在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶制造等工業(yè)中，為了減輕重量、節(jié)約能源、降低成本、滿足不同的工作條件, 異種材料的焊接技術(shù)日益受到人們的重視[1]。利用鋁及鋁合金密度小(大約是鋼的1/3)，耐腐蝕性、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電性好的優(yōu)勢(shì)，用鋁合金代替鋼可以減輕結(jié)構(gòu)件的重量，在重型裝備輕量化方面具有良好應(yīng)用前景，然而如何解決鋁-鋼異種材料間的連接是決定其安全使用的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　目前，鋁-鋼的主要連接方法有熔焊中的爆炸焊[2]、激光焊 [3]、熔釬焊[4], 還有固相連接的摩擦焊[5]。通常爆炸焊接只適用于鋁-鋼復(fù)合板。采用激光焊和熔-釬焊時(shí)，由于鋁和鋼的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性能差異很大，在接頭過(guò)渡區(qū)容易形成多 種脆性的金屬間化合物，無(wú)法獲得高質(zhì)量的接頭。旋轉(zhuǎn)摩擦焊焊接鋁-鋼又只適用于柱形材料，接頭受限制。以上各種方法都難以保證制備出質(zhì)量良好的鋁-鋼焊接 接頭，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

　　攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一種新型的固相連接方法，具有高效、環(huán)保、熱變形和殘余應(yīng)力小等綜合優(yōu)點(diǎn)[6]。它是利用攪拌頭和工件之間的摩擦熱，一般低于母材的熔點(diǎn)，因此 焊接過(guò)程中工件沒(méi)有熔化，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，能夠有效避免氣孔、裂紋等組織缺陷。此外，攪拌摩擦焊基本不受材料物理化學(xué)性能、機(jī)械性能及晶體結(jié)構(gòu)等因 素的影響，對(duì)克服不同材料性能差異帶來(lái)的焊接困難具有極大的優(yōu)勢(shì)[7]，因此在異種金屬連接中具有廣闊前景，相關(guān)機(jī)理研究也越來(lái)越受到重視。本文將從工藝、組織、性能三分面分析鋁-鋼攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀。

　　1鋁-鋼工藝過(guò)程及參數(shù)

　　1.1攪拌頭

　　在攪拌摩擦焊中，攪拌頭的尺寸和形狀對(duì)焊縫成形質(zhì)量和金屬流動(dòng)有重要的影響。在鋁-鋼的攪拌摩擦焊過(guò)程中，由于鋼的硬度較大，且熔點(diǎn)為1500℃ 左右，因此對(duì)攪拌頭的材料提出了更高的要求，即具有良好的耐高溫及耐磨性以提高攪拌頭的使用壽命。合適材料的攪拌頭能夠增加摩擦，提高熱量的輸入，有利于 焊縫金屬塑化和提高焊接質(zhì)量。據(jù)文獻(xiàn)顯示，可用作鋁-鋼攪拌摩擦焊的攪拌頭材料很多, 如熱處理的工具鋼[8]、模具鋼[9,10,11]、鎳基合金[12]、wc-co合金鋼[13]等。安井利明[14]等還采用了兩種材料組合的攪拌頭：軸肩采用模具鋼，探針材料為wo -co合金鋼，有效地提高了攪拌頭的耐磨性和產(chǎn)熱量。

　　1.2 工藝參數(shù)

　　一般來(lái)講，攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)主要有攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n，焊接行進(jìn)速度v和軸肩下壓量。由于異種材料在熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率方面的巨大差異，為了避免 攪拌頭的大量磨損并保證材料可以充分融合在一起，鋁-鋼為對(duì)接接頭時(shí)，焊接工藝參數(shù)還包括探針相對(duì)焊接接縫的偏移量Δx。

圖1為探針偏移量示意圖

　　的工藝參數(shù)能夠?yàn)楹讣�提供適當(dāng)?shù)臒彷斎�，得到表面成形良好，�?nèi)部無(wú)缺陷的焊接接頭。由于鋁-鋼的物理性能相差太大如表1所示，因此選擇合適參數(shù)實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的 可靠連接是非常困難的，尤其是厚板的參數(shù)選擇，因?yàn)楹癜鍞嚢枘Σ梁笢囟确植肌⑺苄粤鲃?dòng)及成形機(jī)理與薄板有很大不同。攪拌摩擦焊中，在忽略攪拌頭與工件的摩 擦熱的情況下，熱輸入可表示[14]：

　　其中，q：焊接熱輸入量，μ：摩擦系數(shù)，P：垂直壓力，r：軸肩半徑，n：旋轉(zhuǎn)速度，v：行進(jìn)速度。其中熱量的輸入主要取決于旋轉(zhuǎn)速度(n)和行進(jìn)速度(v)的比值。

　　一般來(lái)講，在適當(dāng)范圍內(nèi)提高旋轉(zhuǎn)速度或者降低行進(jìn)速度時(shí)，增加焊縫的熱輸入量，有利于焊縫材料塑化, 在少的下壓量就可以得到質(zhì)量良好的接頭。但如果n/v的值過(guò)大，熱輸入接近材料的熔點(diǎn)，易致焊縫金屬過(guò)于塑化，影響了焊縫金屬的流動(dòng)，不能形成良好接頭。 研究結(jié)果表明，提高熱輸入時(shí)會(huì)增加鋁鋼金屬間化合物層厚度，明顯降低焊接接頭性能[14]。另外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低或者行進(jìn)速度較大時(shí)，焊縫區(qū)熱輸入較小， 攪拌針周?chē)�材�?尤其鋼側(cè))沒(méi)有充分塑化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的攪拌摩擦焊接，可能出現(xiàn)“吻接”缺陷。目前鋁-鋼攪拌摩擦焊研究中，主要的工藝參數(shù)如表2�？� 以看到，在對(duì)接焊中，隨焊件厚度的增加，工藝參數(shù)選擇范圍變窄，n/v 的值一般取10左右。相比于對(duì)接接頭, 搭接接頭的工藝參數(shù)范圍選擇較寬。

　　1.3材料的放置位置

　　異種材料攪拌摩擦焊對(duì)接接頭中, 影響焊縫質(zhì)量的還有焊接工件的相對(duì)位置[23]，攪拌摩擦焊前進(jìn)邊和返回邊的溫度不同，哪個(gè)方向溫度高還沒(méi)有定論，因此導(dǎo)熱率相差大的異種材料相對(duì)位置對(duì) 焊縫質(zhì)量有著重要的影響。一般認(rèn)為將熔點(diǎn)較高的金屬放在溫度高的一側(cè)更有利于金屬的塑化和流動(dòng), 獲得理想的接頭，否則會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)材料熔化，影響金屬流動(dòng)，而高熔點(diǎn)的焊件卻沒(méi)有達(dá)到塑化狀態(tài)，嚴(yán)重降低接頭的質(zhì)量。在鋁-鋼的攪拌摩擦焊試驗(yàn)中，一般將 鋼放在前進(jìn)邊，而鋁置于返回邊時(shí)更易獲得成形良好的接頭。FUKUMOTO[13]對(duì)此進(jìn)行了解釋：攪拌摩擦中，塑性金屬隨攪拌針運(yùn)動(dòng)而流動(dòng)，若把鋼置于 前進(jìn)邊，鋁置于返回邊，塑性狀態(tài)的鋁沿著攪拌針流動(dòng)到已塑化的鋼中，保證二者充分反應(yīng)融合，從而形成良好接頭(圖2a)。反之，塑化的鋁隨攪拌頭進(jìn)入到未 塑化的鋼中，鋁合金需要克服更大的阻力和鋼混合，在攪拌摩擦焊中，塑化金屬流動(dòng)性能的好壞直接決定著接頭質(zhì)量的好壞，因此不能形成良好的接頭(圖2b)。 與此不同，南昌航空大學(xué)邢麗教授[12]進(jìn)行了鋁-鋼的攪拌摩擦焊研究，發(fā)現(xiàn)鋼在返回邊，鋁在前進(jìn)邊更能得到質(zhì)量良好的接頭，分析認(rèn)為攪拌摩擦焊過(guò)程中， 返回邊探針周?chē)�塑化金屬的變形方向與焊核區(qū)金屬流動(dòng)一致，前進(jìn)邊探針周?chē)�塑化的母材金屬的變形方向與焊核區(qū)金屬受壓的變形方向相反。對(duì)于搭接接頭，一般是 把鋼置于鋁的下側(cè)[10,19]。

　　總 之，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，物理、化學(xué)性能差異較大的鋁-鋼能夠焊接，但可選工藝參數(shù)范圍較小。對(duì)接接頭中，通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、偏移距離以及材料 的放置位置, 可以提高接頭的質(zhì)量，鋁-鋼攪拌摩擦焊所需n/v在10左右，鋼置于前進(jìn)邊時(shí), 鋁-鋼更易連接，搭接接頭中，采用合適的工藝參數(shù)可以得到質(zhì)量良好的接頭。

　　2接頭的力學(xué)性能

　　2.1拉伸性能

　　在鋁-鋼的攪拌摩擦焊中，對(duì)接接頭的拉伸強(qiáng)度較母材差距不是很大，在合適的工藝參數(shù)下拉伸強(qiáng)度甚至高于母材。拉伸斷裂一般發(fā)生在焊核和鋼側(cè)熱機(jī)影響交界面處，由于產(chǎn)生了硬脆性的金屬間化合物，因此一般以脆性斷裂為主。

　　接頭中硬脆性金屬間化合物的含量直接影響著接頭的強(qiáng)度[17]，接頭拉伸強(qiáng)度隨金屬間化合物厚度的增長(zhǎng)而降低。金屬間化合物的形成和焊接熱輸入有 緊密的聯(lián)系，熱輸入增大加速脆性化合物的形核和長(zhǎng)大，提高了鋁-鋼交界面脆性化合物的含量，最終降低接頭的拉伸性能，如圖3所示。

　　此 外, 接頭強(qiáng)度與微觀組織間也存在很大關(guān)系，晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高。鋁-鋼攪拌摩擦焊攪拌針主要偏向鋁側(cè)，焊核區(qū)鋁側(cè)受到攪拌摩擦焊的熱機(jī)作用，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié) 晶，形成細(xì)小等軸晶粒, 強(qiáng)度很高，而鋼側(cè)導(dǎo)熱率低且熔點(diǎn)較高，固相線較鋁高很多，因此在接頭處只進(jìn)行了元素的擴(kuò)散和金屬元素之間的反應(yīng)，生成脆性物，強(qiáng)度較低，如圖4所示。

　　鋁 -鋼攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度因金屬間化合物的存在而降低，如何減少化合物的含量或者采用韌性較好的金屬間化合物已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)脆性化合物的形成 特點(diǎn)和性能，一方面可通過(guò)控制熱輸入量，使得溫度在鋁-鋼共晶溫度之下，但可能會(huì)影響焊件的塑性流動(dòng)。另一方面可在焊件間添加第三種材料或合金元素來(lái)改善 接頭的強(qiáng)度[24]。

　　2.2顯微硬度

　　如圖5所示，對(duì)接接頭焊核區(qū)的平均硬度比母材都高且分布不均勻，這是因?yàn)楹缚p中金屬間化合物分布不均勻，金屬間化合物存在的地方硬度遠(yuǎn)比母材高。

　　在鋼側(cè)TMAZ區(qū)的硬度比母材要高，鋁側(cè)母材的TMAZ硬度比鋁合金要低，而熱影響區(qū)硬度較母材有所降低，具有軟化趨勢(shì)，其原因可能是焊接過(guò)程中熱循環(huán)作用下組織發(fā)生了變化[20]，鋁-鋼硬度峰值出現(xiàn)在焊接接頭中部。搭接接頭硬度還沒(méi)有相關(guān)研究。

　　綜上所述，由于鋁-鋼攪拌摩擦焊中存在缺陷和硬脆金屬間化合物，接頭強(qiáng)度有所降低，焊縫區(qū)硬度分布不均且局部較高，接頭硬度峰值出現(xiàn)在接頭中部的熱影響區(qū)。

　　3 微觀組織

　　焊接過(guò)程伴隨著熱量的傳導(dǎo)，焊接接頭及母材由于輸熱量的不同而發(fā)生著組織的變化。對(duì)接接頭中，根據(jù)組織成分的不同，鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭可以劃分 7個(gè)區(qū)域，即鋼母材(BM)、鋼側(cè)熱影響區(qū)(HAZ)、鋼側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、焊核(WNZ)、鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、鋁側(cè)熱影響區(qū) (HAZ)、鋁母材(BM)[19]，如圖6所示。

　　在 鋁-鋼攪拌摩擦焊對(duì)接接頭橫截面鋁側(cè)存在明顯的洋蔥環(huán)流動(dòng)形式，鋼在焊核區(qū)不規(guī)則分布，有著明顯的界面。搭接接頭沒(méi)有明顯的洋蔥環(huán)和熱機(jī)影響區(qū)，由細(xì)小等 軸晶粒組成。熱機(jī)影響區(qū)由于受塑性流動(dòng)和熱的雙重作用，鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)晶粒鋁母材晶粒拉長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)90°，而鋼側(cè)由牙尖型拉長(zhǎng)晶粒組成，熱影響區(qū)的晶粒相對(duì)焊 核區(qū)較大些。無(wú)論是在對(duì)接還是在搭接中，鋁-鋼攪拌摩擦焊母材與焊核之間都發(fā)生了元素的遷移。由于鋁原子活性比鐵原子相對(duì)活躍，鋁向鋼側(cè)遷移相對(duì)充分。受 攪拌針的激烈攪拌擠壓力，焊核中存在很多鋼的碎片，鋼在鋁中溶解度極小，室溫下幾乎不溶于鋁中，但鋼和鋁不但能形成固溶體，還可以形成金屬間化合物，在鐵 中的鋁都形成了金屬間化合物FeAl3 等[18]，因此這對(duì)接頭性能產(chǎn)生不利影響，而搭接接頭，使用鍍鋅鋼和鋁焊接能減少鋁鐵之間的反應(yīng)，提高接頭的性能[16]。

　　在對(duì)接接頭中，由于鋁-鋼熔點(diǎn)的差異，在不同攪拌頭攪拌力和熱輸入作用下，焊核兩側(cè)呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)。鋼側(cè)與焊核有明顯的界限且界面為曲線型，而鋁側(cè)則在攪 拌針作用下完成動(dòng)態(tài)結(jié)晶，焊核與鋁母材沒(méi)有明顯的界限，對(duì)接接頭焊核主要在鋁側(cè)，焊核中心由再結(jié)晶的鋁和斷碎的鋼組成, 還觀察到了漩渦狀的流動(dòng)形態(tài)[20]。鋁-鋼的攪拌摩擦搭接接頭焊核區(qū)兩側(cè)，鋼在鋁合金母材形成了形似“鉗子”或彎鉤狀的分布，鋼如同鉗子緊抓住焊核鋁合 金[12]，如圖7。

　　焊核區(qū)主要是層狀接頭，在焊核縱截面可觀察到 “鋸齒”形狀[18]，如圖8。

　　在溫度和攪拌力的作用下，鋁沿著攪拌頭向后遷移，而塑化的鋼沿著攪拌頭向上運(yùn)動(dòng), 隨著攪拌頭向前移動(dòng)，塑性狀態(tài)的鋁鋼就會(huì)向后填充空腔，與鐵形成金屬間化合物，形成“鋸齒”條紋。

　　異種金屬的攪拌摩擦焊中，由于材料物理力學(xué)性能的不同，金屬塑性流動(dòng)形態(tài)不一樣，從而動(dòng)態(tài)結(jié)晶程度不同。如焊核區(qū)，鋼主要以碎顆粒存在，而鋁則發(fā) 生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒比較細(xì)小。熱輸入量的大小及冷卻速率直接影響著金屬的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，也即與旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)速度、偏移量有關(guān)。在鋁-鋼的攪拌摩擦焊中，鋁 的熔點(diǎn)較低，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量足以使其發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但不足以使熔點(diǎn)較高的鋼發(fā)生持續(xù)的結(jié)晶。此外，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大概為鋁的1/3，使得鋼側(cè)的溫度 升高速率很慢，難以發(fā)生相變，需要更大的變形能和溫度才能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

　　在塑性狀態(tài)下焊接時(shí)，兩種材料激烈混合并呈現(xiàn)渦流狀交迭形態(tài)，在界面處能夠形成金屬鍵合[25]。鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭的金屬間化合物一般有 FeAl、FeAl3和Fe2Al5等。熱機(jī)影響區(qū)和焊核交界面處生成了金屬化合物層，金屬化合物層的厚度并不是越薄性能越好，而是在一定的范圍內(nèi)接頭的 性能才能達(dá)到最佳。攪拌摩擦焊中，工藝參數(shù)的改變對(duì)金屬間化合物的分布有著重要的影響，這直接影響著接頭斷裂的位置。

　　綜上所述，鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭由七個(gè)區(qū)組成即鋼母材(BM)、鋼側(cè)熱影響區(qū)(HAZ)、鋼側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、焊核(WNZ)、鋁側(cè)熱機(jī) 影響區(qū)(TMAZ)、鋁側(cè)熱影響區(qū)(H- AZ)、鋁母材(BM)。由于鋁-鋼流動(dòng)性能的差異，焊核區(qū)兩側(cè)呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)，焊核與鋼有明顯交界，而和鋁側(cè)交界比較光滑，在焊核處和焊核與鋼的交界面處 存在著多種金屬間化合物，其含量對(duì)接頭強(qiáng)度有很大影響。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　4.1 異種金屬鋁-鋼通過(guò)攪拌摩擦焊能夠焊接，但鋁-鋼攪拌摩擦可選的工藝參數(shù)選擇范圍較小，搭接接頭較對(duì)接接頭參數(shù)范圍要寬些，對(duì)接接頭中，通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、偏移距離以及材料的放置位置，可以提高接頭的質(zhì)量，鋁-鋼攪拌摩擦焊所需n/v 在10附近，鋼置于前進(jìn)邊時(shí)，鋁-鋼更容易連接。搭接接頭中，采用合理的工藝參數(shù)可以得到質(zhì)量良好的接頭。

　　4.2 鋁-鋼攪拌摩擦焊接頭金屬間化合物的存在降低了接頭的性能，可以通過(guò)控制熱輸入量或者加入第三種材料及添加微量元素來(lái)影響金屬間化合物的生成，提高接頭的 強(qiáng)度。接頭焊縫區(qū)硬度分布不均且局部較高，接頭硬度峰值出現(xiàn)在接頭中部的熱影響區(qū)，可能是生成了硬度值較高的金屬間化合物。

　　4.3 鋁-鋼攪拌摩擦焊由七個(gè)區(qū)組成, 即鋼母材(BM)、鋼側(cè)熱影響區(qū)(H- AZ)、鋼側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、焊核(WNZ)、鋁側(cè)熱機(jī)影響區(qū)(T- MAZ)、鋁側(cè)熱影響區(qū)(HAZ)和鋁母材(BM)。由于鋁-鋼流動(dòng)性能的差異，焊核區(qū)兩側(cè)呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，焊核與鋼有明顯交界，而和鋁側(cè)交界比較光滑， 在焊核處和焊核與鋼交界處存在多種金屬間化合物，其含量對(duì)接頭強(qiáng)度有很大的影響。