钢铝搅拌摩擦焊搭接接头的机械结合与冶金结合方式.pdf

第 5 1 卷第 1 6期 20 1 5 年8 月 机械工程学报 J OURNAL 0F MECHANI CAL E NGI NE E RI NG V_0 1 ． 51 Aug． NO． 1 6 2 0 1 5 DoI l 0 ． 3 90 1 ／ J M E． 2 01 5 ． 1 6． 1 0 6 钢铝搅拌摩擦焊搭接接头的机械结合 与冶 金结合方式木 立三 日口／ 丁 二 I 林健赵海峰 雷永平赵 种 吴中伟 北京工业大学材料科学与工程学院北京 1 0 0 1 2 4 摘要为了在汽车制造业中实现节能环保的目的，铝合金在车身材料中的应用是实现汽车结构轻量化的重要途径。然而， 钢／ 铝异 种材料的连接问题尚未得到解决。考虑采用搅拌摩擦焊方法连接钢／ 铝异种材料，通过控制搅拌针的压入量，获得两种不同 结合方式的接头一种是搅拌针进入钢材中，形成机械 冶金结合的接头；另一种是搅拌针不进入钢材中，仅通过热传递的 方式将摩擦热量传输到钢／ 铝冶金界面上形成冶金结合的接头。对形成的异种材料接头进行剪切测试和连接界面观察。研究 结果表明，钢板上的镀锌层对钢／ 铝接头的形成具有重要影响。在机械 冶金结合的接头中，钢／ 铝之间的冶金界面层较厚，主 要由 A l 、z n元素组成；而在冶金结合接头中，界面层的厚度仅为 2 ～3岬1 ，且主要由F e 、A l 元素组成，并对影响接头强度 的影响因素进行探讨。 关键词钢／ 铝异种材料接头；搅拌摩擦焊；接头强度；失效模式；界面层 中图分类号T G 4 0 M e c ha n i c a l a n d M e t a l l u r g i c a l Bo n d i n g i n Fr i c t i o n S t i r W e l d i n g J o i n t o f S t e e 1 ． a l umi nu m Di s s i mi l a r M a t e r i a l s LI N J i a n ZHAO Ha i f e ng LEI Yo ng pi n g ZHAO Ch o n g U Zh o n g we i C o l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， B e ij i n g U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， B e ij in g 1 0 0 1 2 4 Ab s t r a c t I n o r d e r t o s a v e t h e f u e l c o n s u mp t i o n a n d r e d u c e t h e p o l l u t i o n ， a l u mi n u m a l l o y i s o n e o f the mo s t a c c e p t a b l e ma t e ria l s f o r we i g h t r e d u c t i o n i n v e h i c l e b o d y a s s e mb l y ． Ho w e v e r , h o w t o j o i n a l u mi n um a l l o y s a n d s t e e l s i s a n u n s o l v e d p r o b l e m． F r i c t i o n s t i r we l d i n g i s t r i e d t o j o i n a l u mi n um a l l o y and z i n c c o a t e d s t e e 1 ． T h e s t e e l - a l u mi n u m d i s s i mi l a r m a t e ri a l s l a p j o i n t s a r e manu f a c t u r e d b y f r i c t i o n s t i r we l d i n g i n t wo wa y s ．On e i s t h a t the p i n i s p r e s s e d i n t o the s t e e l ma t e ria l t o c a u s e a me c h an i c a l an d me t a l l u r g i c a l b o n d i n g b e tw e e n t h e d i s s i mi l a r ma t e ri a l s ． An o t h e r i s tha t o n l y a me t a l l u r g i c a l b o n d i n g b e tw e e n the d i s s i mi l ar ma t e ri a l s i s f o r me d b y t h e h e a t fl o w f r o m t h e f r i c t i o n o f the t o o l and the a l um i n um me ri a 1 ． T h e l apj o i n t s a r e s h e ar t e s t e d a n d t h e i n t e rf a c e b e twe e n s t e e l and a l u mi n um ma t e ri a l s a r e o b s e r v e d ． I t i s s h o wn t h a t t h e z i n c c o a t i n g o n the s t e e l p l a t e h a s a n o b v i o u s e ff e c t o n t h e j o i n t f o r mi n g b e tw e e n s t e e l an d a l um i n um a n d the r e i s a l l o b v i o u s d i ff e r e n c e i n s h e ar s t r e n g t h a n d i l u r e mo d e b e tw e e n me t a l l urg i c a l and me c h a n i c a l - me t a l l u r g i c a l b o n d i n g j o i n t s ． I n me c h ani c a l 一 ，me t a l l urg i c a l b o n d i n g j o i n t ， the i n t e rf a c e l a y e r b e t we e n s t e e l a n d a l u mi n u m ma t e ri a l s i s t h i c k and c o mp o s e d o f a l um i n um ， z i n c p h a s e w h i l e i n me t a l l u r g i c a l b o n d ing j o i n t ， t h e thi c k n e s s o f i n t e r f a c e l a y e r i s a b o u t 2 - 3 Ix m a n d i t i s ma inl y c o mp o s e d o f t h e i n t e r me t a l l i c c o mp o u n d o f F e A I ． An d the f a c t o r s i n fl u e n c i n g j o i nt s tr e n g t h a n d f a i l ure mo d e o f s t e e l - a l u mi n um f r i c t i o n s t i r we l d i n g j o i n t a r e a l s o i n v e s t i g a t e d ． Ke y wo r d s s t e e l ／ A1 d i s s i mi l ar ma t e ri a l s j o i n t ；f r i c t i o n s t i r w e l d i n g ；j o i n t s tr e n g t h ；f a i l ure mo d e ；i n t e rf a c e l a y e r 0 前言 汽车的轻量化制造是近 2 0年汽车制造业的研 国家 自然科 学基金 5 1 0 0 5 0 0 4，5 1 2 7 5 0 0 6 、北京市 自然科 学基金 3 1 3 2 0 0 6 和北京市教委项 目科研 面上 K M2 0 1 2 1 0 0 0 5 0 0 1 0 资助项 目。 2 0 1 4 0 9 0 9收到初稿，2 0 1 4 1 2 1 5收到修改稿 究热点之一，主要通过减轻车体的重量来达到节约 能源和减少有害气体排放的 目的。研究结果表明， 汽 车整体质量每减 小 1 ％，可使油耗降低 0 ． 6 ％～ 0 ． 8 ％，并减少 1 ％的有害气体排放【 J 】 。 在车身材料 中采用铝合金板材部分替代 或全 部替代 传统钢材是减轻车身重量的有效途径之一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 8月 林健等钢铝搅拌摩擦焊搭接接头的机械结合与冶金结合方式 铝合金的密度仅为传统钢材 的 1 ／ 3 ， 而其板材的强度 可与一般低碳钢板的强度相当；铝合金可在碰撞过 程中比钢材多吸收 5 0 ％的能量，且无须进行防锈处 理【 j 。铝合金的引入可在保证车体强度 的前提下， 大大减轻汽车车身的总体重量。 铝合金与传统钢材之 间的异种材料连接问题是 目前铝合金在汽车车身应用研究中急需解决的热点 问题之一。 近年来 国内外研究学者针对钢／ 铝异种材 料 的连接 问题开展了许多有益的探索，其中搅拌摩 擦焊方法 由于具有热输入低、无熔化缺 陷等优点， 有望在钢／ 铝异种材料的连接 中获得应用。 西北工业大学 XI O NG 等p 采用搅拌摩擦焊连 接 了 1 1 0 0 铝合金和 1 C r l 8 Ni 9 T i 不锈钢的搭接接头， 接头处的金属间化合物厚度为 2 1 。西安交通大学 Z H ANG 等 研究了钢／ 铝异种材料 的搅拌摩擦钎焊 方法 ，研究结果表明，金属间化合物的厚度随着焊 接速度的增大而减小。兰州理工大学的王希靖等 研究 了纯铝与D P 6 0 0 镀锌钢板搅拌摩擦焊搭接接头 的接头特征。韩国的 B ANG等 J 采用 T I G焊与搅拌 摩擦焊复合焊接 S T S 3 0 4 不锈钢和 A1 6 0 6 1 T 6 铝合金 的对接接头。T A NA KA等 J 研究 了搅拌摩擦点焊方 法 ，搅拌针不进入钢材，仅靠热传导将热量传到钢／ 铝界面上 ，焊后界面处几乎不形成金属间化合物。 由此可见，目前的研究主要集中在钢／ 铝异种材 料搅拌摩擦焊 的焊接工艺及界面层的观测上 ，对于 钢／ 铝异种材料搅拌摩擦焊形成连接 的机 理还缺乏 系统而深入的研究 。 本论文针对钢／ 铝异种材料的搅 拌摩擦焊结合机理展开研究 ， 探讨钢／ 铝异种材料在 不同工艺条件下的结合方式，比较不同结合方式下 的接头剪切强度、 破坏模式及界面层显微结构特点， 并研究了钢材表面上的镀锌层对异种材料接头结合 方式的影响。 1 试验设计 1 ． 1 试样的材料及外形尺寸 钢／ 铝异种材料的搅拌摩擦焊试验在试板上进 行 。采用两种钢板 ，一种为冷轧低碳钢板，另一种 为热镀锌低碳钢板 ，厚度均为 1 ． 2 mm。铝板采用 6 0 6 1 一 T 6铝合金 ，厚度为 2 r n n l 。搅拌摩擦焊采用搭 接接头 ，搭接 宽度为 1 5 mi l l 。试板 的尺寸为 1 4 0 n l l n 1 2 5 l l I 1 T I ，搅拌摩擦焊沿着试板的长边进行 。 试板的搅拌摩擦焊采用搅拌摩擦焊设备进行 。 搅拌头的轴肩直径为 1 0 ml n ，搅拌针为圆台形，圆 台的上、下端面直径分别为 3 mlT l 和 3 ． 5 n l l n 。 1 ． 2 形成机械结合 冶金结合的试验设计 为 了在钢／ 铝之间形成机械结合和冶金结合方 式 同时存在的连接接头 ，在搅拌摩擦焊过程 中，通 过增大搅拌摩擦焊机 的下压量将搅拌针通过铝板与 钢板的界面 ，压入钢材中，如 图 1所示，搅拌针的 长度为 2 ． 1 I m ，搅拌头的下压量 A h为 2 ． 3 5 r n l T l ， 轴肩 的下压量 A h l 为 0 ． 5 6 ml T l 。通过该种方式，搭 接接头中的钢材被搅拌针带动，从而进入位于接头 上方的铝合金中，形成机械结合。 5 。 f 轴肩 广 ／ 搅 拌 针 卜 r ～ J 铝 板 ／ 司 ／ ＼／ ／ ] 同 ● 一 ． 、 搅拌头行进方向 图 1 搅拌针进入钢材的搅拌摩擦焊方式 方式 1 1 ． 3 形成冶金结合的试验设计 通过改变搅拌针的长度，可以使得搅拌针仅在 铝板一侧搅拌，而不通过两种材料的界面，如 图 2 所示 ，搅拌针 的长度为 1 ． 6 5 n l l T l ，搅拌头的下压量 A h为 1 ． 9 1 ml i 1 ，轴肩的下压量 A h l 为 0 ． 5 6 n l t n 。由 此，搅拌头与铝板摩擦产生的热量通过铝板传递到 钢／ 铝材料 的界面上 ， 进而使得钢／ 铝异种材料在热力 共同作用下，形成冶金结合。 5 。 厂～ 黼 搅 拌 针 卜 ～ ／ 司 、L ／1 f ＼ I 』 钢 板 搅拌头行进方向 图 2 搅拌针仅在铝板 一侧工 作的搅拌摩擦焊方式 方式 2 2 试验结果 2 ． 1 连接接头的宏观形貌 试验结果表 明，在这两种连接方式的作用下， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 8 月 林健等 钢铝搅拌摩擦焊搭接接 头的机械 结合 与冶 金结合方式 度呈上升的趋势，如图 1 1中的 “ ”所示。分析认 为，随着轴肩下压量的增大，轴肩的摩擦产热量持 续增大， 进而提高了钢／ 铝冶金反应界面层处的温度 值 ，使得冶金反应层的宽度增大，如 图 1 1的 “ O ” 所示，即增大了钢／ 铝之间界面 的钎合面积，提高了 接头的承载面积和承载能力 。 宕 { 啮 恒 m 轴肩下压量 ／ mm 图 1 1 轴肩下压量对接头承载能力和界面层 宽度 的影 响 冶 金结合接头1 由此可见，对于不 同结合方式的接头而言，影 响接头剪切强度的因素也是不一样的影响机械 冶金结合接头剪切强度的重要因素是焊接速度 ；而 影响冶金结合接头剪切强度的则是轴肩下压量 。这 些影响因素对接头剪切强度的作用机制还需要进一 步开展系统的研究。 4 结论 1 在钢／ 铝搅拌摩擦焊的搭接接头中，通过控 制搅拌针的下压量，可以获得两种不 同结合方式的 接头 。 2 钢板上的镀锌层对接头 的形成过程及破坏 方式存在着 以下影响采用机械 冶金的结合方式， 镀锌钢板和无镀层的钢板均可以与铝板形成有效连 接，剪切载荷作用下 ，接头破坏发生在铝合金上； 采用冶金结合方式时，仅有镀锌钢板可以与铝板形 成有效连接接头，接头破坏发生在界面层 。 3 机械 冶金结合接头 的冶金 结合层相对较 厚 约为 1 8“ m ， 冶金结合层中主要为 A1 。 Z n共析组 织和 A1 在 Z n中的固溶体组织；冶金结合接头中， 冶金结合层相对较薄 约为 2 r t m ，其中的 z n元素 较少，甚至在搅拌针作用区处观察不到 Z n元素的 存在 。 4 影响机械 冶金结合接头剪切强度 的重要 因素是焊接速度；而轴肩下压量则是影响冶金结合 接头剪切强度的重要因素。 参考文献 [ 1 ]B E NE D Y K J C． L i g h t me t a l s i n a u t o mo t i v e a p p l i c a t i o n s [ J ] ． L i g h t Me t a l A g e ，2 0 0 0 ，1 0 1 3 4 3 5 ． [ 2 ]张宇，朱平，陈关龙，等．基于有限元法的轿车发动机 罩板轻量化设计[ J ] ． 上海交通大学学报 ，2 0 0 6 ，4 0 1 1 6 3 ． 1 6 6 ． ZHANG Yu ， ZHU P i n g， CHE N Gu a n l o n g ， e t a 1 ． Th e l i g h t we i g h t d e s i g n o f b o n n e t i n a u t o b o d y b a s e d o n fin i t e e l e me n t me t h o d [ J ] ． J o u r n a l o f S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，2 0 0 6 ，4 0 1 1 6 3 1 6 6 ． [ 3 ]龙江启，兰风崇，陈吉清． 车身轻量化与钢铝一体化结 构新技术的研究进展[ J ] ． 机械工程学报，2 0 0 8 ，4 4 6 27 ． 3 5． LONG J i a n g q i ，LAN F e n g c h o n g ，CHEN J i q i n g ．Ne w t e c h n o l o g y o f l i g h tw e i g h t a n d s t e e l - a l u mi n u m h y b rid s t r u c t u r e c a r b o d y [ J ] _C h i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 0 8 ，4 4 6 2 7 3 5 ． [ 4 】钟长艺， 余本善．钢铝一体化车身框架结构关键技术及 最新进展 [ J ] ． 机 械设计与制造 ，2 0 1 2 1 2 5 1 2 5 3 ． ZHONG Ch an g y i ， YU Be n s h an ．Ke y t e c hn o l o gy f o r s k e l e t o n s t r u c t u r e o f a u t o mo b i l e b o d y wi th s t e e l a n d a l u mi n u m i n t e r g r a t i o n a n d l a t e s t d e v e l o p me n t [ J ] ． Ma c h i n e r y De s i gn Ma n u f a c t u r e ，2 0 1 2 1 2 5 1 - 2 5 3 ． 【 5 ]XI ONG J T ，L I J L，Q I A N J W，e t a 1 ． Hi g h s e n g th l a p j o i n t o f a l u mi n i u m and s t a i n l e s s s t e e l s f a b ri c a t e d b y f ri c t i o n s t i r w e l d i n g wi t h c u t t i n g p i n [ J ] ．S c i e n c e a n d T e c hno l o gy o f We l d i n g a n d J o i n i n g ，2 0 1 2 ， 1 7 3 1 9 6 201 ． [ 6 ]Z HA NG G F ，S U W，Z H ANG J X，e t a 1 ． F ri c t i o n s t i r b r a z i n g ． A n o v e l p r o c e s s for f a b ric a t i n g A1 ／ s t e e l l a y e r e d c o m p o s i t e and for d i s s i mi l a r j o i n i n g o f A1 t o s t e e l [ J ] ． Me t a l l u r g i c a l and Ma t e r i a l s T r a n s a c t i o n s A P h y s i c a l Me t a l l urg y a n d Ma t e r i a l s S c i e n c e， 2 0 1 1， 4 2 9 2 8 5 0 ． 2 8 6 1 ． [ 7 】王希靖，申志康， 张忠科．铝和镀锌钢板的搅拌摩擦焊 搭接分析[ J ] ． 焊接 学报 ，2 0 1 1 ，3 2 1 2 9 7 - 1 0 0 ． WANG Xij i n g ， S HE N Z h i k a n g ， Z H ANG Z h o n g k e ． S t u d y o f f r i c t i o n s t i r - we l d e d l a p j o i n t o f a l u mi n u m a n d z i n c - c o a t e d s t e e l [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n a We l d i n g I n s t i tut e ，2 0 1 1 ，3 2 1 2 9 7 - 1 0 0 ． [ 8 】B A NG H，B A NG H，J E O N G，e t a 1 ． G a s t u n g s t e n a r c we l d i n g a s s i s t e d h y b ri d f r i c t i o n s t i r we l d i n g o f d i s s i m i l a r ma t e r i a l s A1 6 0 6 1 -- T 6 a l u mi n u m a l l o y an d S TS 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l [ J ] ． Ma t e ri a l s a n d D e s i g n ， 2 0 1 2 ， 3 7 4 8 - 5 5 ． [ 9 】T AN AK A K，K UMAGA I M，Y OS H I DA H． Di s s i mi l a r 7 R箍 憾泳糍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 1 2 机械工程学报 第 5 1 卷第 1 6期 j o i n i n g o f a l u mi n u m a l l o y a n d s t e e l s h e e t s b y f r i c t i o n s t i r s p o t we l d i n g [ J ] ．J o u r n a l o f J a p a n I n s t i t u t e o f L i g h t Me t a l s ，2 0 0 6，5 6 6 3 1 7 3 2 2 ． [ 1 0 】黄鹏飞，卢振洋 ，高文宁，等．钢铝异种金 属的低能量 焊接法【 J ] ． 机械工程学报 ，2 0 0 9 ，4 5 1 1 2 9 5 2 9 9 ． HUANG P e n g i ，LU Zh e n y a n g ， GAO W e n n i n g ， e t a 1 ． Lo w e n e r g y we l d i n g t e c h n o l o g y i n b o n d i n g s t e e l wi t h a l u mi n u m[ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 0 9 ， 4 5 1 1 1 2 9 5 - 2 9 9 ． 【 l 1 ]石王 于 ，温俊霞，黄健康， 等． 基于旁路耦合电弧的铝钢 MI G 熔钎焊研究【 J ] ． 机械工程学报，2 0 1 1 ，4 7 1 6 25 2 9． S HI Y u， W E N J u n x i a ， HUANG J i a n k an g， e t a 1 ． S tud y o n DE-- GM AW M I G- b r a z i n g me t h o d f o r b o n d i n g s t e e l wi t h a l u mi n u m[ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 1 ， 4 7 1 6 2 5 2 9 ． 作者简介林健 通信作者 ，男，1 9 7 9年出生，博士，副教授 。主要研 究方向为汽车车身的轻量化。 E - ma i l l i a n b j u t ． e d u ．c n 上接第 1 0 5页 [ 8 2 ]S WI A T O NI O WS K I A ， T HO MS O N P E D y n a mi c phe no me na i n r o l l i n g mi l l r e s u l t i n g f r o m va r i o us a s y m me t r i e s i n t h e p l a s t i c d e f o r mat i o n p r o c e s s [ C ] ／ ／ As i a P a c i fi c Vi b r a t i o n Co n f e r e n c e ，Au s t r a l i a ， 1 9 9 1 ，2 6 1 1 - 7 ． [ 8 3 ]J A F A RI A A．As y mme t r i c a l r o l l i n g a n d s e l f - e x c i t e d v i b r a t i o n i n a h o t r o u g h i n g mi l l [ D ] ．Wo l l o n g o n g Un i v e r s i t y o f W o l l o n g o n g ， 1 9 9 4 ． [ 8 4 】G AO H，R A MAL I NG AM S C，B AR BE R G C，e t a 1 ． An a l y s i s o f a s y mme t r i c a l c o l d r o l l i n g wi t h v a r y i n g c o e ffic i e n t s o f f r i c t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，1 2 4 1 1 7 8 1 8 2 ． [ 8 5 】T Z O Y G Y R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f ri c t i o n a l c o e ffic i e n t a n d f r i c t i o n a l f a c t o r i n a s y mme t r i c a l s h e e t r o l l i n g [ J ] ． J o u rn a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c hn o l o g y， 1 9 9 8， 8 6 1 3 、 2 7 1 2 7 7 ． [ 8 6 ]T UNG A C E Un s t e a d y l u b ri c a t i o n i n me t a l f o r mi n g p r o c e s s e s [ D ] ． E v a n s t o n ，I LN o r t h we s t e m Un i v e r s t i y ， 】 9 98 作者简介郜志英，女，1 9 7 9年出生，副教授 。主要研究方向为轧机动 力学和非线性动力学。 E ma i l g a o z h i y i n g me ．u s t b ． e d u ．c n 臧勇 通信作者 ，男，1 9 6 3年出生，教授，博士研究生导师。主要研究 方向为机械动力学和塑性加工。 E ma i l y z a n g u s t b ．e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m