2219鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接接頭組織與力學(xué)性能

張麗娜，趙衍華，張?zhí)飩} ，何勝春 ，袁德海

（1.首都航天機(jī)械公司，北京100076；2.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

2219鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接接頭組織與力學(xué)性能

張麗娜1，趙衍華1，張?zhí)飩} 2，何勝春 2，袁德海1

（1.首都航天機(jī)械公司，北京100076；2.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

異種金屬的連接可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)及減重的目標(biāo)，成為航空航天、造船、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一；而鋁合金與不銹鋼物理化學(xué)性能差異明顯，成為異種金屬中最難實(shí)現(xiàn)的連接接頭之一。采用慣性摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行2219鋁合金與不銹鋼回轉(zhuǎn)體的連接，分析不同焊接工藝參數(shù)下鋁鋼慣性摩擦焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明，慣性摩擦焊接使鋁鋼接頭鋁合金一側(cè)形成了細(xì)晶區(qū)和拉長晶區(qū)；EDS結(jié)果顯示焊接界面處發(fā)生了Fe、Al等元素?cái)U(kuò)散。硬度測試結(jié)果表明，在連接界面處-0.6～+0.15 mm范圍內(nèi)硬度值發(fā)生了明顯的階躍變化，該區(qū)域?yàn)槭芎附訜峒白冃巫饔玫闹饕獏^(qū)域，硬度值高于母材。合理焊接工藝下獲得的2219鋁合金與不銹鋼接頭拉伸強(qiáng)度為235～300 MPa。鋁鋼慣性摩擦焊接斷口以脆性斷裂為主。

2219鋁合金；不銹鋼；慣性摩擦焊；微觀組織；力學(xué)性能

0 前言

異種金屬的連接件，尤其是力學(xué)性能優(yōu)良的金屬與輕質(zhì)、耐腐蝕金屬的連接構(gòu)件可充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢，成為工程化應(yīng)用的有效解決途徑之一。目前在航空航天、造船、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，異種金屬連接構(gòu)件可在滿足使用性能的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)及減重的目標(biāo)，由此引發(fā)重點(diǎn)關(guān)注，鋁合金與不銹鋼的構(gòu)件連接則是其中研究熱點(diǎn)之一[1-5]。

鋁合金與不銹鋼的連接已通過螺栓連接和粘接的方式實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，但這些連接方式帶來了接頭比強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)增重等不足，鋁合金與不銹鋼的焊接技術(shù)研究受到重視。由于鋁鋼物理化學(xué)性能差異較大，熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)及熔點(diǎn)等差異會(huì)導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；此外，鋁鐵平衡相圖顯示（見圖1），高溫、長時(shí)間的焊接將會(huì)產(chǎn)生大量脆性金屬間化合物（如FeAl2，F(xiàn)eAl3，F(xiàn)e2Al5等），造成接頭失效，因此采用常規(guī)的熔焊技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)兩者的連接。國內(nèi)外學(xué)者采用各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鋁鋼連接的嘗試，如電阻點(diǎn)焊[6-7]，熔釬焊[8]，激光復(fù)合焊[9-10]，擴(kuò)散焊[11]，攪拌摩擦焊[12-13]，爆炸焊[14]及摩擦焊[1-5]等。無論采用何種技術(shù)，界面處金屬間化合物的控制都是關(guān)鍵技術(shù)之一。固相焊接技術(shù)的低溫特點(diǎn)有利于金屬間化合物的控制，尤其是摩擦焊接技術(shù)不僅焊接溫度低，而且焊接時(shí)間短，更有利于鋁鋼接頭界面處金屬間化合物的控制，因此引發(fā)業(yè)界關(guān)注。S.Fukumoto[3]，Emel Taban[4]，Mumin Sahin[5]，Eder Paduan Alves[15]等人均采用摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行了鋁合金與不銹鋼的摩擦焊接研究，但大多采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊，且焊接試棒直徑多小于30 mm，主要基于實(shí)驗(yàn)室研究，大尺寸、薄壁鋁鋼構(gòu)件的連接目前鮮有報(bào)道。

圖1 鋁-鐵雙相平衡相圖[16]

本研究將采用慣性摩擦焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)直徑150 mm、壁厚6 mm的2219鋁合金與304不銹鋼薄壁回轉(zhuǎn)體的連接。2219鋁合金為Al-Cu系合金，比強(qiáng)度高、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性及低溫性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于航天制造領(lǐng)域，能有效減輕載體質(zhì)量；304不銹鋼則具有高強(qiáng)度和超韌性的特點(diǎn)。慣性摩擦焊（Inertia Friction Welding）技術(shù)具有工藝控制簡單（僅3個(gè)主要控制參數(shù)：旋轉(zhuǎn)速度、焊接壓力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、高效、綠色無污染的特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴(kuò)展。在此將重點(diǎn)分析研究2219鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能，為工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用2219鋁合金與304不銹鋼，材料化學(xué)成分及鋁、鐵熱物理性能參數(shù)如表1、表2所示。焊件在焊前根據(jù)設(shè)備需求預(yù)留加工量加工，焊后去除焊接飛邊及焊接余量，加工為直徑150 mm、壁厚6 mm的管件備用。

表1 鋁合金與不銹鋼化學(xué)成分%

表2 鋁和鐵的熱物理性能

在美國MTI公司的MODEL-300BX慣性摩擦焊機(jī)上進(jìn)行慣性摩擦焊接試驗(yàn)，分為三個(gè)階段，如圖2所示。第一階段為初始接觸階段：當(dāng)飛輪或自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，設(shè)備移動(dòng)端移動(dòng)加壓使兩個(gè)待焊部件接觸，摩擦扭矩快速增加，界面處的凈摩擦促使旋轉(zhuǎn)速度和貯存能迅速降低；消除界面處的氧化物雜質(zhì)及界面凸起等，使兩個(gè)連接件接觸良好，同時(shí)溫度升高，扭矩下降，連接界面發(fā)生塑性變形，形成塑性層。第二階段為穩(wěn)態(tài)階段：在摩擦熱力形變作用下，界面發(fā)生完全塑變，旋轉(zhuǎn)速度持續(xù)降低，軸向發(fā)生縮短，出現(xiàn)飛邊。第三階段為頂鍛階段：旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)下降，實(shí)施頂鍛，扭矩的再次增大克服了材料的冷卻硬化，同時(shí)細(xì)化晶粒；飛邊的持續(xù)產(chǎn)生帶走了界面處的氧化夾雜，同時(shí)降低了界面處的溫度，達(dá)到最大縮短量，焊接停止，頂鍛力持續(xù)至試件冷卻。

圖2 慣性摩擦焊接工藝過程[17]

慣性摩擦焊接轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持258 lb×in2不變，觀察旋轉(zhuǎn)速度和焊接壓力參數(shù)變化對(duì)接頭性能的影響。旋轉(zhuǎn)速度變化范圍1 000～2 000 r/min，焊接壓力變化范圍1 200～1 800 lb/in2。焊后采用線切割方法切取摩擦焊接頭，制成金相試樣。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相觀察分析。按照HB5143-1996《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制取整體拉伸試樣，在Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行整體接頭室溫拉伸試驗(yàn)。同時(shí)接頭還進(jìn)行EDS線掃描分析、200 g硬度加載測試及斷口分析，進(jìn)一步確定鋁鋼慣性摩擦焊接接頭的使用性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 顯微組織分析

不同旋轉(zhuǎn)速度下的接頭顯微組織如圖3所示，右圖為鋁鋼焊接界面處組織，左圖為界面鋁合金一側(cè)組織?？梢钥闯觯X合金外側(cè)晶粒（即與界面距離較遠(yuǎn)處的晶粒）發(fā)生了明顯的沿金屬流線方向拉長變形，靠近鋁鋼界面處的鋁合金則發(fā)生了晶粒細(xì)化現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)速度越高，細(xì)晶區(qū)寬度越大。這是因?yàn)樵谛D(zhuǎn)摩擦熱及剪切變形的作用下，鋁合金一側(cè)晶粒發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，同時(shí)由于鋁合金的高導(dǎo)熱率帶來的高冷卻速度使焊縫細(xì)化晶粒來不及長大形成了細(xì)晶區(qū)；旋轉(zhuǎn)速度增大，摩擦熱作用區(qū)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致細(xì)晶區(qū)的范圍增大。

圖3 不同轉(zhuǎn)數(shù)的慣性摩擦焊顯微組織

在靠近界面的鋁合金側(cè)細(xì)晶區(qū)，有一層寬約0.15～0.20 mm的次細(xì)晶區(qū)，旋轉(zhuǎn)速度超過1500r/min時(shí)可以明顯分辨。轉(zhuǎn)速2 000 r/min的試件進(jìn)一步放大金相檢測倍數(shù)后的結(jié)果如圖4所示，該區(qū)域的晶粒尺寸比鄰近的鋁合金區(qū)的晶粒尺寸大2～3級(jí)，且隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，該區(qū)域范圍縮小，分析認(rèn)為：盡管鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高，但不銹鋼熱導(dǎo)率是鋁合金的1/10，不銹鋼一側(cè)的熱拘束作用限制了該區(qū)域鋁合金的冷卻速度，使該區(qū)域的鋁合金晶粒發(fā)生長大現(xiàn)象。該區(qū)域也是焊接接頭的薄弱區(qū)域，后續(xù)力學(xué)測試表明，部分?jǐn)嗔褟脑搮^(qū)域斷開。

圖4 靠近焊接界面處的鋁合金晶粒

對(duì)2219鋁鋼慣性摩擦焊試樣成分線掃描結(jié)果如圖5所示。

圖5 EDS線掃描結(jié)果

由圖5可知，鋁合金與不銹鋼的連接界面處趨向鋁合金一側(cè)形成了一層小于1 μm的過渡層，連續(xù)但不均勻分布在焊接界面處，EDS線掃描結(jié)果進(jìn)一步顯示焊接界面處發(fā)生了Fe、Al等元素?cái)U(kuò)散。這表明慣性摩擦焊接工藝盡管具有高速、短時(shí)作用，但在旋轉(zhuǎn)摩擦熱的作用下克服了晶格原子的激活能障礙，實(shí)現(xiàn)了元素成分的擴(kuò)散，形成了一薄層金屬間化合物[1，3-5]，促使焊接界面發(fā)生有效結(jié)合，金屬間化合物層厚度主要受旋轉(zhuǎn)速度和焊接壓力工藝參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[1]指出鋁鋼摩擦焊界面處的金屬間化合物厚度為0.2～2 μm時(shí)，接頭性能達(dá)到最優(yōu)；金屬間化合物層厚度太薄，界面處材料呈類似粘接態(tài)，元素?cái)U(kuò)散不充分，接頭冶金連接較弱；太厚則脆性的金屬間化合物層惡化接頭的性能。

2.2 力學(xué)性能分析

焊后對(duì)鋁鋼慣性摩擦焊接接頭進(jìn)行硬度測試，在焊縫的上、中、下三個(gè)位置沿焊接接頭兩側(cè)方向打標(biāo)，測試結(jié)果圖6所示。2219鋁合金和不銹鋼母材區(qū)硬度值變化較小，但在連接界面處約-0.6～+0.15 mm范圍內(nèi)硬度值發(fā)生明顯的階躍變化，該區(qū)域?yàn)槭芎附訜岷妥冃巫饔玫闹饕獏^(qū)域，界面向鋁合金一側(cè)受熱影響和變形作用區(qū)域略大于不銹鋼一側(cè)。界面向鋁合金一側(cè)約0.6 mm區(qū)域?yàn)榫Я＜?xì)化區(qū)域，該區(qū)域的硬度值高于鋁合金母材，過渡層脆性金屬間化合物的形成也使其硬度值高于鋁合金母材。此外，盡管焊接溫度遠(yuǎn)低于不銹鋼的塑變和熔化溫度，不銹鋼一側(cè)仍受到了焊接熱影響作用，形成了非常窄的焊接熱影響區(qū)。

圖6 硬度分布曲線

連接區(qū)域是硬度變化最大的區(qū)域，也是應(yīng)力最集中的區(qū)域，后續(xù)拉伸測試表明，斷裂基本從該位置開裂。

鋁鋼慣性摩擦焊接接頭拉伸強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)速度工藝參數(shù)的關(guān)系如圖7所示。由圖7a可知，焊接壓力增大會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度增大，但焊接壓力繼續(xù)增大后會(huì)降低接頭性能；在相同的旋轉(zhuǎn)速度下，焊接壓力增大，摩擦扭矩增加，會(huì)導(dǎo)致鋁合金側(cè)晶粒層進(jìn)一步細(xì)化，有利于提高接頭的拉伸強(qiáng)度，但過大的焊接壓力造成金屬軸向縮短量增大的同時(shí)焊接飛邊迅速增大，而飛邊的形成帶走了焊接區(qū)的部分熱量，間接降低摩擦產(chǎn)熱作用，減少了作用于焊縫區(qū)的熱量，影響接頭的連接性能。由圖7b可知，隨著旋轉(zhuǎn)速度的提高，接頭拉伸強(qiáng)度逐漸增大，表明旋轉(zhuǎn)速度必須足夠大才能使摩擦產(chǎn)熱充分而形成有效的冶金連接。合理工藝下獲得的2219鋁合金與不銹鋼接頭拉伸強(qiáng)度值為235～300 MPa。

對(duì)慣性摩擦焊拉伸試樣進(jìn)行斷口觀察，結(jié)果如圖8所示。斷裂位置位于焊接面或鋁合金側(cè)，焊接面的斷口為亮白色，主要由層狀撕裂組成，鋁合金側(cè)的斷口呈灰色，即不銹鋼局部連接少量鋁合金，由于斷口呈現(xiàn)不銹鋼表面粘連一層較薄的鋁合金，結(jié)合前述分析判斷斷裂發(fā)生于鋁合金側(cè)靠近界面的次細(xì)晶區(qū)，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，該斷口有小而淺的韌窩存在（見圖8c）。鋁鋼慣性摩擦焊接接頭斷裂以脆性斷裂為主。

圖7 接頭強(qiáng)度與焊接壓力和旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系

圖8 拉伸試樣斷口形貌

3 結(jié)論

（1）顯微組織分析結(jié)果表明，慣性摩擦焊接使近鋁鋼界面處的鋁合金晶粒發(fā)生細(xì)化現(xiàn)象，形成細(xì)晶區(qū)，外圍的鋁合金晶粒則受旋轉(zhuǎn)變形力的作用發(fā)生沿流線方向的拉長變形；由于不銹鋼一側(cè)對(duì)界面有熱拘束作用，使靠近界面的鋁合金側(cè)形成了寬約0.15 mm的晶粒略大的次細(xì)晶區(qū)。

（2）掃描電鏡結(jié)果表明，鋁合金與不銹鋼的連接界面處趨向鋁合金一側(cè)形成了一層小于1 μm的過渡層，過渡層連續(xù)但不均勻分布在焊接界面處，EDS分析結(jié)果顯示焊接界面處發(fā)生了Fe、Al等元素?cái)U(kuò)散。

（3）2219鋁合金和不銹鋼母材區(qū)域硬度值變化較小，但在連接界面處-0.6～+0.15 mm范圍內(nèi)的硬度值發(fā)生了明顯的階躍變化，該區(qū)域?yàn)槭芎附訜峒白冃巫饔玫闹饕獏^(qū)域，硬度值高于母材。

（4）接頭拉伸強(qiáng)度隨著焊接壓力的增大先增大后下降，隨著旋轉(zhuǎn)速度的提高逐漸增大，摩擦產(chǎn)熱充分可形成有效且優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。合理工藝下獲得的2219鋁合金與不銹鋼接頭拉伸強(qiáng)度值為235～300 MPa。鋁鋼慣性摩擦焊接斷口以脆性斷裂為主。

[1]Andrzej Ambroziak，Marcin Korzeniowski，Pawel Kustron，et al.Friction Welding of Aluminium and Aluminium Alloys with Steel[J].Advances in Materials Science and Engineering，2014（1）：79-86.

[2]史春園，于啟湛.異種金屬的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]Fukumoto S，Tsubakino H，Okita K，et al.Amorphization by friction welding between 5052 aluminum alloy and 304 stainless steel[J].Scripta materialia，2000（42）：807-812.

[4]Emel Taban，Jerry E Gould，John C Lippold.Dissimilar friction welding of 6061-T6 aluminum and AISI 1018 steel：Properties and microstructural characterization[J].Materials&Design，2010，31（5）：2305-2311.

[5]Mumin Sahin.Characterization of properties in plastically deformed austenitic-stainless steels joined by friction welding[J].Materials and Design，2009（30）：135-144.

[6]Oikawa H，Ohmiya S，Yoshimura T，et al.Resistance spot welding of steel and aluminum sheet using insert metal sheet[J].Science and Technology of Weld Joining，1999，4（2）：80-88.

[7]Qiu R，Iwamoto C，Satonaka S.The influence of reaction layer on the strength of aluminum/steel joint welded by resistance spot welding[J].Materials Characterization，2009，60（2）：156-159.

[8]宋建嶺，林三寶，馬廣超，等.鋁合金-不銹鋼預(yù)涂層鎢極氬弧熔釬焊接頭的特性[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2009，19（7）：1209-1214.

[9]Sierra G，Beyre P，Beaume F D，et al.Galvanised steel to Al joining by laser and GTAW processes[J].Materials Characterization，2008，59（12）：1705-1715.

[10]雷振，秦國梁，林尚揚(yáng)，等.鋁/鋼異種金屬Nd：YAG激光-MIG 復(fù)合熱源熔-釬焊接工藝[J].焊接，2006（6）：35-37.

[11]Karfoul M K，Tatlock G J，Murray R T.The behaviour of iron and aluminum during the diffusion welding of carbon steel to aluminum[J].Journal of Material Science，2007，42（7）：5692-5699.

[12]邢麗，柯黎明，黃春明，等.鋁合金與鋼的攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（1）：29-33.

[13]Uzun H，Donne C D，Argagnotto A，et al.Friction stir welding of dissimilar Al 6013-T4 To X5CrNi18-10 stainless steel[J].Materials&Design，2005（26）：41-46.

[14]Acarer M，Demir B.An investigation of mechanical and metallurgical properties of explosive welded aluminum-dual phase steel[J].Materials Letters，2008，62（25）：4158-4160.

[15]Eder Paduan Alves，F(xiàn)rancisco Piorino Neto，Chen Ying An，et al.Experimental Determination of Temperature During Rotary Friction Welding of AA1050 Aluminum with AISI 304 Stainless Steel[J].Journal of Aerospace，2012（4）：61-67.

[16]Massalski T B，Okamoto H，Subramanian P R，et al.Binary Alloy Phase Diagrams[M].USA：ASM International，2nd edition，1990.

[17]Chaturvedi M C.Welding and Joining of Aerospace Materials[M].England：Woodhead Publishing Limited，2012：29.

Microstructure and mechanical properties of inertia friction welded joint between 2219 aluminum alloy and stainless steel

ZHANG Lina1，ZHAO Yanhua1，ZHANG Tiancang2，HE Shengchun2，YUAN Dehai1
（1.CapitalAerospaceMachineryCorporation，Beijing100076，China；2.BeijingAeronauticalManufacturing Technology Research Institute，AICC，Beijing 100024，China）

Dissimilar metal joining can achieve the goal of energy saving，economy and weight saving，and receives considerable attention in the field of aerospace，shipbuilding and railway etc.Since aluminum and steel demonstrate have different physical and chemical properties，it is difficult to gain a good joint.Inertia friction welding is used to join 2219 aluminum alloy and 304 stainless steel，and the microstructure and mechanical properties of inertia friction welded joint are analyzed under different welding parameters.The results show that the microstructure of aluminum alloy side is divided into fine-grain are and elongated-grain area.The EDX results display that diffusion of elements iron and aluminum is observed on the welding interface.The hardness test shows that the hardness makes a step change on the interface within the scope of-0.6～+0.15 mm，which is the main area affected by friction heat and deformation，and the hardness of this area is higher than that of base metal.The tensile strength of joints are from 235 MPa to 300 MPa using the optimized parameters.The fracture of this inertia friction welding mainly appears brittle fracture.

2219 aluminum alloy；stainless steel；inertia friction welding；microstructure；mechanical properties

TG457.1

A

1001-2303（2017）11-0100-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.21

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張麗娜，趙衍華，張?zhí)飩}，等.2219鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接接頭組織與力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：100-105.

2017-03-29

張麗娜（1976—），女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事特種焊接工藝技術(shù)的研究。E-mail：zhanglina211@126.com。