摘要：由于鋁、鋼的熱物理性能差異較大，且鐵在鋁中的固溶度極低，鋁/鋼異質金屬焊接已成為該領域研究的難點與熱點。攪拌摩擦焊具有熱輸入低、熱循環時間短等優點，能夠有效控制鋁/鋼接頭中金屬間化合物的生長，從而獲得高質量的焊接接頭。文中綜述了鋁/鋼異質金屬攪拌摩擦焊國內外研究現狀，涉及攪拌頭材料選擇與結構設計。此外，分析了對接、搭接與點焊三種形式接頭的組織與性能，并探討了鋁/鋼攪拌摩擦焊技術的未來研究方向。

　　關鍵詞：鋁/鋼異質金屬;攪拌摩擦焊;焊接工藝;微觀組織;力學性能

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　　0 前言

　　鋁/鋼異種金屬的復合結構質量輕、強度高，廣泛應用于交通運輸、航空航天等制造領域，如汽車采用鋼制框架、鋁制車身，既保證了汽車撞擊的安全性同時也實現了汽車輕量化。但是，由于鋁、鋼物理和化學性質相差很大[1]，采用傳統的熔化焊方法，在焊縫處易形成偏析、夾渣等缺陷。同時，焊后產生較大的殘余應力，易引起接頭開裂。此外，鐵在鋁中的固溶度很小，在焊縫處易產生過厚的金屬間化合物(Intermetallic compound， IMC)，如Fe3Al，FeAl，FeAl2，Fe2Al5，Fe4Al13等[2]，嚴重惡化接頭性能[3-4]。因此，選擇合適的工藝方法控制界面處IMCs的產生與分布是實現鋁/鋼異質金屬高質量連接的有效途徑。

　　近年來，國內外學者在鋁/鋼異質金屬熔釬焊、固相焊等領域開展了大量研究，并取得了一定的成果。但是，由于熔釬焊過程中熱輸入量較大，在鋁/鋼焊縫處易產生過厚的IMCs，嚴重降低接頭的性能，難以保證高強度的連接[5-6]。因此，很多學者開始將鋁/鋼焊接研究的重點向固相焊轉移，包括擴散焊[7]、電阻點焊[8-9]、攪拌摩擦焊[10]，由于焊接過程中母材不熔化，可減少界面處IMCs的產生。其中，擴散焊過程熱循環時間長，焊接效率低，無法批量生產;電阻點焊接頭的強度低，疲勞性能差，應用范圍受限;而攪拌摩擦焊技術具有熱輸入低、熱循環時間短等優點，能夠有效控制IMCs生長，從而獲得高質量鋁/鋼異質接頭。目前，由于鋁/鋼異質金屬復合結構件的迫切需求，鋁/鋼攪拌摩擦焊技術已成為焊接領域研究的熱點。鋁/鋼異質金屬攪拌摩擦焊 (friction stir welding， FSW)的研究重點主要包括攪拌頭的材料選擇與結構設計、接頭形式 (對接、搭接、點焊)、組織與性能分析等。文中綜述了攪拌頭的材料選擇與結構設計、對接、搭接與點焊三種形式接頭的微觀組織與力學性能等國內外研究現狀，并討論了鋁/鋼攪拌摩擦焊技術未來研究的方向。

　　1 攪拌頭的材料選擇與結構設計

　　鋁/鋼異質金屬FSW時，由于鋼的熔點高、硬度大，焊接過程易引起攪拌頭磨損，降低其服役壽命，同時攪拌頭磨損嚴重影響焊接質量。為解決攪拌頭磨損問題，國內外學者常采用耐磨、耐高溫材料，如工具鋼、高速鋼、WC-Co合金鋼等制作攪拌頭[11-15]。目前，攪拌頭常用材料與結構，如表1所示。可以看出，工具鋼、WC-Co合金鋼使用量較多。Xiong Jiangtao等人[11]設計了以H13模具鋼為軸肩、YG8硬質合金鋼為攪拌針的組合式攪拌頭，在控制成本的基礎上，有效地提高了耐磨性與產熱量。此外，為了改善塑性金屬的流動性，提高接頭的質量，在常用錐形、柱狀攪拌針的基礎上[22]，又開發出了銑刀式攪拌針[11]、無攪拌針式攪拌頭[23]，如圖1所示。 Y. Uematsu等人[24]采用無攪拌針式攪拌頭對2 mm厚6061鋁合金與2 mm厚SPCC鋼進行點焊，以軸肩與鋁板表面的摩擦熱作為熱源，僅依靠熱傳導作用將產生的摩擦熱傳遞至鋁/鋼界面處，在熱、力耦合的作用下發生冶金反應形成接頭，從而實現高強度連接，抗剪強度達到62 MPa。但是，其焊接效果受到板厚的限制，一般不超過2 mm，主要是由于軸肩下壓量過大，易產生“hook”缺陷與鋁板減薄現象。因此，合理選擇攪拌頭的材料與結構，增大摩擦力，提高摩擦熱，有利于焊縫金屬塑化，從而提高接頭質量。

　　2 鋁/鋼攪拌摩擦對接焊

　　鋁/鋼異質金屬FSW對接焊時，被焊材料的相對位置、攪拌針的偏置量是影響鋁/鋼焊接質量的關鍵因素。通常將鋼作為前進側，鋁作為后退側，攪拌針向鋁側偏置，焊縫成形與接頭性能較好[16， 25- 26]，焊接示意圖，如圖2所示[27]。這主要是鋁作為后退側時，鋁合金沿攪拌針向鋼側流動并發生混合形成接頭。同時，少部分的鋼在攪拌針的攪拌作用與軸肩的摩擦作用下，產生適當的摩擦熱，有效地控制IMCs的產生。

　　H.Uzun等人[28]采用FSW實現了6063-T4鋁合金與X5CrNi18-10不銹鋼的對接，焊縫成形與接頭的疲勞性能較好。接頭的組織形貌主要包括7個區域，即鋼-母材區(St-BM)、鋼-熱影響區(St-HAZ)、鋼-熱機影響區(St-TMAZ)、焊核區(WN)、鋁-熱機影響區(Al-TMAZ)、鋁-熱影響區(Al-HAZ)、鋁-母材區(Al-BM)，如圖3～4所示[28]。動態再結晶的鋁與斷碎的鋼片不均勻的分布在焊核區，呈旋渦狀結構，可以認為焊核區是鋁基復合增強材料。熱機影響區由于受到熱、力雙重作用，鋁-熱機影響區與鋼-熱機影響區的晶粒被拉長、彎曲。鋁-熱影響區、鋼-熱影響區由于僅受熱循環的作用，其組織并沒有明顯的變化，與母材的組織基本一致。 Liu Xun等人[13]采用SEM觀察6061鋁合金/高強鋼FSW對接接頭焊核區的結構，焊核區是由不同形狀和大小的鋼顆粒與IMCs增強的鋁基復合材料，如圖5所示。這些結構的形成主要是由于攪拌頭的破碎與攪拌作用，將鋼以碎片或顆粒的形式嵌入鋁合金基體中，且與周圍的鋁合金基體發生冶金反應形成IMCs。

　　鋁/鋼界面處受到熱循環作用與嚴重的塑性變形，在界面處的冶金反應較為復雜。W. Lee等人[26]采用TEM觀察6056鋁合金/304不銹鋼FSW對接接頭的微觀組織，界面處的微觀組織是由混合層與IMC層組成，如圖6所示。通過EDS分析可知，混合層是由塑性變形的鋁合金與不銹鋼組成，呈旋渦狀與類旋渦狀結構。混合層晶粒的分布也存在著明顯的差異，主要為拉長晶粒與超細晶。此外，IMC為FeAl4，其厚度約為250 nm。 R. S. Coelho等人[29]采用TEM分析6081鋁合金/高強鋼FSW對接接頭界面處的微觀組織，部分IMCs嵌入鋼基體中，其厚度約為50 nm，呈帶狀分布。通過對反應層的物相分析可知，該IMC是Fe2Al5，如圖7所示[29]。此外，接頭的抗拉強度達到鋁合金母材強度的80%。T. Watanabe等人[16]采用SEM在A5083鋁合金/SS400中碳鋼FSW對接接頭中觀察到少量IMCs，通過EDS檢測，其IMCs為FeAl與FeAl3，接頭的抗拉強度達到鋁合金母材強度的86%，并指出過厚的IMCs嚴重惡化接頭的性能。因此，鋁/鋼FSW對接接頭中IMCs厚度對接頭性能有著重要的影響。而接頭中IMCs的產生與分布受工藝參數的控制，故研究工藝參數與接頭中IMCs的之間的關系對提高接頭的性能具有指導性意義。

　　鋁/鋼FSW對接工藝參數主要包括轉速、焊接速度、偏置量等，其中轉速與焊接速度決定鋁/鋼異質金屬FSW界面處的熱輸入與溫度。在FSW過程中，忽略攪拌針與工件的摩擦熱以及焊接過程中的熱量損失，其熱輸入為[30]

　　式中：T為界面溫度，℃;Tm為熔點，℃;V為焊接速度，mm/min;ω為角速度，rad/s;α為0.04;K為0.65。結合公式(1)～(2)可知，在一定范圍內，適當提高轉速或降低焊接速度，焊縫區產熱增加，界面溫度升高，有利于鋁合金的塑化，較小的軸肩下壓量就可以獲得質量可靠的接頭。但是，轉速降低或焊接速度升高時，焊縫區產熱減少，界面溫度降低，不足以使鋁合金塑化，不能實現高強度的連接。轉速過高或焊接速度過低，焊縫區產生的摩擦熱過多，界面溫度過高，鋁合金過于塑化，從而引起界面處產生過厚的IMCs，嚴重惡化接頭的性能。 M. Dehghani等人[32]采用FSW獲得5186鋁合金/St-52鋼對接接頭，當采用較低的焊接速度時，界面處產生較厚的IMCs，接頭的強度較差。隨著焊接速度的增加，界面處IMCs減少，接頭的強度顯著增加。通過XRD檢測，界面處IMCs為Fe2Al5相與FeAl6相。當轉速355 r/min、焊接速度56 mm/min時，界面處IMCs厚度為0.5 μm，接頭的強度達到最大值246 MPa，達到鋁合金母材強度的90%。T.Tanaka等人[33]采用FSW實現了7075鋁合金與中碳鋼的對接，研究發現界面處IMCs隨著轉速的增加逐漸增厚，而接頭的強度隨著IMCs增厚呈指數的形式降低。當轉速500 r/min、焊接速度100 mm/min時，界面處IMCs厚度為0.1 μm，接頭的強度達到最大值333 MPa。Lan Shuhuai等人[25]研究了工藝參數對6061鋁合金/TRIP780鋼FSW對接接頭反應層IMCs分布的影響，如圖8所示。較高的轉速與較小的偏置量促使IMCs增厚，這主要是由于較高的轉速提高界面溫度，加速合金元素的擴散，同時為IMCs的形核與生長提供更多的能量。較小的偏置量導致更多的鋼屑進入攪拌區，為冶金反應提供更多的Fe原子。但是，界面處IMCs隨著焊接速度的增加而減少。因此，合理調整工藝參數，控制界面處的熱輸入與溫度，獲得少量IMCs分布的高質量接頭。此時，鋁/鋼異質金屬FSW對接接頭的連接機制為機械咬合與冶金結合。

　　3 鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊

　　鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊(friction stir lap welding， FSLW)時，被焊材料的相對位置與攪拌針的下壓量是影響鋁/鋼焊接質量的關鍵因素。通常鋁板置于上方，有利于材料的塑性流動、焊縫成形，同時減小攪拌頭的磨損[34-35]。若鋼板置于上方，鋼板攪拌區的溫度高于鋁合金的熔點，鋁合金發生熔化，無法實現鋁/鋼高質量連接，其搭接方式，如圖9所示[18]。