倪加明 陳夢(mèng)凡 卜星

摘要：針對(duì)6061鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼異種金屬焊接，采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦焊接實(shí)現(xiàn)鋁鋼異種材料焊接，并采用SEM、EDS進(jìn)行組織分析和性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：在旋轉(zhuǎn)速率為600 r/min、頂鍛壓力為4.5 MPa，頂鍛時(shí)間為2 s等工藝參數(shù)條件下，鋁/鋼摩擦焊接頭結(jié)合緊密，界面呈現(xiàn)波紋狀;接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)252 MPa，且拉伸斷裂位置發(fā)生在鋁側(cè);鋁/鋼異種材料接頭的結(jié)合界面兩邊互有元素?cái)U(kuò)散，形成厚度小于2 μm的金屬間化合物層;其顯微硬度在界面處發(fā)生階躍變化，且形成金屬間化合物的界面處硬度最高達(dá)230 HV。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)摩擦焊;鋁/鋼異種金屬;力學(xué)性能;微觀組織

中圖分類(lèi)號(hào)：TG453+.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0055-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.10

0? ? 前言

鋁合金具有比強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)點(diǎn)，鋼具有良好的力學(xué)性能和焊接性能。鋁鋼異種材料形成的焊接接頭，可以充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)良性能。用于新一代運(yùn)載火箭推進(jìn)劑動(dòng)力系統(tǒng)，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與材料綜合強(qiáng)度性能需求[1]。

由于鋼與鋁的物理化學(xué)性能差異較大，采用傳統(tǒng)電弧熔焊方法，接頭易生成鋁鋼金屬間化合物，大量的金屬間化合物將導(dǎo)致接頭產(chǎn)生裂紋等內(nèi)部缺陷，接頭性能難以滿(mǎn)足要求[2-3]。旋轉(zhuǎn)摩擦焊接作為一種高效率的固相焊接方法，與傳統(tǒng)熔焊法相比，減少了材料因熔化而形成脆性金屬間化合物的可能性，在異種金屬連接領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。M. Ashfaq[4]等人采用外錐形結(jié)合面獲得的最優(yōu)接頭強(qiáng)度可達(dá)220 MPa。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)鋁/鋼摩擦焊開(kāi)展了相關(guān)研究，研究了不同摩擦焊方式的工藝參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能和組織成分的影響[5-9]。張鵬飛[10]等人通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)鋁鋼接頭結(jié)合方式屬于機(jī)械及冶金結(jié)合。

文中針對(duì)6061鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝研究，探討了兩種材料的焊接性，研究旋轉(zhuǎn)速率、頂鍛壓力、接頭結(jié)構(gòu)形式對(duì)焊接組織與性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

采用φ30 mm的6061鋁合金棒材和φ30 mm的不銹鋼棒材。6061鋁合金初始狀態(tài)為T(mén)6，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼初始狀態(tài)為固溶退火態(tài)，基體硬度180 HV，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

為了增強(qiáng)鋁/鋼摩擦焊接頭中心區(qū)域的耦合程度，設(shè)計(jì)了2種形式的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。將鋁合金和不銹鋼棒材的端面加工成如圖1所示的兩種不同接頭形式的鋁/鋼摩擦焊接頭?？赏ㄟ^(guò)對(duì)比接頭抗拉強(qiáng)度，優(yōu)化接頭形式。圖1a為采用鋼側(cè)凸臺(tái)對(duì)接形式，圖1b為由鋁側(cè)凸臺(tái)對(duì)接形式。

試驗(yàn)所用設(shè)備為C32-SF-J型旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)，最大頂鍛壓力320 kN，主軸轉(zhuǎn)速0～1 500 r/min，工作臺(tái)最大行程320 mm，設(shè)備采用PLC程序控制，可預(yù)先設(shè)置焊接時(shí)間等其他參數(shù)。一級(jí)摩擦壓力為3 MPa，二級(jí)摩擦壓力4 MPa，頂鍛方式采用頂鍛后再停機(jī)，頂鍛時(shí)間2 s，停機(jī)時(shí)間0.2 s。其他工藝參數(shù)如表4所示。

用線切割將鋁-鋼異種材料接頭沿軸向剖切后進(jìn)行金相腐蝕，分析其焊縫形貌并觀察微觀組織。6061鋁合金的金相腐蝕用低濃度混合酸，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的金相腐蝕用FeCl3+HCl溶液;用LEICA DMR材料顯微鏡觀察接頭焊縫的顯微組織形貌;用FEI Quanta 450掃描電子顯微鏡分析焊合區(qū)形貌與元素金相分析。常溫拉伸試驗(yàn)使用WAW-300B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌分析

相等直徑的鋁/鋼棒材旋轉(zhuǎn)摩擦焊接時(shí)，整體產(chǎn)生的飛邊量較大，主要是在頂鍛和停機(jī)過(guò)程中生成。

采用鋼側(cè)凸臺(tái)對(duì)接形式的接頭（見(jiàn)圖2a），在頂鍛過(guò)程中形成了均勻連續(xù)的包覆形飛邊，存在少量開(kāi)裂，顏色呈淺灰色。采用鋁側(cè)凸臺(tái)對(duì)接形式的接頭（見(jiàn)圖2b），在頂鍛過(guò)程中形成了包覆形飛邊，但部分飛邊開(kāi)裂且存在少量絮狀、絲狀鋁合金，顏色介于銀白色與淺灰色之間。鋁/鋼摩擦焊接頭形成的飛邊均由鋁合金產(chǎn)生，是由轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、進(jìn)給量、頂鍛壓力等多種因素造成的。根據(jù)飛邊的形貌可以反映出焊接過(guò)程中熱輸入的情況。過(guò)高的轉(zhuǎn)速或頂鍛壓力都會(huì)使鋁合金受熱過(guò)度，造成大量非均勻飛邊，導(dǎo)致大量變形和材料的消耗，不利于獲得高質(zhì)量的接頭;過(guò)低的轉(zhuǎn)速或頂鍛壓力則會(huì)使鋁合金受熱不足，形成少量飛邊或不完整飛邊，導(dǎo)致界面熔合不足，也不利于獲得高質(zhì)量的接頭。

2.2 接頭力學(xué)性能

采用轉(zhuǎn)速600 r/min，頂鍛力4.5 MPa，進(jìn)給量10 mm的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，鋼側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為252 MPa，延伸率為4.5%。采用轉(zhuǎn)速600 r/min，頂鍛力4.5MPa，進(jìn)給量10 mm，鋁側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為212 MPa，延伸率為2.0%，相對(duì)鋼側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)拉伸強(qiáng)度有所降低。試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋁鋼異種材料接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨轉(zhuǎn)速提高而顯著降低。分析認(rèn)為由于轉(zhuǎn)速提高，摩擦焊接熱輸入增加，鋁/鋼異種材料接頭結(jié)合界面金屬間化合物增多，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度下降。同時(shí)，采用鋼側(cè)凸臺(tái)接頭形式的抗拉強(qiáng)度大于鋁側(cè)凸臺(tái)的抗拉強(qiáng)度。分析認(rèn)為，鋼側(cè)凸臺(tái)接頭形式能夠有效改善旋轉(zhuǎn)摩擦焊接過(guò)程熱量產(chǎn)生和傳遞，有效平衡鋼側(cè)與鋁側(cè)對(duì)接棒材的溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)可靠的有效連接，因此采用鋼側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)得到的鋁鋼異種材料接頭的力學(xué)性能較好。

2.3 焊縫形貌和組織分析

采用轉(zhuǎn)速600 r/min、頂鍛壓力4.5 MPa、進(jìn)給量10 mm獲得的接頭軸向剖切的焊縫形貌微觀組織如圖3所示。鋁鋼異種材料焊接結(jié)合界面比較清晰，兩種材料結(jié)合緊密，無(wú)孔洞、縫隙等缺陷，不銹鋼組織無(wú)熔化及變形。

結(jié)合界面鋁側(cè)形成大量旋轉(zhuǎn)有序組織分布，其上分布強(qiáng)化相粒子。分析認(rèn)為在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接過(guò)程中，低硬度鋁合金發(fā)生半固態(tài)塑性流動(dòng)以及組織再結(jié)晶，并析出第二相粒子。臨近界面20 μm鋁側(cè)的金相組織晶粒細(xì)小，且越靠近焊縫的區(qū)域，晶粒越細(xì)小而致密。這是因?yàn)殇摵弯X的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)存在差異，鋼側(cè)熱導(dǎo)率高，冷卻速率快，越臨近界面晶粒越細(xì)小。

2.4 顯微硬度分析

鋁/鋼異種材料接頭顯微硬度分布曲線如圖4所示。由圖可知，6061鋁合金的顯微硬度值幾乎沒(méi)有變化，僅在距離界面中心0.05 mm的位置處，硬度從基體的70 HV提高到了76 HV。這是因?yàn)镕e元素的擴(kuò)散會(huì)使接頭鋁側(cè)產(chǎn)生一定的固溶強(qiáng)化作用，焊接過(guò)程中組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的細(xì)晶強(qiáng)化也會(huì)提高材料的顯微硬度。鋁/鋼異種材料接頭的顯微硬度值在焊縫界面結(jié)合區(qū)域有明顯的突變，結(jié)合界面金屬間化合物的顯微硬度達(dá)230 HV。不銹鋼基體顯微硬度為180 HV，隨著遠(yuǎn)離焊縫，顯微硬度逐漸降低至正常值。這是因?yàn)锳l元素的擴(kuò)散促使結(jié)合界面附近的不銹鋼組織產(chǎn)生了時(shí)效強(qiáng)化。

2.5 結(jié)合界面分析

采用掃描電子顯微鏡分析接頭結(jié)合界面，如圖5所示。由圖可知，界面呈波紋狀，鋁和鋼結(jié)合致密，相互嵌合，沒(méi)有未熔合現(xiàn)象，無(wú)裂紋缺陷。鋁鋼異種材料結(jié)合界面金屬間化合物層厚度小于2μm。經(jīng)能譜分析顯示，鋁鋼異種材料結(jié)合界面元素分布，鋁合金與不銹鋼形成較為清晰的元素分布界面。同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊的焊接過(guò)程比較復(fù)雜，伴隨著再結(jié)晶冶金和元素?cái)U(kuò)散等行為。

采用EDS對(duì)鋁-鋼異種材料元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行分析，如圖6所示。鋁鋼異種材料接頭結(jié)合界面兩側(cè)擴(kuò)散的元素主要有Al、Fe和Cr，其擴(kuò)散都是漸變性的。其中Al元素的擴(kuò)散距離約為4～4.5 μm，F(xiàn)e和Cr元素的擴(kuò)散距離為1.5～2 μm。Fe、Cr的原子半徑和晶體結(jié)構(gòu)等方面相似，相同條件下Fe與Cr的自擴(kuò)散系數(shù)相近，因此擴(kuò)散距離接近。而Al與Fe、Cr的差異較大，相同條件下自擴(kuò)散系數(shù)更大，擴(kuò)散速度更快。

3 結(jié)論

（1）直徑30 mm的不銹鋼和6061鋁合金棒材的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，采用鋼側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)更容易獲得成形良好的焊接接頭。在轉(zhuǎn)速600 r/min，一級(jí)摩擦壓力3 MPa，二級(jí)摩擦壓力4 MPa，頂鍛壓力4.5 MPa，頂鍛時(shí)間2 s，進(jìn)給量10 mm的焊接參數(shù)下，焊接接頭飛邊形貌良好。（2）采用轉(zhuǎn)速600 r/min，頂鍛力4.5 MPa，進(jìn)給量10 mm的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，鋼側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為252 MPa延伸率為4.5%;鋁側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為212 MPa，延伸率為2.0%，相對(duì)鋼側(cè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)拉伸強(qiáng)度有所降低。（3）在文中試驗(yàn)條件下，鋁和鋼異種金屬結(jié)合致密，界面呈現(xiàn)波紋狀，元素分布清晰，Al、Fe和Cr元素有相互擴(kuò)散，金屬間化合物層厚度小于2 μm。（4）顯微硬度在界面處發(fā)生階躍變化，最高達(dá)230 HV。

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