镀锌钢板与6061铝合金搭接搅拌摩擦钎焊

高鹏宇，许惠斌，李添翼，李小飞，胡盛情，周天涛，黄宏

（重庆理工大学，重庆 400054）

钢与铝两种合金的复合结构对于现代制造业有降低重量、节约能源、降低生产成本等优点，在汽车、建筑、航空等领域得到了广泛的关注[1—4]，但是，铝与钢之间由于存在很大的性能差异，焊后有巨大的残余应力产生。同时硬而脆的 Fe-Al金属间化合物如Fe3Al, Fe2Al5, FeAl3，极易在较高的焊接热循环条件下出现，厚的金属间化合物层容易造成裂纹[5—8]。这两个原因共同限制了铝-钢复合结构在制造业中的应用。

搅拌摩擦焊是热-机共同作用的焊接方法，塑性流动金属相互搅拌、混合，最后形成高质量接头[9—11]。由于焊接过程不会因金属熔化和凝固而发生裂缝等缺陷，焊接过程能耗低、成本少、没有空气污染和光污染，这些优势奠定了搅拌摩擦焊的前景[12—13]。搅拌摩擦钎焊(FSB)是在搅拌摩擦焊基础上，在待焊工件中间加入一层薄的中间层，防止焊件基体的直接接触，使界面金属间化合物类型和厚度发生变化[14—15]。文中采用纯Zn箔片作为FSB中间层，在不同焊接转速下，分析了 Q235镀锌钢与 6061铝合金接头的元素分布及力学性能。

1 试验材料及方法

试验材料钢为电镀锌 Q235钢板，镀锌量为60 g/mm2，尺寸为70 mm×50 mm×1 mm。铝合金选用6061铝合金，尺寸为70 mm×50 mm×2 mm。中间层材料为质量分数为99.99%的纯Zn箔片，熔点为420 ℃。Zn中间层尺寸为 70 mm×20 mm，中间层厚度为0.3 mm。Q235含有质量分数为0.14%～0.30%的Si，0.14%～0.22%的C，0.30%～0.35%的Mn，余量为Fe；6061铝合金含有质量分数为0.7%的Fe，0.4%～0.8%的 Si，0.02%～0.25%的 C，0.8%～1.2%的 Mg，0.15%的Mn，余量为Al。

焊前先用粗砂纸打磨母材待焊表面，然后用酒精清洗。以纯Zn箔片作为中间层的FSB见图1。试验所用搅拌头为圆柱搅拌头。焊接参数为：焊接速度为44 mm/min，压入量为0.5 mm，搅拌头转速分别为660,1320, 1750 r/min。通过德国生产的Sigma HD扫描电子显微镜观察FSB接头形貌，同时分析各微区成分。使用HVS-1000显微硬度仪测量接头显微硬度，每个测量点的间距为0.1 mm，压头加载载荷为0.1 kN，压头加载时间为10 s。

图1 加中间层搅拌摩擦钎焊Fig.1 Friction stir brazing with Zn intermediate layer

2 结果及分析

2.1 接头在不同转速的宏观形貌

不同转速下接头宏观SEM见图2。660 r/min转速焊接时，中心界面处为一层厚的Zn过渡层，而搅拌针边缘位置未被搅拌，近界面处铝合金中出现大的孔洞。转速为1320 r/min情况下，FSB界面中心区域的Zn过渡层变薄，以波浪状沿界面分布。此时更大量流动的Zn进入到焊缝，在塑性流动阶段与Al反应，生成熔点较低的Zn-Al共晶合金，此时搅拌区域金属流动性变好，高效的填充搅拌针前进侧留下的空隙，使近缝区铝合金中的孔洞减小。当搅拌头转速达到1750 r/min时，界面处的Zn只剩下较薄的一层Zn聚集层，大量的Zn随着搅拌针流动进入到近缝区铝合金中，形成大片的Zn聚集区域，近界面铝合金中只有小孔洞出现。

图2 不同转速下宏观接头SEMFig.2 SEM of joint microstructure at different rotational speed

2.2 接头在不同转速微观形貌与元素分布

不同转速下接头微观 SEM 见图 3。采用较小660 r/min时，搅拌头轴肩对6061铝合金待焊表面摩擦较少，焊接输入热不足。界面处有部分区域未熔合。根据图3d线能谱元素分布可知，近界面铝合金焊缝区主要由Zn元素组成，界面处有少量Fe元素。由图3a点1可知，此时界面处可能生成Fe-Zn10。在转速1320 r/min情况下，近界面铝合金搅拌更加剧烈，一层薄的过渡层在界面出现。根据图 3e线能谱元素分布可知，过渡层 Fe-Al-Zn三种元素发生相互扩散。同时根据3b点2可知，少量的Al被搅拌针带到界面处，此时界面可能有Fe-Zn与Fe-Al两种类型的金属间化合物。没有出现未熔合区域与裂纹等缺陷，结合良好。采用高转速1750 r/min时，此时铝合金焊缝混合更加剧烈，界面过渡层极薄，根据图 3f线能谱元素分布可知，过渡层存在着 Fe-Al-Zn三种元素之间的扩散。根据图3c中点3可知，界面检验出更多的Al元素与Fe元素。由于有更多的Fe-Al金属间化合物生成，界面硬度梯度增加，在残余应力作用下，过渡层中间层产生裂纹缺陷。其中，点 1中 Zn和 Fe的原子数分数分别为91%和9%，点2中Zn, Al, Fe的原子数分数分别为80.29%, 3.54%, 16.17%，点3中Zn, Al, Fe的原子数分数分别为 71.49%, 5.66%,20.25%。

图3 不同转速下接头微观形貌SEM与线扫描Fig.3 SEM of microstructure joint and line scan at different rotational speed

2.3 接头在不同转速下的最大平均拉剪力

转速对接头平均最大拉剪力的影响见图4。随着搅拌头旋转速度增加，FSB接头最大拉剪力先增加后降低。当转速为1320 r/min时，FSB接头平均拉剪力达到最大，为2.33 kN。这是因为在较低的搅拌头转速情况下，热输入较低，元素扩散不充分，界面有未结合区域。在转速较高的情况下，界面生成更多硬而脆的Fe-Al金属间化合物，致使过渡层中出现微裂纹，接头强度降低。在适当的转速下，界面结合良好。

图4 不同转速下接头平均最大拉剪力Fig.4 Maximum average tensile shear force at different rotational speed

2.4 接头显微硬度

不同转速下接头显微硬度见图5，随着搅拌头转速增加，界面处的显微硬度逐渐增加，界面处Zn元素含量随之降低。由于低转速情况下，界面有较厚的Zn过渡层。靠近界面的6061铝合金与界面处的显微硬度较低，界面生成物为硬度较低的Fe-Zn金属间化合物。随着转速增加，硬度较高Fe-Al金属间化合物在界面生成，同时界面过渡区域显微硬度梯度增加，近缝区铝合金与界面显微硬度增加。

图5 接头不同区域显微硬度Fig.5 Hardness of different zones in joint

3 结论

在 Zn中间层下通过 FSB连接 6061铝合金与Q235镀锌钢。分析在不同转速下FSB接头形貌组织及力学性能，得到以下结论。

1)当搅拌头转速增加时，更多Zn元素进入近缝区铝合金中，增强了铝合金塑性流动时的流动性，能更好地填充搅拌头前进侧孔洞，致使铝合金近缝区孔洞减少。

2)转速为660 r/min情况下，界面产生一层较厚的过渡层，界面金属间化合物为 Fe-Zn10，部分区域未结合。转速增加到1320 r/min时，过渡层厚度降低，界面由Fe-Zn和Fe-Al金属间化合物构成，此时界面连接较好。转速为1750 r/min时，界面处Fe, Al元素含量升高，近界面过渡层出现裂纹。

3)随着搅拌头转速增加，镀锌钢/铝合金接头最大平均拉剪力先增加后减小，界面处显微硬度增加，硬度梯度增加。1320 r/min转速情况下，FSB接头平均拉剪力最大，为2.33 kN。

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