铝/镀锌钢搅拌摩擦铆焊接头组织与力学性能

王希靖，张亚州，李经纬，孙学敏

(省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室(兰州理工大学)，兰州 730050)

随着能源和环境问题的日益突出，轻量化技术成为汽车行业发展的一个重要趋势，而采用轻量化材料又是轻量化技术的主导方向.铝及铝合金是目前应用最广的有色金属，具有密度小、比强度高、耐腐蚀和导热导电性好的优点［1］.DP600双相钢是一种高强度、高成形性的新钢，尤其适用于汽车车身的制造［2］.因此，汽车轻量化技术势必会涉及到铝和钢异种金属的连接问题［3－4］.

由于铝和钢具有不同的晶体结构和热物理性能，如热膨胀系数、导热率和比热容，铝－钢接头处易产生内应力、裂纹和夹渣，除此之外，产生的较厚的金属间化合物也会严重影响接头强度［5］.尽管熔焊［6－7］、钎焊［8－10］和熔钎焊［11－14］等方法可以实现铝和钢异种金属的连接，但往往有缺陷且抗拉强度较低，无法获得焊缝成形和力学性能俱佳的优质接头.

搅拌摩擦铆焊(friction stir rivet welding，FSRW)是本课题组提出的一种新型无匙孔搅拌摩擦点焊方法.该方法与普通搅拌摩擦点焊相比，避免了钢母材对搅拌头的磨损，延长了工具的使用寿命，且接头无匙孔，焊点平整美观，兼有铆接和冶金结合双重连接［15］，特别适用于轻质合金与钢等异种金属的搭接连接.本文采用该方法来实现汽车工业中铝和钢异种金属的连接，通过拉剪试验评定接头的力学性能，并分析接头的表面成形、微观组织及断口形貌.

1 试验

试验材料选用3 mm厚的6061－T6变形铝合金和1 mm厚的DP600镀锌双相钢板，几何尺寸均为150 mm×50 mm.采用由高温合金制成的圆柱形无针搅拌头，其中轴肩直径为20 mm.

采用搅拌摩擦铆焊方法，搭接方式如图1所示.首先，在较硬的钢母材上钻孔，将铝板置于钢板上方，钢板下有1个开圆孔的垫板，无针搅拌头端面与工件表面沿垂直方向高速局部顶锻摩擦，将达到塑性流动状态的铝合金旋挤压入钢板的孔内;然后，搅拌头开始上升，离开工件，即完成焊接.根据预实验结果，焊接时轴肩下压量为定值0.2 mm，搅拌头转速选用 800和1 000 r/min，在每种转速下钢板上的圆孔直径分别选用 6、7、8 mm 3种参数.

图1 搅拌摩擦铆焊搭接示意图

焊后，沿焊点直径横切接头，经研磨、抛光后，用扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)对接头的微观组织及断口进行观察分析，采用 WDW－100E型万能材料试验机测试接头的力学性能.

2 结果与分析

2.1 接头表面成形

试验过程中对不同焊接参数下的接头成形进行观察.图2(a)为转速800 r/min、圆孔直径7 mm时的接头表面成形，可以发现，焊点表面平整，基本与工件表面齐平，外形美观，中心没有匙孔，周围只有少许的飞边.焊点背面如图2(b)所示，铝合金嵌入钢板的圆孔中形成圆柱形的铝柱，焊点周围镀锌钢板颜色只是略有变化，这说明镀锌层被破坏得较少，有利于保持其抗腐蚀性.

图2 转速800 r/min、孔直径7 mm时的接头成形

2.2 接头的宏观组织特征

典型接头的横截面形貌如图3所示.由图3可知:在铆接区，铝合金在搅拌头的摩擦顶锻作用下产生了充分的塑性流变，以铝柱的形式饱满地嵌入钢板的圆孔中;由于垫板的作用，铝柱在钢板的外侧出现了翻卷，形成了比圆孔直径略大些的“铆钉帽”，可防止钢板和铝板的分离，将铝和钢以“铝铆钉”的方式连接在一起;另外，铝柱四周的钢板发生了向下弯曲.同时，在铆接区周围，铝、钢和镀锌层在热－力条件下相互作用生成反应层，形成了分界明显的冶金结合.

图3 接头的横截面形貌

2.3 铆接区的微观组织

铝柱与钢板上圆孔侧壁形成的界面如图4所示，图4(a)、图4(b)分别是图3中 A、B区域的背散射放大图像.由图4可知:嵌入圆孔的铝柱相对饱满，在钢板与“铆钉帽”连接处有少量灰色的过渡层(1、4区域)形成;铝柱上有河流状的白色物相存在，由钢板的上表面流向铝柱的底部.

为确定界面上物相的成分组成，对图4中1～5区域做了点能谱分析(EDS)，结果如表1所示.结合 Fe－Al、Al－Zn 二元相图可知，灰色过渡层应为金属间化合物Fe2Al5，而白色物相可能是 Zn固溶于 Al中形成的富铝的α 固溶体［16－17］.

由以上分析可推断，焊接过程中锌层最先熔化成液态薄膜，铺展在铝/钢界面上;同时在搅拌头的热－力联合作用下，铝合金达到热塑性流动状态，圆孔边缘处的钢板也开始向下弯曲，成为一个斜面［18－19］.于是，液态锌沿着斜面与达到流态的铝一起流入孔中，在冷却过程中铝、锌形成了α固溶体，并在铝柱底部有一定的积淀.另外，钢板在焊接开始时弯曲变形小，与铝柱的“钉帽”紧密接触，有 Fe－Al金属间化合物生成.随着钢板弯曲程度越来越大，下表面与“钉帽”的间隙也开始变大，最终两种基体分离，又由于化合物层与钢基体的连接更致密，所以形成的金属间化合物主要粘附在钢板下表面.

图4 铆接界面的背散射电子扫描电镜照片

表1 图4中EDS点成分分析(原子数分数/%)

2.4 扩散区的微观组织

扩散区的微观组织如图5所示，铝/钢界面上形成了一层厚度约为5 μm的反应层，与两侧母材连接十分致密，且在界面上均匀分布.

为进一步分析扩散界面的元素分布情况，沿着图5中线AB做了能谱分析，结果如图6所示，可以看出，在反应层区域铁和铝的含量较为均匀，且出现了平台，这说明Fe和Al两个主元素发生了相互扩散.焊接时，锌层熔化后形成微量液相，润湿填充接头间隙，扩大了待焊表面的物理接触，同时界面在搅拌头压力作用下产生了微观塑性变形，也使铝/钢界面紧密接触，于是，塑性态铝与固态铁相互扩散、相互渗透发生固相态冶金反应，生成了一层均匀、致密的Fe－Al金属间化合物，两种金属在扩散界面上形成了冶金结合［20］.对图5中1区域进行能谱点分析，化合物层主要由24.0%Fe、75.2%Al和0.8%Zn(原子数分数)组成，其中，铁和铝的原子个数比接近 1∶3.结合Fe－Al二元相图，该金属间化合物可初步判定为FeAl3，该结果与文献中 Al－Fe金属间化合物的热力学分析结果一致［21］.

图5 扩散界面的背散射电子扫描电镜图像

图6 扩散界面主元素的线分析结果

2.5 接头的力学性能

为了测试铝合金和镀锌钢板搅拌摩擦铆焊接头的力学性能，进行了拉剪试验，发现接头有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3种断裂形式，分别如图7(a)、7(b)、7(c)所示.

图7 搅拌摩擦铆焊接头的断裂形式

对于Ⅰ型断裂，铝柱发生明显塑性变形后，沿两板的界面剪断成两部分，其中一部分留在钢板的孔中，断口表面细致，呈浅灰色.该断裂方式在拉剪的所有接头中最为常见，也有少数的断口为Ⅱ或Ⅲ型.Ⅱ型断口中，铝柱发生塑性变形后从钢板的孔中被拔出来，且“钉帽”几乎与铝柱体分离;而在Ⅲ型断口中，铝柱基本上没有塑性变形，直接从圆孔中完全拔出来，往往会发生在没有“钉帽”的接头上.

不同焊接参数下接头的抗剪力见表2，由表2可知:在相同转速下，孔直径7 mm时，接头的强度相对较高，这是因为孔直径6 mm时，用于铆接的铝柱太细，无法承受较大的抗剪载荷;当孔直径为8 mm时，在该试验条件下所得的铝－钢铆焊接头中，嵌入的铝柱不饱满，与圆孔侧壁的间隙较大，且形成的“钉帽”较小，拉剪时接头易发生Ⅱ型或Ⅲ型断裂，强度较低.圆孔直径相同时，高转速下得到的接头强度较低，这主要是由铝合金的软化导致，6061铝合金属于可热处理强化铝合金，其主要强化相是Mg2Si，该合金在焊接过程中受热循环的影响，致使铝柱出现严重软化，接头力学性 能 下 降［22－23］.因此，当搅拌头转速为800 r/min、孔直径为7 mm时，接头的抗剪力达到最大值8.2 kN，此时接头的抗剪强度为213 MPa(按铝柱的横截面积计算)，高于6061－T6铝棒母材的抗剪强度155 MPa，这说明接头中既有铝柱的铆接，同时也有靠金属间化合物连接的冶金结合，但在两种连接方式中，铆接起主要作用.因此，经双重连接的铝/钢搅拌摩擦铆焊接头的力学性能较好，可以用于铝/钢结构件的点焊连接.

表2 不同焊接参数下接头的力学性能

接头拉剪断口的微观形貌如图8所示，图8(a)、8(b)分别是铆接区和扩散区的断口微观形貌.

图8 接头SEM断口形貌

由图8可知，铝柱上的断口由大量的被拉长了的韧窝组成，韧窝圆形端在同一方向上，这是典型的剪切韧窝，其长轴在剪力方向上.扩散区的断口主要由灰色的基体及大量的白色颗粒物质组成，其中灰色基体 (1 区域 3.7%Fe、41.5%Al、13.7%Zn、41.1%O)可能为氧化物和α 固溶体的混合物，而白色颗粒 (2 区域 23.6%Fe、75.1%Al、1.3%Zn)应为金属间化合物 FeAl3，进一步证实了扩散界面有金属间化合物生成.

3 结论

1)对6061铝合金和DP600镀锌钢板进行搅拌摩擦铆焊，得到的接头平整美观、飞边少、中心没有匙孔.

2)接头具有铆接和冶金结合双重连接:铝母材达到塑性流变状态后，以铝柱的形式嵌入钢板上的孔中，形成一个“铝铆钉”，将铝和钢铆接在一起;在圆孔四周，铝和钢形成了扩散界面，依靠均匀分布的金属间化合物FeAl3连接在一起.

3)当搅拌头转速 800 r/min、孔直径7 mm时，接头的抗剪力最大;接头的断裂形式有3种，其中以铝柱明显塑性变形后沿铝/钢界面被剪断最为常见;铝柱上的断口由被拉长的韧窝组成;扩散界面的断口由灰色基体和白色颗粒组成.

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