器、柴油發(fā)動機活塞、渦輪推進器等。

旋轉(zhuǎn)摩擦焊適用于焊接一些軸類、管類等回轉(zhuǎn)體零部件，具有焊接質(zhì)量好、焊接效率高的突出優(yōu)勢。而傳統(tǒng)的熔化焊方法容易產(chǎn)生冶金不相容性，在焊縫處形成大量的金屬間化合物，難以實現(xiàn)高品質(zhì)、高可靠性的連接。然而，由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊獨特的回轉(zhuǎn)運動導致徑向產(chǎn)熱的不均勻性，進而引起接頭中微觀組織與力學性能沿徑向分布的不均勻性，成為制約其在關鍵領域應用的瓶頸之一。目前，鋁/鋼異質(zhì)金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊的研究引起了廣泛關注，已成為焊接領域研究的熱點。文中綜述了鋁/鋼異質(zhì)金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝、微觀組織與力學性能等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并討論了鋁/鋼異質(zhì)金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術未來研究的方向。

1 鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝

旋轉(zhuǎn)摩擦焊（Rotary friction welding， RFW）主要用于焊接回轉(zhuǎn)體與類回轉(zhuǎn)體結(jié)構的工件，如圖1所示。鋼通過旋轉(zhuǎn)卡盤固定在旋轉(zhuǎn)端，鋁及其合金通過固定卡盤固定在移動端。在旋轉(zhuǎn)摩擦焊焊接過程中，鋁、鋼工件通過相對旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生摩擦熱，界面溫度迅速升高。Al，F(xiàn)e等合金元素在熱、力耦合的作用下相互擴散，并在界面處發(fā)生冶金反應，形成Fe-Al金屬間化合物（Intermetallic compound， IMC），從而實現(xiàn)鋁/鋼高質(zhì)量連接。但是，鋁合金過量的塑性變形易引起工件較大的軸向縮短量，從而造成材料浪費。因此，通常在鋁合金側(cè)添加鋼環(huán)，有效地抑制了鋁合金過量的塑性變形，減少材料浪費。

基于課題組對鋁/鋼RFW的研究，其接頭的形貌如圖2a所示。在焊接過程中，接觸界面溫度較高，鋁合金受熱軟化形成塑性變形層，并在頂鍛壓力的作用下被擠出形成飛邊。而不銹鋼的高溫屈服強度比鋁合金的高溫屈服強度高，故不銹鋼側(cè)基本無變化。接頭金相組織如圖2b所示，在鋁合金側(cè)包含4個區(qū)域：動態(tài)再結(jié)晶區(qū)（DRZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）、母材（BM）。而在不銹鋼側(cè)包含兩個區(qū)域：熱影響區(qū)（HAZ）、母材（BM）。在旋轉(zhuǎn)摩擦焊過程中，鋁/鋼界面受到熱、力耦合作用，界面溫度迅速升高，近界面處的鋁合金發(fā)生回復與動態(tài)再結(jié)晶，形成動態(tài)再結(jié)晶區(qū)。在動態(tài)再結(jié)晶區(qū)與熱影響區(qū)之間存在一個過渡區(qū)域即熱機影響區(qū)，其部分晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，部分晶粒被拉長與彎曲。鋁側(cè)熱影響區(qū)、鋼側(cè)熱影響區(qū)由于僅受熱循環(huán)作用，其金相組織并沒有明顯的變化，與母材組織基本一致。

由于鋁/鋼異質(zhì)金屬在RFW過程中受到熱、力耦合的作用，界面處產(chǎn)生的冶金反應比較復雜，因此對接頭中反應層的研究顯得尤為重要。 S. Fukumoto 等人[1]選用最優(yōu)工藝參數(shù)焊接5052鋁合金與304不銹鋼，采用透射電子顯微鏡（TEM）在鋁/鋼接頭的反應層中觀察到非晶相與Fe2Al5相，如圖3a所示。根據(jù)試驗結(jié)果，認為RFW過程中，由于鋁合金與不銹鋼的機械混合作用，在反應層中產(chǎn)生非晶相。隨后，在較高的摩擦熱作用下，非晶相作為中間相向Fe2Al5相轉(zhuǎn)變。E. Taban等人[2]也采用TEM在6061鋁合金/1018鋼慣性摩擦焊接頭中檢測出250 nm厚的IMCs，其包括FeAl相與Fe2Al5相，如圖3b所示。因此，可以認為鋁/鋼RFW是通過界面處產(chǎn)生少量的IMCs或非晶相實現(xiàn)高質(zhì)量的連接。

鋁/鋼RFW界面處IMCs的產(chǎn)生主要受旋轉(zhuǎn)速度、摩擦壓力、摩擦時間、頂鍛壓力等工藝參數(shù)的控制。因此，研究工藝參數(shù)對接頭微觀組織與力學性能的影響，從而獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，對鋁/鋼異質(zhì)金屬復合構件的工程化應用具有指導性意義。在RFW過程中，旋轉(zhuǎn)速度與摩擦壓力直接影響摩擦扭矩、加熱功率與變形速率等，但旋轉(zhuǎn)速度與摩擦壓力的選擇范圍較寬，鋁/鋼異質(zhì)金屬RFW通常選擇低旋轉(zhuǎn)速度、大摩擦壓力以保證界面緊密接觸，防止界面金屬氧化。摩擦時間決定焊接質(zhì)量，M. Ylmaz 等人[3]指出鋁/鋼RFW接頭中IMCs隨摩擦時間增加而增厚，摩擦時間過短，中心處出現(xiàn)未焊合缺陷。而摩擦時間過長，界面處產(chǎn)生過厚的IMCs，接頭的性能較差。較大的頂鍛壓力有利于擠出塑性變形層中的氧化物與其它有害雜質(zhì)，并使界面附近的組織得到鍛壓，獲得細化晶粒的效果，從而提高接頭的性能。M. Kimura等人[4-6]采用RFW分別焊接純鋁/低碳鋼、純鋁/304不銹鋼、6063鋁合金/304不銹鋼，發(fā)現(xiàn)鋁/鋼接頭的強度隨頂鍛壓力的增加而逐漸增大。當界面處沒有產(chǎn)生明顯的IMCs層時，如圖4所示[6]，接頭的性能較好，3種不同組配的RFW接頭分別在純鋁、純鋁、6063鋁合金母材處斷裂。因此，鋁/鋼異質(zhì)金屬RFW通常采用大摩擦壓力、短摩擦時間、大頂鍛壓力、長頂鍛時間以獲得界面處無明顯IMCs分布的高質(zhì)量接頭。

目前，1系、5系、6系鋁合金與鋼已實現(xiàn)高強度的連接，接頭的抗拉強度達到鋁母材的強度，研究結(jié)果如表1所示。而2系鋁合金、7系鋁合金與鋼RFW接頭的強度僅為鋁合金母材強度的20%～40%，其接頭性能差的主要原因是反應層中產(chǎn)生Al-Cu與Al-Cu-Fe金屬間化合物[14]。M. G. Reddy等人[15]采用RFW焊接6061鋁合金與304不銹鋼，焊前在不銹鋼表面分別鍍Cu，Ni，Ag合金元素，抑制Al-Fe金屬間化合物的產(chǎn)生。焊后，與未鍍?nèi)魏魏辖鹪氐慕宇^相比，接頭力學性能得到較大的改善。因此，未來可以采用鋼表面鍍合金元素或引進夾層的方式抑制Al-Cu與Al-Cu-Fe金屬間化合物的產(chǎn)生，從而提高2系、7系鋁合金與鋼的焊接性能。

2 鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭的不均勻性

由于RFW自身繞軸旋轉(zhuǎn)運動的特點，焊接過程中工件沿徑向的線速度不同，導致界面處沿徑向產(chǎn)熱存在明顯的差異。 H. Seli 等人[16]認為整個焊接界面的平均產(chǎn)熱為

式中：q為界面處產(chǎn)生的摩擦熱，J;ω為角速度，rad/s;μ為摩擦系數(shù);P為摩擦壓力，MPa;R為半徑，mm。根據(jù)公式（1）可知，界面處產(chǎn)生的摩擦熱從中心至邊緣處逐漸增多，如圖5a所示。但是，事實上，在摩擦焊接過程中，局部區(qū)域鋁合金的塑性變形引起摩擦壓力在整個界面處不均勻性分布，呈中心高而邊緣低的雙曲線分布。因此，界面處產(chǎn)生的摩擦熱由中心至邊緣處呈現(xiàn)出先增加而后降低的趨勢，產(chǎn)熱最多的位置位于R/2～2R/3之間[17-18]，如圖5b所示。M. Kimura等人[4]在研究純鋁/低碳鋼RFW時，發(fā)現(xiàn)摩擦時間、界面溫度與摩擦扭矩三者之間的關系如圖5c所示。在摩擦扭矩未達到初始峰值之前，界面溫度在中心、R/2與邊緣處幾乎相等。而在摩擦扭矩達到初始峰值以后，界面溫度在不同區(qū)域存在一定的差異，表明界面溫度沿徑向分布是不均勻的。因此，采用RFW焊接鋁/鋼異質(zhì)金屬時，由于界面產(chǎn)熱與塑性變形的不均勻性，直接導致接頭沿徑向微觀組織與性能的不均勻性。

S.Fukumoto等人[11]采用RFW焊接尺寸為16 mm的5052鋁合金與304不銹鋼，IMCs層隨著摩擦時間的增加而增厚，并沿徑向分布呈先增加后減少的趨勢，且在距中心5～6 mm（約2R/3）處達到最大值，如圖6a所示，這進一步證實了界面產(chǎn)熱最多的位置位于R/2～2R/3之間。同時，其不同尺寸拉伸試樣的接頭的極限抗拉強度也存在較大的差異，如圖6b所示[11]，表明接頭的極限抗拉強度取決于拉伸試樣的形狀與尺寸。目前，國內(nèi)外學者對鋁/鋼RFW接頭的微觀組織結(jié)構與力學性能進行了研究，但對其沿徑向分布的不均勻性研究較少。因此，研究鋁/鋼RFW接頭微觀組織與性能沿徑向分布的不均勻性，以探究接頭的薄弱區(qū)域，對鋁/鋼異質(zhì)接頭的工程化應用具有重要意義。

3 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術作為固相焊方法，適用于焊接一些軸類、管類等回轉(zhuǎn)體結(jié)構零部件，在焊接鋁/鋼異質(zhì)金屬復合結(jié)構時具有焊接質(zhì)量好、焊接效率高的優(yōu)勢。鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術通過合金元素的相互擴散在反應層中形成非晶相或IMCs，從而實現(xiàn)冶金結(jié)合。界面處產(chǎn)生少量的IMCs有利于提高接頭的強度，但過厚的IMCs會嚴重降低接頭性能。因此，如何控制鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭中IMCs的生成量是實現(xiàn)高質(zhì)量連接的關鍵。目前，采用大摩擦壓力、短摩擦時間、大頂鍛壓力、長頂鍛時間的工藝組合已實現(xiàn)1系、5系、6系鋁合金與鋼的高強度連接。但是，2系、7系鋁合金與鋼的焊接性能仍較差，鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭沿徑向微觀組織與性能的不均勻性研究較少。

在未來鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊的研究工作中，可以采用在鋼表面鍍合金元素或引進夾層的方式抑制Al-Cu與Al-Cu-Fe金屬間化合物的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)2系、7系鋁合金與鋼的高強度連接。同時，關注鋁/鋼旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭沿徑向微觀組織與性能的不均勻性，以探究接頭的薄弱區(qū)域，對鋁/鋼異質(zhì)接頭的工程化應用具有重要意義。

參考文獻

[1] Fukumoto S， Tsubakino H， Okita K， et al. Amorphization by friction welding between 5052 aluminum alloy and 304 stainless steel [J]. Scripta Materialia， 2000， 42（8）： 807-812.

[2]?Taban E， Gould J E， Lippold J C. Characterization of 6061-T6 aluminum alloy to AISI 1018 steel interfaces during joining and thermo-mechanical conditioning [J]. Materials Science and Engineering： A， 2010， 527（7-8）： 1704-1708.

[3]?Ylmaz M， l M， Acet M. Interface properties of aluminum/steel friction-welded components [J]. Materials Characterization， 2003， 49： 421-429.

[4]?Kimura M， Ishii H， Kusaka M， et al. Joining phenomena and joint strength of friction welded joint between pure aluminium and low carbon steel [J]. Science and Technology of Welding and Joining， 2009， 14（5）： 388-395.

[5]?Kimura M， Suzuki K， Kusaka M， et al. Effect of friction welding condition on joining phenomena， tensile strength， and bend ductility of friction welded joint between pure aluminium and AISI 304 stainless steel [J]. Journal of Manufacturing Processes， 2017， 25： 116-125.

[6]?Kimura M， Suzuki K， Kusaka M， et al. Effect of friction welding condition on joining phenomena and mechanical properties of friction welded joint between 6063 aluminium alloy and AISI 304 stainless steel [J]. Journal of Manufacturing Processes， 2017， 26： 178-187.

[7]?Fukumoto S， Inuki T， Tsubakino H， et al. Evaluation of friction weld interface of aluminium to austenitic stainless steel joint [J]. Metal Science and Technology， 1997， 13（8）： 679-686.

[8]?Sahin M. Joining of stainless-steel and aluminum materials by friction welding [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2009， 41（5-6）： 487-497.

[9]?Lee W B， Yeon Y M， Kim D U， et al. Effect of friction welding parameters on mechanical and metallurgical properties of aluminium alloy 5052-A36 steel joint [J]. Materials Science and Technology， 2003， 19（6）： 773-778.

[10]?Kobayashi A， Machida M， Hukaya S， et al. Friction welding characteristics of Al-Mg aluminum alloy （A5056） and carbon steel （S45C） [J]. JSME International Journal Series A Solid Mechanics and Material Engineering， 2003， 46（3）： 452-459.

[11]?Fukumoto S， Tsubakino H， Okita K， et al. Friction welding process of 5052 aluminium alloy to 304 stainless steel [J]. Metal Science and Technology， 1999， 15（9）： 1080-1086.

[12]?Kimura M， Ishii H， Kusaka M， et al. Joining phenomena and joint strength of friction welded joint between aluminum-magnesium alloy （AA5052） and low carbon steel [J]. Science and Technology of Welding and Joining， 2009， 14（7）： 655-661.

[13]?Shinoda T， Kawata S. Friction welding of A6061 aluminum ?alloy and S45C carbon steel [J]. Materials Science Forum， 2004， 449-452： 437-440.

[14]?Kawai G， Ogawa K， Ochi H， et al. Friction weldability of aluminum alloys to carbon steel [J]. Welding International， 2000， 14（2）： 101-107.

[15]?Reddy M G， Rao S A， Mohandas T. Role of electroplated interlayer in continuous drive friction welding of AA6061 to AISI 304 dissimilar metals [J]. Science and Technology of Welding and Joining， 2008， 13（7）： 619-628.

[16]?Seli H， Ismail A I M， Rachman E， et al. Mechanical evaluation and thermal modelling of friction welding of mild steel and aluminum [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2010， 210（9）： 1209-1216.

[17]?Li P， Li J， Li X， et al. A study of the mechanisms involved in initial friction process of continuous drive friction welding [J]. Journal of Adhesion Science and Technology， 2015， 29（12）： 1246-1257.

[18]?Li W， Vairis A， Preuss M， et al. Linear and rotary friction welding review [J]. International Materials Reviews， 2016， 61（2）： 71-100.