镀Ni对铝/超高强钢惯性摩擦焊接头性能的影响

2022-01-12张广川刘世英蒋启明邓展鹰殷相杰杨宏睿黄宏李坤航

重庆理工大学学报(自然科学) 2021年12期

张广川，刘世英，吴玮，3，蒋启明，邓展鹰，殷相杰，杨宏睿，黄宏，李坤航

(1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054；2.山东滨州渤海活塞有限公司，山东滨州 256602;3.重庆市特种焊接材料与技术高校工程研究中心，重庆 400054)

铝/钢复合结构能够兼备2种材料的特性，具有质量轻、强度高、抗腐蚀性能好的优势，可有效取代单种钢材应用于航空航天、能源、交通、建筑等众多领域。铝-钢焊接较多地采用了熔钎焊[1-4]、钎焊[5-7]、固相焊[8-13]等方法。摩擦焊接是一种典型的固相焊技术，焊接时间短，热输入低，可对铝/钢进行低温焊接，有利于接头界面处金属间化合物的控制[14]，近年来受到国内外学者的广泛关注。Fukumoto等[8-10，15]对铝/钢摩擦焊接界面冶金反应开展了研究，发现铝/钢界面生成的金属间化合物形态、成分与摩擦焊接参数有关，不同热输入下Fe、Al 扩散行为不同，接头以机械结合为主时，强度不高，界面处产生少量的金属间化合物有利于提高接头强度。由于铝/钢直接连接界面金属间化合物种类较多，为了获得可靠的铝/钢接头，添加中间层，在钢、铝端面镀浸合金元素抑制金属间化合物的生长是采用的主要方法[16]。Reddy等[17]采用了在不锈钢端面电镀Cu、Ni、Ag的方式，研究了中间镀层对不锈钢与铝摩擦焊接头性能的影响，发现镀层一定程度抑制了Al-Fe金属间化合的产生，接头性能比未镀元素的有明显改善。

目前铝/钢摩擦焊研究主要集中铝合金与不锈钢[8-9，16-17]，以及与低碳钢[10，15]的连续摩擦焊方面，对铝合金与高强钢、超高强度钢的焊接，以及惯性摩擦焊接和加中间层的摩擦焊研究相对较少。本文针对6061铝合金和42CrMo超高强钢，对钢侧镀镍，采用了惯性摩擦焊进行铝与钢的连接，研究镀镍对接头连接界面特征和性能的影响。

1 试验方法与材料

试验采用长100 mm、直径为φ28 mm的6061-T6铝合金与调质态的φ25 mm 的42CrMo超高强度钢，主要化学成分见表1。6061铝合金经过人工时效后，具有较好的加工成型性以及抗腐蚀能力[18]。42CrMo是一种超高强度钢，韧性好、淬透性优良。经过调质处理后，能够得到较高的疲劳极限和低温冲击韧性。

表1 材料化学成分(质量分数/%)

试验在CT-J150/235型特种摩擦焊机上进行。异种金属摩擦焊时，通常要求热源温度不超过低熔点金属的熔点，由于惯性摩擦焊时间非常短，采用图1所示高频感应加热器对钢侧进行焊前预热，以确保铝钢界面低温惯性摩擦焊的实施。焊接过程中用图2温度采集系统，对辅助加热温度和界面温度进行检测。试验辅助加热温度600 ℃，焊前钢侧预镀14 μm镍层。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析仪(XRD)、能谱仪(EDS)对接头界面特征进行分析，用微机控制电子万能试验机测量接头抗拉强度。

图1 辅助感应加热器示意图

图2 测温示意图

2 试验结果与分析

2.1 Ni层对接头界面温度的影响

对同一钢棒上的2个相邻区域(一处有镀Ni层，一处将Ni层磨去)加装热电偶，然后对材料进行感应辅助加热，分别测得钢端带Ni层表面以及无Ni表面的温度，如图3(a)所示，带Ni层表面的温度始终低于钢材表面的温度，最大温差达到70 ℃左右。为进一步确认Ni层对铝/钢摩擦焊接头界面温度的影响，试验对摩擦焊接过程中铝侧近焊缝处进行实时测温。从图3(b)测得的温度曲线变化情况可以知道，预镀Ni层铝侧近表面温度在整个焊接过程中均低于未镀Ni铝侧，说明Ni镀层的加入降低了从钢侧端面传递到铝界面的热量，能够在一定程度上起到平衡铝钢两侧界面温度的作用。

图3 温度变化曲线

2.2 Ni层对接头界面形貌的影响

图4和图5分别是不同放大倍数下的界面宏观形貌和微观形貌。从图4(a)中可以看出，由于未镀Ni接头界面温度较高，使得铝侧发生较大塑性变形，软化的铝合金在与钢摩擦焊过程中大量粘附在较硬的钢表面；同时，辅助加热条件下的预热，也使钢侧界面温度得到一定的提高，降低了42CrMo金属塑性变形阻力。在后续摩擦焊接过程中，这部分金属在机械力的作用下受热软化，2种材料在界面经不断摩擦、黏着、撕裂，在结合面形成了明显的凹凸不平的起伏形貌。进一步放大可以发现，图5(a)中未镀Ni接头界面处存在Al、Fe元素相互扩散反应生成的的灰色金属间化合物层(IMCs)，该IMCs沿界面分布不均匀，与钢侧连接较为致密、平直，而近铝侧凹凸不齐，有断续缝隙。形成上述形貌是由于惯性摩擦焊过程中，Al扩散系数比Fe小，与钢中铁元素反应生成的Al-Fe金属间化合物受到钢的阻碍不能任意生长，使得近钢侧比较平直，较为致密，而Fe的扩散系数比Al大，界面化合物层整体向Al基体方向生长，形成的Al-Fe金属间化合物应力较大，在靠近铝侧出现缝隙[19]。

图4 接头界面宏观形貌

相比于未镀Ni接头，图4(b)镀Ni后的界面温度稍低，焊缝整体上变得较为平直。图5(b)显示由于Ni有良好延展性和中等硬度，塑性变形主要发生在铝与Ni层中，钢侧则基本未发生变形。镀Ni后界面生成一条较宽的IMCs层，沿界面上分布状态更为均匀，IMCs层与两侧连接紧密，无缝隙。虽然镀Ni后界面温度会降低，但在相近温度条件下，由于Al-Ni系金属间化合物的生成焓负值相比于Al-Fe系化合物要大2～3倍[20]，Al-Ni系化合物会更容易生成。因此，试验中出现未镀Ni接头界面温度虽然更高，但界面化合物层厚度却更薄的现象。

图5 接头界面微观形貌

界面化合物的组成对接头的连接质量有着一定的影响，同时化合物层的厚度及分布状态对接头的连接质量也有着很大的影响。试验在相同的放大倍数下，对两类接头的界面化合物层通过面积测量软件，测得其厚度结果如图6所示。镀Ni后的接头界面化合物层厚度高于未镀Ni接头，其平均厚度为1.14 μm，而未镀Ni接头界面化合物层厚度仅有0.567 μm。有研究表明，异种金属采用摩擦焊接时，化合物层厚度在较薄范围内(一般认为在10 μm内[15])，接头强度会随化合物层厚度增加而增加。

图6 接头界面化合物层厚度

2.3 Ni层对接头界面元素扩散的影响

焊接过程中，接头界面温度的高低与接头界面元素扩散情况有着密切的关系。相同条件下，一般随着温度的升高，接头界面原子活跃程度越高，越容易发生原子之间的相互扩散和反应，从而更易在界面形成金属间化合物。图7(a)、(b)分别为镀Ni与未镀Ni接头界面元素扩散情况。

图7 接头界面元素分布情况

对比两图可以发现，2种情况下Fe元素的扩散范围相近，但Al元素扩散情况却不同。未镀Ni时，接头近焊缝的Al元素扩散范围能够达到10 μm，而镀Ni后接头铝侧元素扩散范围则减小到了7.5 μm，这主要是Al元素向钢侧的扩散速率小于钢经镀层向铝液中的扩散速率，Ni层的加入降低了从钢侧传递到铝侧的能量，同时镀层中的Ni元素扩散到铝中与铝反应，生成Al-Ni金属间化合物，减少了Al原子扩散程度[19，21]。

此外，两类接头均能在界面处观察到Al元素的聚集现象。这是因为在相同温度条件下，Al 元素的自扩散系数远高于Fe、Ni等元素的自扩散系数[15]，焊接过程中随着温度的升高，近焊缝区域的Al原子被大量激活，在浓度梯度的作用下，Al原子迅速向接头界面转移。但由于Al在Fe、Ni中的扩散系数远低于Al的自扩散系数，因此，接头界面处出现如图7所示Al元素聚集的现象。

对比两接头可以发现镀Ni后接头界面Al元素与Fe元素基本不存在重叠区域，可见Ni层的加入，阻隔了Al、Fe元素相互扩散，避免了界面形成Al-Fe脆性金属间化合物。

2.4 Ni层对界面生成化合物成分的影响

图8为两类接头能谱点扫描的位置示意图。采用能谱分析仪，检测分析了这些区域的质量比以及原子比，结果列于表2和表3中。从表2中检测结果可以看出，未镀Ni时接头界面组织主要由Fe、Al元素组成。从A1位置到A3位置，Al元素含量逐渐增加。根据不同位置的Al、Fe元素的原子比，结合Al-Fe二元合金相图，可以初步判断，接头界面生成的金属间化合物层应为FeAl、FeAl2和Fe2Al5等相混合而成。

图8 能谱点扫描位置示意图

表2 未镀Ni接头界面EDS检测结果

表3 镀Ni接头界面EDS检测结果

从表3中可以看出，Al-Ni界面处的Fe元素相比于Al、Ni元素，含量较低。Ni镀层的加入，对Fe元素的扩散起到了一定的阻挡作用。有研究表明，Al-Ni-Fe三元体系中，当某一元素含量较低时，不会形成三元金属间化合物，含量较少的组元会以第三组元的形式固溶在另2种组元的化合物中[7]。因此，暂可以不考虑少量Fe元素对界面化合物种类的影响。根据界面能谱分析结果，结合Al-Ni二元合金相图，可以判断，Al-Ni界面生成的化合物应为AlNi、Al3Ni等相混合而成。

为进一步确认接头界面化合物的组成情况，试验分别对两类接头进行了X射线衍射分析。检测结果如图9所示。从图中可以看出，未镀Ni时接头界面处化合物存在AlFe、FeAl2、Fe2Al5等相；镀Ni后界面则存在AlNi、Al3Ni等相。检测结果与EDS的检测结果基本一致。

图9 接头界面XRD检测结果

2.5 Ni层对接头力学性能的影响

图10为两类接头的维氏硬度分布点线图。从图中可以发现，镀Ni与否对钢侧的硬度分布基本不产生影响。其整体变化趋势均是从焊缝到母材区域硬度逐渐升高，并且这个变化范围均在23 mm左右。但在钢侧由于进行了600 ℃的辅助加热，导致钢材的组织发生粗化，使感应加热范围内钢材的硬度降低。

图10 接头硬度变化

相比于钢侧，Ni镀层对铝侧的硬度分布则产生了一定的影响。从图中可以发现，两接头在靠近焊缝的位置均存在一个约1 mm范围宽的细晶区，其硬度值非常接近。但是随着距焊缝的距离增加，铝侧的热影响区范围开始出现区别。未镀Ni接头，热影响区的范围接近3 mm，而镀Ni后，接头热影响区的范围则减小到了2 mm左右。这是因为Ni镀层的加入起到了阻隔热量传递的作用，减小了钢侧向铝侧传递的能量，从而减小了焊接热输入对铝侧材料的影响范围。热影响区范围的减小能够有效地减小接头的薄弱区域，提高接头的连接质量。

为减小接头拉伸强度测试误差，试验在相同焊接参数条件下，焊接得到多组接头，选择3组试样进行室温拉伸实验，测试结果如图11所示。可以看出，镀Ni后3组接头的抗拉强度分别为89.8、84.3、85.4 MPa，均高于未镀Ni接头。由此可见，Ni镀层的加入虽然生成了较厚的IMCs层，但其分布均匀，Ni元素的存在降低了Al原子在Fe中的活度系数，在一定程度上抑制了Al-Fe金属间化合物的形成及生长，界面生成的Al-Ni化学键比Al-Fe键具有较高的金属性，韧性好、脆性低，有利于提高接头力学性能[22]。