鋁-鋼異種金屬攪拌摩擦焊工藝及性能研究.pdf

1、鋁-鋼異種金屬的連接在造船、航空、汽車制造等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，然而由于鋁與鋼之間物理、化學(xué)、力學(xué)等性能差異巨大，很難用傳統(tǒng)的熔化焊連接。作為一種新型的固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊（FSW）在鋁-鋼異種金屬連接中越來越得到廣泛關(guān)注。本文以汽車制造中常用的5182鋁合金與DP1180雙相鋼薄板（1.2 mm厚）為研究對象，系統(tǒng)地研究了鋁-鋼異種金屬FSW對接及搭接工藝，并對接頭的微觀組織及力學(xué)性能做了深入、細(xì)致的探討。主要研究目標(biāo)為：通過對鋁-

2、鋼異種金屬FSW工藝優(yōu)化分析，闡明影響接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，得到與無缺陷、高質(zhì)量接頭；揭示界面金屬間化合物(IMC)微觀組織特點(diǎn)，闡明界面成形機(jī)理，揭示界面微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。主要進(jìn)行了以下研究工作：
　　選取1.2 mm厚鋁-鋼薄板進(jìn)行FSW對接研究，當(dāng)鋼板位于前進(jìn)側(cè)、鋁板位于后退側(cè)時(shí)可獲得無缺陷的接頭，采用攪拌工具偏置，向鋼側(cè)偏置1 mm時(shí)接頭成形性最佳。通過調(diào)整轉(zhuǎn)速、焊速兩個(gè)工藝參數(shù)來控制FSW過程中的熱輸入。當(dāng)采用

3、轉(zhuǎn)速為400 rpm，焊速為50 mm/min的較低熱輸入時(shí)，可獲得與母材等強(qiáng)度、無缺陷、高質(zhì)量的FSW接頭。在此參數(shù)下，鋁-鋼界面處生成一層均勻而連續(xù)的IMC薄層，兩種材料之間達(dá)到良好的冶金結(jié)合。
　　利用透射電鏡（TEM）對鋁-鋼FSW對接接頭的焊核區(qū)及界面處的IMC形貌進(jìn)行了細(xì)致研究，并對 Al-Fe反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了闡述。焊核區(qū)能觀察到渦旋狀洋蔥環(huán)流動形貌，且不均勻地分布著大小不一的鋼顆粒。鋼顆粒周圍有 Al-Fe的IMC生成

4、，經(jīng)電子衍射譜分析確定為Al5Fe2。鋁-鋼界面附近分布著許多堆垛層狀結(jié)構(gòu)，一定程度上增加了界面 IMC層的厚度，降低力學(xué)性能。利用 TEM進(jìn)行細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn)，Al-Fe界面區(qū)由鋼側(cè)混合層和厚度大約為250 nm的IMC層組成。混合層呈明暗條帶狀相間，由約50 nm厚的IMC條帶與約500 nm厚的鋼母材交替排列組成。IMC層附近存在大量Al的超細(xì)晶，鋼側(cè)混合層觀察到拉長變形的晶粒。電子衍射譜分析表明，對接界面上的Al-Fe IMC為Al

5、5Fe2。
　　選用不同尺寸的攪拌工具，對鋁-鋼進(jìn)行FSW搭接，研究了不同攪拌工具尺寸、下壓量及熱輸入對接頭組織及性能的影響。將鋼板置于下方，鋁板置于上方，下壓量為壓入鋼板0.2 mm。采用大尺寸的攪拌工具，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 rpm，焊速為50 mm/min，鋼置于前進(jìn)側(cè)時(shí)，獲得斷在母材與母材等強(qiáng)度的接頭。在焊核區(qū)界面附近分布著許多剝落在鋁基體中的鋼顆粒，其周圍包裹著很厚的IMC。Hook缺陷明顯得到控制減弱，僅在前進(jìn)側(cè)微小突起，且