孫靖　陳艷　王旭琴　丘廉芳

摘要：攪拌摩擦鉚焊技術(shù)在連接鋁合金與鋼領(lǐng)域的研究取得了較大的進展。綜述攪拌摩擦鉚焊的原理和分類，對鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊的接頭形式、接頭區(qū)域的微觀組織演變、界面金屬間化合物種類與影響因素以及接頭失效形式進行分析總結(jié)。大量研究表明，攪拌摩擦鉚焊接頭區(qū)域按照微觀組織演變可劃分為錨固區(qū)、熱機影響區(qū)以及熱影響區(qū)。在鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊界面結(jié)合處易形成FexAly（x<y）型金屬間化合物，對接頭性能產(chǎn)生危害，而通過表面鍍Zn、Zn-Al-Mg或添加Zn元素等可減少有害金屬間化合物，提高接頭性能。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦鉚焊技術(shù);鋁合金與鋼異種材料;微觀組織演變;金屬間化合物;失效形式

中圖分類號：TG453+.9 文獻標志碼：C 文章編號：1001-2303（2020）01-0057-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.09

0 前言

近年來，隨著輕量化以及節(jié)能在工業(yè)領(lǐng)域的需求日益提高，鋁鎂合金的應用需求日益增加，而鋁鎂合金單獨使用強度和剛度較低，需要將其與高強度材料如鋼等復合使用。因此，異種材料的連接，尤其是鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金與鋼的連接顯得尤為重要[1-2]，著重需要解決異種材料高強度和高精度結(jié)合問題。異種材料傳統(tǒng)連接方法包括鉚接、焊接和膠結(jié)，傳統(tǒng)連接方式存在諸多缺點，如普適性不強、連接強度及穩(wěn)定性欠佳、精度難以控制等問題。因此，亟需開展異種材料穩(wěn)定可靠的新連接方式研究。

攪拌摩擦鉚焊技術(shù)是一種新興的異種材料穩(wěn)定連接技術(shù)，采用鉚釘?shù)男D(zhuǎn)摩擦生熱，同時保留鉚焊技術(shù)的變形鎖合以及固相焊接特征[3]。關(guān)于攪拌摩擦鉚焊國內(nèi)外各高校已有相關(guān)研究，但著重集中在攪拌摩擦鉚焊接頭的組織、力學性能表征以及失效形式分析。Haris[4]等人研究了微攪拌摩擦鉚焊技術(shù)連接多層Al/Cu超薄板，試驗結(jié)果表明層間結(jié)合良好，且存在納米級擴散層。William[5]研究了雙面攪拌摩擦自鉚焊技術(shù)，試驗中在預制孔里形成了連續(xù)的類似鉚釘?shù)倪B接接頭，接頭處不僅形成材料層面的冶金結(jié)合外，而且在鉚焊接頭下部形成了有效的機械鎖合。國內(nèi)蘭州理工大學王希靖[6]等采用攪拌摩擦鉚焊新方法連接6061鋁合金和DP600鍍鋅鋼，接頭成形平整，接頭處形成冶金結(jié)合。Huang[7]等人研究了鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊過程中材料的流動行為以及力學性能。本文主要介紹鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊接頭結(jié)合機理、接頭處微觀組織演變以及接頭失效形式及其影響機理。

1 攪拌摩擦鉚焊接頭結(jié)合機理

攪拌摩擦鉚焊的接頭形式根據(jù)鉚接形式以及鉚釘結(jié)構(gòu)的不同主要分為兩種：自鉚接攪拌摩擦鉚焊和自沖旋鉚。自鉚接鉚焊中無預制鉚釘，用于異種材料板子的連接，在下層板子上預制適當形狀的孔，隨著攪拌頭移動，上層材料在摩擦熱作用下軟化并受到擠壓向下流動，進入下層板子的預制孔形成類似鉚釘結(jié)構(gòu)。自沖旋鉚過程主要包括：鉚點尋位—攪拌自攻孔—攪拌變形鎖合—急停固焊。自沖旋鉚根據(jù)鉚釘結(jié)構(gòu)以及鉚焊過程的不同可以細分為4種：攪拌摩擦盲鉚技術(shù)（FSBR）[8-10]、攪拌自旋鉚接（FSPR）[11-12]、旋轉(zhuǎn)摩擦鉆孔鉚接（RFDR）[13]以及旋轉(zhuǎn)摩擦壓力鉚（RFPR）[14]。典型的攪拌摩擦自鉚焊接頭與自沖旋鉚攪拌磨擦鉚焊接頭如圖1所示。

如圖1a所示，攪拌摩擦自鉚焊技術(shù)連接鋁合金與鋼時，一般采用鋁板在上、鋼板在下的放置方式，鋁合金軟化溫度較低，塑性流動較好，可在攪拌摩擦熱影響下充分軟化。一般在鋼板上預制一定形狀的孔，以便鉚焊之后形成牢固的類似鉚釘?shù)慕宇^。隨著攪拌摩擦頭移動，產(chǎn)生大量摩擦熱，使上層鋁合金材料軟化具有一定的流動性，在攪拌頭的擠壓作用下填充下層板子上的預制孔，形成鉚焊接頭。根據(jù)Huang[7]等人的研究成果，在攪拌摩擦自鉚焊焊接鋁合金與鋼過程中，材料填充順序遵循以下規(guī)律：首先是鉚釘尖端變形的鋁合金，其次是鉚釘桿部受到攪拌的鋁合金，最后是由于鉚釘進給被壓入的鋁合金。形成的典型接頭形貌如圖1a所示，接頭區(qū)域可被分為4個區(qū)塊，分別為：鉚焊塊區(qū)（Welding Nugget Zone，WNZ）、熱機影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）、熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）以及自鉚接區(qū)域（Self-riveting Zone，SRZ）。

王希靖[18]等人研究了植入式攪拌摩擦鉚焊兩種接頭形式對性能的影響，試驗結(jié)果表明：背面有釘帽的接頭形式在拉伸過程中鋁柱沿著界面被剪成兩部分，而背后無釘帽的接頭形式在拉伸過程中鋁柱直接從孔中拔出。因此，為了實現(xiàn)鉚釘?shù)臋C械鎖合，即形成釘帽結(jié)構(gòu)，需要在預制孔下方放置適當?shù)钠ヅ淠?，這對鉚焊的放置方式和空間提出了更加嚴苛的要求。而自沖旋鉚技術(shù)可有效解決空間利用的問題，在Ma等人的研究中[17]，自沖旋鉚連接鋁合金與鋼的典型接頭結(jié)構(gòu)如圖1b所示。將預制鉚釘從單邊旋入預制的異種多層板材中，板材放置一般上為軟性材料，下方為硬質(zhì)材料，鉚釘一般為空心結(jié)構(gòu)。在攪拌摩擦鉚焊過程中，由于鉚釘相對于板材旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的摩擦熱，使上方軟性材料發(fā)生軟化，產(chǎn)生塑性流動，在鉚釘旋入過程中，軟化材料進入空心鉚釘內(nèi)部，在鉚釘與板材界面處形成冶金結(jié)合。此外，通過控制旋轉(zhuǎn)速度與急停，鉚釘下部變形張開形成根切效應，達到機械鎖合效果。如圖1b所示，根切量d是指鉚釘與板材結(jié)合界面到鉚釘尖部的輻射距離;鉚釘深度h為鉚釘深入下層板子的深度;δ為靠近鉚釘桿部板子間距離。通常，根切和鉚入深度越大，表明機械鎖合作用越強，較大的δ值預示著鉚入深度減小且機械鎖合效果削弱。

2 接頭區(qū)域微觀組織表征

對攪拌摩擦鉚焊接頭區(qū)域微觀組織的研究可促進對組織-性能間關(guān)系的深入理解，從而進一步控制攪拌摩擦鉚焊接頭的綜合性能。攪拌摩擦自鉚焊接頭微觀組織如圖2所示，根據(jù)組織演變規(guī)律，與Huang[7]等人研究結(jié)果類似，Saju[19]自鉚焊接頭區(qū)域可劃分為攪拌區(qū)域（Stir Zone，SZ）或者焊接區(qū)塊（WNZ）[7]、熱機影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）、塑性變形金屬流動區(qū)（Plastically Defor-med Metal Flow Zone，PDZ）或自鉚接區(qū)域（SRZ）。與基體組織比較，SZ區(qū)域組織明顯細化，晶粒最細小，微觀組織為細小等軸晶。PDZ區(qū)域組織則明顯粗化，但與基體比較細小，晶粒為較粗大的等軸晶。TMAZ區(qū)域晶粒細化，且晶粒由于機械攪拌的影響發(fā)生明顯變形。

Rodrigues[20]等人分析了自沖旋鉚攪拌摩擦鉚焊接頭典型微觀組織，如圖3所示，接頭區(qū)域被分為5個典型區(qū)塊：熱影響區(qū)（Polymer Heat Affected Zone，PHAZ），熱機影響區(qū)（Polymer Thermal-mecha-

nical Affected Zone，PTMAZ），金屬熱影響區(qū)（Metal Heat Affected Zone，MHAZ），金屬熱機影響區(qū)（Metal Thermal-mechanical Affected Zone，MTMAZ）以及錨固區(qū)（Anchoring Zone，AZ）。MHAZ僅受摩擦熱的影響，因此在這個區(qū)域主要發(fā)生回復和時效硬化，組織演變?nèi)Q于合金的類型以及最高溫度。PTMAZ區(qū)域既受到熱影響，同時又受塑性變形的影響。PHAZ主要受到低于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度的溫度影響，PTMAZ受到高于其軟化溫度的溫度影響，同時受到剪切變形。

Min[21]等對自沖旋鉚鉚焊AA611鋁合金與鍍鋅鋼鉚釘?shù)奈⒂^組織演變規(guī)律進行了觀察表征。攪拌摩擦鉚焊預制孔邊緣橫截面的EBSD微觀組織如圖4所示。

接頭區(qū)域按照微觀組織的演變可被分為3個典型區(qū)域——區(qū)域X，區(qū)域A和區(qū)域B，3個區(qū)域都已鉚釘為中心成圓弧形分布。區(qū)域X距離鉚釘邊緣的距離大于773 μm，微觀組織及晶粒尺寸與基體基本相同。在區(qū)域A中，小角度晶界明顯增多，大角度晶界由94%將至28%，這表明在攪拌摩擦鉚焊過程中區(qū)域A經(jīng)歷了變形。但是，在區(qū)域A中晶粒尺寸與基體及區(qū)域X接近，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒細化現(xiàn)象，區(qū)域A一般分布在距離鉚釘邊緣363～773 μm范圍內(nèi)。區(qū)域B內(nèi)大角度晶界比例與區(qū)域A內(nèi)類似，約27%，但是區(qū)域B內(nèi)小角度晶界比例與區(qū)域A相比明顯提升。通過進一步觀察，發(fā)現(xiàn)區(qū)域B內(nèi)晶粒發(fā)生明顯的細化，說明在攪拌摩擦鉚焊過程中材料經(jīng)歷明顯的軟化變形再結(jié)晶過程，區(qū)域B的分布一般在距離鉚釘邊緣88～363 μm范圍內(nèi)。

因為攪拌摩擦鉚焊過程中產(chǎn)生大量的摩擦熱使界面結(jié)合處發(fā)生一定的化學反應，生成金屬間化合物，而促進有利金屬間化合物，抑制有害金屬間化合物有利于提升接頭性能。Huang[15]等人研究結(jié)果表明，鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊界面平整，結(jié)合緊密，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋孔洞等缺陷，如圖5a所示。TEM檢測結(jié)果表明，生成的金屬間化合物為Fe4Al13。Sun[22]等人在6061鋁合金與低碳鋼攪拌摩擦鉚焊結(jié)合界面處檢測到片狀Fe2Al5以及彌散分布的塊狀FeAl6金屬簡化合物。大量研究結(jié)果表明，相較于生成富Fe的金屬間化合物，如FeAl、Fe3Al，形成富Al的金屬間化合物，如Fe2Al5和FeAl3對界面結(jié)合以及接頭強度產(chǎn)生負面影響[23]。在鋁和鋼攪拌摩擦鉚焊過程中加入Zn元素[24]或采用鍍鋅鋼[25]將會促進Al-Zn金屬間化合物生成，從而抑制Al-Fe金屬間化合物[26]。王希靖[18]等人在研究鋁合金與鍍鋅鋼攪拌摩擦鉚焊過程中發(fā)現(xiàn)，鋼表面鍍鋅層在攪拌摩擦鉚焊過程中發(fā)生部分溶解，形成液相Zn膜，鋪展在界面上，并逐漸固溶于附近鋁基體中，形成過飽和固溶體。在接頭微觀形貌觀察中明顯發(fā)現(xiàn)Zn固溶于鋁基體形成的白色條帶，如圖6所示。

3 接頭失效形式

攪拌摩擦鉚焊接頭的失效包括鉚焊過程中的失效，即鉚焊接頭不合格以及后續(xù)拉伸過程中的失效。自鉚焊過程中的失效方式主要為鉚釘成形失效或有缺陷，在后續(xù)拉伸過程中鉚釘直接抽出[11]。自旋鉚焊過程中的失效形式主要包含3種，分別為根切不夠、鉚釘深度過小以及鉚釘破裂，如圖7所示。根切不足是由于材料軟化過度;鉚釘深度過小是由于摩擦產(chǎn)生熱量足夠使鉚釘穿過上層板子，但不足以穿過下層板子;鉚釘破裂是由于攪拌摩擦熱產(chǎn)生過小，上層板子軟化不足，致使鉚釘受力過大產(chǎn)生破裂。

攪拌摩擦鉚焊接頭拉伸過程中鉚釘失效方式主要包括以下5種，如圖8所示[27]。Ⅰ：金屬鉚釘在接頭外側(cè)韌性斷裂;Ⅱ：帶有后塞的鉚釘拔出，因為鉚釘尖端錨接區(qū)域萌生裂紋，“后塞”是指鉚釘拔出后的遺留部分;Ⅲ：完整的鉚釘拔出，遺留以底部變形區(qū)域為半徑的孔洞;Ⅳ：鉚釘拔出，伴隨鉚釘尖端大的變形區(qū)域但是深入深度較小;Ⅴ：鉚釘拔出伴隨有二次開裂，裂紋在錨接區(qū)域萌生。

4 結(jié)論

鋁合金與鋼異種材料連接中，傳統(tǒng)焊接技術(shù)存在熱量輸入控制不精準、穩(wěn)定性欠佳等問題，攪拌摩擦鉚焊技術(shù)由于效率高、工序簡單、連接可靠等特點在汽車及航空航天領(lǐng)域得到廣泛應用。

（1）鋁合金與鋼攪拌摩擦鉚焊接頭根據(jù)微觀組織演變，接頭區(qū)域從貼近鉚釘區(qū)域向外依次可劃分為錨固區(qū)（Anchoring Zone，AZ）、熱機影響區(qū)（Thermal-Mechanical Affected Zone，TMAZ）以及熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）。

（2）在鉚焊過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面區(qū)域易生成AlxFey金屬間化合物，當x>y時削弱接頭綜合性能，而當在鉚焊過程中添加Zn元素或使用鍍鋅鋼或Zn-Al-Mg鍍層時，有害金屬間化合物得到明顯抑制。

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