兩種鋁/鋼組合（1060/Q235 和1060/SUS304）的攪拌摩擦釬焊組織與性能對(duì)比研究

楊小輝，張貴鋒，張建勛

（西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW）是英國(guó)焊接研究所（TWI）在1991年發(fā)明的一項(xiàng)新型焊接技術(shù)[1—2]，突出之處在于能實(shí)現(xiàn)板材的摩擦焊。異種金屬的FSW 可分為攪拌摩擦對(duì)接焊和攪拌摩擦搭接焊，對(duì)于異種板材的對(duì)接焊，如下兩項(xiàng)工藝原則已被廣泛接受：①母材“前硬后軟”的放置原則，即要求較硬的母材放置于前進(jìn)側(cè)，較軟的母材放置于后退側(cè)；② 攪拌針應(yīng)設(shè)置偏移量（off set），即要求偏向較軟母材一側(cè)，以防工具磨損、攪拌區(qū)溫度過(guò)高、IMC 過(guò)厚[3—7]。相對(duì)于攪拌摩擦對(duì)接焊來(lái)說(shuō)，攪拌摩擦搭接焊更困難，主要在于：①不充分的氧化膜分散轉(zhuǎn)移以及不充分的上下母材的垂直混合；② 有效接合區(qū)域小，即搭接接頭的有效接合區(qū)域主要是針下區(qū)域，該區(qū)域面積遠(yuǎn)小于攪拌頭肩的面積；③底板更高的金屬流動(dòng)應(yīng)力，即底板通常具有更高的屈服強(qiáng)度，相較于較軟的上板金屬，其產(chǎn)生金屬流動(dòng)需要的臨界溫度更高；④ 一些焊接缺陷，如空洞（Void）、隧道（Channel 或者Tunnel）、金屬間化合物（IMCs）以及鉤（Hook）。為解決以上問(wèn)題以及避免針的磨損、斷裂等突出現(xiàn)象，西安交通大學(xué)張貴鋒等[8]開(kāi)發(fā)了一種新型的攪拌摩擦焊技術(shù)——攪拌摩擦釬焊（Friction Stir Brazing，簡(jiǎn)稱FSB）。

如圖1 所示為攪拌摩擦釬焊原理示意圖，此項(xiàng)技術(shù)使用的是無(wú)針攪拌頭，并在搭接的異種金屬之間預(yù)置一層Zn 釬料。無(wú)針工具的使用有效避免了焊后匙孔（Keyhole）、斷針及針的磨損、鉤狀缺陷，也獲得了比傳統(tǒng)FSW 更大的焊接面積；旋轉(zhuǎn)的軸肩既作為施力裝置又作為熱源，旋轉(zhuǎn)軸肩熱力的聯(lián)合作用下使得釬料溶解、流動(dòng)與填充；在力的作用下氧化膜隨液相被擠出并擴(kuò)大結(jié)合面積，利用“冶金反應(yīng)（溶解-擠出-擴(kuò)散）”代替“塑性流動(dòng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接，從而可降低了搭接接頭對(duì)界面處塑性變形及通過(guò)塑性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下界面混合的苛求[9—12]。

圖1 攪拌摩擦釬焊技術(shù)示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of friction stir brazing technology

目前FSB 已經(jīng)被應(yīng)用于鋁/鋼[13]、鋁/銅[13—14]、鋁/鈦[15]等異種金屬焊接。FSB 的要點(diǎn)在于：①采用無(wú)針工具以消除匙孔、硬質(zhì)母材對(duì)針的磨損與鉤缺陷；② 焊前預(yù)置能與鋁母材發(fā)生共晶反應(yīng)的釬料（如Zn），利用釬料/母材共晶反應(yīng)所得液相的易流動(dòng)性與易擠出性，使氧化膜隨共晶液相被擠出，既改善去膜效果，又大幅拓展焊接面積。本研究致力于大直徑攪拌摩擦釬焊（FSB）的去膜機(jī)制以及釬料對(duì)鋁/鋼層狀復(fù)合材料組織與性能的影響。

為進(jìn)一步探尋采用無(wú)針工具工況下的界面氧化膜的有效破除思路，文中使用大直徑（40 mm）的無(wú)針攪拌頭，針對(duì)1060/Q235 和1060/SUS304 兩種組合，對(duì)比了加入釬料與未加入釬料情況下的接頭組織與性能。

1 材料與方法

選用較軟的1060 作為上板，進(jìn)行1060/Q235 和1060/SUS304 兩種組合的FSB 實(shí)驗(yàn)與不放釬料的無(wú)針FSW 對(duì)比。其中1060,Q235,SUS304 母材厚度都為3 mm，長(zhǎng)100 mm，寬60 mm。釬料選用純0.03 mm厚Zn 箔片。采用H13（4Cr5MoV1Si）熱作模具鋼材質(zhì)，Φ40 mm 大直徑無(wú)針攪拌頭在大氣環(huán)境下施焊。焊接試驗(yàn)前，首先用砂紙打磨待焊板材的表面以去除氧化膜，再用酒精清潔使其露出清潔的金屬表面，然后進(jìn)行1060/Q235 和1060/SUS304 的搭接工藝試驗(yàn)，其中焊接參數(shù)為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。焊接接頭的剪切性能依據(jù)GB/T 6396—2008 進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀外觀

從圖2 可觀察到FSB 焊后接頭宏觀外觀，焊后未發(fā)生鋁母材與攪拌頭軸肩的粘連、扭裂等表面成形缺陷。焊后的宏觀照片可見(jiàn)，相對(duì)于后退側(cè)來(lái)說(shuō)在末端前進(jìn)側(cè)的前推變形很明顯，這是因?yàn)閿嚢桀^是在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)前移，因此攪拌頭和工件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此攪拌頭對(duì)工件產(chǎn)生力學(xué)作用，在前進(jìn)側(cè)軸肩旋轉(zhuǎn)的切線方向和焊接方向一致會(huì)帶動(dòng)母材往前移動(dòng)，在焊道末端沒(méi)有阻擋作用，因此變形比后退側(cè)明顯，因?yàn)榍巴颇墚a(chǎn)生塑性變形，因此也能起到破除鋁表面氧化膜、改善界面潤(rùn)濕性的作用。

2.2 1060/Q235 界面組織

圖3 和圖4 分別為1060/Q235 加釬料和未加釬料組合的FSB 接頭界面組織背散射圖像，焊接參數(shù)為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。從圖3b 和3c 可以觀察到，在界面處已看不到Zn 的存在，從圖3a 在邊緣處能看到Zn 箔已熔化并以Zn-Al 共晶的形式被擠出。在界面處生成一層連續(xù)的、厚度大約為13 μm 左右IMC 層，靠近Al 側(cè)為FeAl3靠近鋼側(cè)為Fe2Al5，在鋁的一側(cè)能看到有嵌入的IMC 顆粒，在邊緣的前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)分別出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)12 mm 與9 mm 的平行于界面的裂紋。在圖4 中未觀察到連續(xù)的金屬間化合物，且界面不致密，在鋁的一側(cè)有氧化物的存在。

圖2 FSB 接頭宏觀外觀Fig.2 Macro appearance after friction stir brazing

圖3 1060/Zn/Q235 組合的FSB 接頭界面組織（1500 r/min）Fig.3 Interface structure of friction stir brazed joint with 1060/Zn/Q235 (1500 r/min)

在圖3 可以觀察到有連續(xù)的IMC 層生成，這說(shuō)明鋁和鋼之間的氧化膜已被清除，潔凈的鋁鋼表面已經(jīng)互相接觸，而且在上側(cè)的鋁中能觀察到嵌入的IMC顆粒，說(shuō)明在無(wú)針攪拌頭的機(jī)械扭轉(zhuǎn)作用下，鋼表面的氧化膜已破碎，由此在攪拌頭的帶動(dòng)下IMC 顆粒嵌入到了鋁中。

根據(jù)圖3a 在試樣的邊緣處觀察到Zn-Al 共晶，說(shuō)明鋁側(cè)的氧化膜已經(jīng)隨著Zn-Al 共晶液相在攪拌頭的鍛壓作用下擠出，攪拌頭的扭轉(zhuǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①機(jī)械破碎鋼（微剪切）表面的氧化膜，為冶金反應(yīng)提供擴(kuò)散通道；② 對(duì)Zn-Al 共晶液相的流動(dòng)起到推動(dòng)作用（在鍛壓力的聯(lián)合作用下）。而在圖4 由于沒(méi)有釬料的加入，鋁側(cè)的氧化膜僅靠攪拌頭帶動(dòng)鋁的塑性流動(dòng)很難破除，但在中心位置也能觀察到較少的FeAl3IMC，這說(shuō)明僅在攪拌頭的機(jī)械扭轉(zhuǎn)作用下鋁/鋼兩側(cè)的氧化膜能破除少部分，因此在氧化膜破除的部分生成了金屬間化合物，而大部分氧化膜未能有效清除，這恰恰反映了力學(xué)效應(yīng)與冶金效應(yīng)相互促進(jìn)對(duì)破碎并分散Al 側(cè)氧化膜的必要，因此說(shuō)明釬料的加入在FSB 過(guò)程中是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖4 無(wú)釬料1060/Q235 組合的FSB 接頭中心區(qū)界面組織（1500 r/min）Fig.4 Interface structure of central zone of friction stir brazed joint without solder 1060/Q235 (1500 r/min)

圖5 為1060/Q235 加釬料組合的FSB 接頭界面組織背散射圖像，焊接參數(shù)為950 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。可以看出在其他參數(shù)不變時(shí)，隨轉(zhuǎn)速?gòu)?500 r/min 降低為950 r/min，界面IMC 從13 μm 左右降低為8 μm 左右。在Al 側(cè)可以看到有分散的含IMC 顆粒，說(shuō)明轉(zhuǎn)速為950 r/min 時(shí)，在攪拌頭的扭轉(zhuǎn)作用也足以破碎鋼表面的氧化膜，因此使得IMC 顆粒嵌入到Al 中。

2.3 1060/SUS304 界面組織

圖6 和圖7 分別為1060/SUS304 加釬料和未加釬料組合的FSB 接頭界面組織背散射圖像，焊接參數(shù)為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm（壓入深度）。從圖6 可以觀察到在界面處已看不到Zn 的存在，在邊緣處能看到Zn 箔已熔化并以Zn-Al 共晶的形式被擠出，在界面處生成一層連續(xù)的厚度大約為5 μm 的Al3(Fe,Cr)IMC 層，但出現(xiàn)平行于界面裂紋（整個(gè)寬度范圍內(nèi)）和垂直于界面的裂紋，說(shuō)明此IMC 層相對(duì)1060/Q235 界面的IMC 來(lái)說(shuō)更脆，其對(duì)熱應(yīng)力更敏感。在圖3 中未觀察到明顯的金屬間化合物。

圖5 1060/Zn/Q235 組合的FSB 接頭中心區(qū)域界面組織（950 r/min）Fig.5 Interface structure of central zone of friction stir brazed joint with solder 1060/Zn/Q235 (950 r/min)

相對(duì)于1060/Q235 組合來(lái)說(shuō)，1060/SUS304 在加入Zn 釬料的情況下，共同點(diǎn)在于有連續(xù)的IMC 層生成，只是厚度不同。這說(shuō)明不銹鋼側(cè)的氧化膜相對(duì)于Q235 來(lái)說(shuō)更難破除（在其他條件相同時(shí)）。在鋁側(cè)也有IMC 顆粒的嵌入，以及在試樣邊緣也有Zn-Al 共晶液相的擠出。

2.4 接頭力學(xué)性能

圖8 為抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)以上分析，強(qiáng)度主要與界面氧化膜的去除效果和IMC 的厚度有關(guān)，在加入Zn 釬料的情況下界面氧化膜去除效果較好，因此平均強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)速為1500 r/min 時(shí)1060/Q235 組合添加釬料和未添加釬料時(shí)平均抗剪強(qiáng)度分別為33.6 MPa和17.4 MPa，1060/SUS304 組合添加釬料和未添加釬料時(shí)平均抗剪強(qiáng)度分別為25.1 MPa 和9.7 MPa。

在其他條件相同時(shí)1060/Q235 組合比1060/SUS304 組合的平均強(qiáng)度更高，這是因?yàn)镼235 去膜難度比304 更低，而且1060/304 組合（添加釬料）出現(xiàn)平行于界面裂紋（整個(gè)寬度范圍內(nèi)）和垂直于界面的裂紋，表明其對(duì)熱應(yīng)力更敏感。當(dāng)轉(zhuǎn)速為950 r/min時(shí)，1060/Q235 組合添加釬料平均抗剪強(qiáng)度為42.5 MPa。在其他參數(shù)不變時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的降低，由于熱輸入降低，因此IMC 的厚度會(huì)降低，因此抗剪強(qiáng)度會(huì)升高。而在未加入釬料時(shí)由于SUS304 的氧化膜更難去除，因此1060/SUS304 組合比1060/Q235的強(qiáng)度低。

圖6 1060/Zn/SUS304 組合的FSB 接頭界面組織（1500 r/min）Fig.6 Interface structure of friction stir brazed joint with 1060/Zn/SUS304 (1500 r/min)

圖7 無(wú)釬料1060/SUS304 組合的FSB 接頭界面組織（1500 r/min）Fig.7 Interface structure of friction stir brazed joint without solder (1500 r/min)

圖8 不同組合與有無(wú)釬料FSB 接頭強(qiáng)度對(duì)比Fig.8 Strength comparison of FSB joints with different couples and with or without solder

2.5 FSB 過(guò)程攪拌頭力學(xué)效應(yīng)以及對(duì)組織的影響

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，組織和去除氧化膜主要有以下特點(diǎn)：①在大氣環(huán)境下也能有較好的潤(rùn)濕性；②界面由金屬間化合物層以及IMC 顆粒與鋁復(fù)合材料層組成；③攪拌頭的扭轉(zhuǎn)作用破除鋼表面的氧化膜，為潔凈的母材提供接觸可能，以及提供擴(kuò)散通道；④驅(qū)動(dòng)液相釬料流動(dòng)。

可以看出攪拌頭的力學(xué)作用對(duì)組織形態(tài)有著重要的影響，主要有：①鍛壓力，主要是傾斜的攪拌頭在焊接過(guò)程中的軸向分力和母材的彈性膨脹（傾斜的攪拌頭對(duì)于鍛壓力至關(guān)重要）；② 扭轉(zhuǎn)，主要是高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭提供的扭轉(zhuǎn)作用，能破碎鋼側(cè)的氧化膜；③前推，攪拌頭前移和工件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此攪拌頭對(duì)工件產(chǎn)生力學(xué)作用，也能起到破膜、改善界面潤(rùn)濕性的作用。

3 結(jié)論

1）Al/Q235 和Al/SUS304 組合在加釬料進(jìn)行FSB時(shí)都在界面生成了IMC 層，其厚度分布均勻，前者厚度為13 μm 左右，后者5 μm 左右（焊接參數(shù)為1500 r/min-190 mm/min-2°-0.7 mm）。該結(jié)果表明，一方面，F(xiàn)SB 能有效去除堅(jiān)硬鋼基板表面的氧化膜，即使是氧化膜致密的不銹鋼基板，F(xiàn)SB 也能破除其表面的氧化膜；另一方面，Al/SUS304 組合界面IMC 的生長(zhǎng)較Al/Q235 明顯緩慢。

2）Al/Q235 和Al/SUS304 組合在未加釬料時(shí)，兩種組合都沒(méi)能生成連續(xù)的金屬間化合物層，而且在鋁側(cè)的氧化膜未能去除，但是前者組合生成了的部分IMC，后者幾乎不能觀察到IMC，這說(shuō)明了304 不銹鋼的破膜難度高于Q235。兩種添加和未加釬料的組合的對(duì)比，也證明了釬料有助于破除Al 表面的氧化膜，并促進(jìn)Al 的擴(kuò)散與IMC 的連續(xù)化與增厚。

3）在 FSB 裂紋位置與所占比例方面，雖然Al/SUS304 組合界面IMC 厚度薄，但整個(gè)寬度范圍內(nèi)出現(xiàn)了平行于界面的裂紋；Al/Q235 組合僅在中心區(qū)域未出現(xiàn)裂紋，但在邊緣的前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)分別出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)12 mm 與9 mm 的平行于界面的裂紋。基于FSB 的優(yōu)異去膜能力，說(shuō)明對(duì)于異種金屬焊接來(lái)說(shuō)FSB 很具有應(yīng)用價(jià)值，但焊接參數(shù)有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

4）攪拌頭對(duì)工件的力學(xué)作用可以分為鍛壓、扭轉(zhuǎn)、前推3 種。3 種力學(xué)與冶金的聯(lián)合作用使得界面的氧化膜能有效去除，而且在鋁側(cè)出現(xiàn)的分散IMC顆粒說(shuō)明了Φ40 mm 的攪拌頭對(duì)于扭轉(zhuǎn)-微剪切作用的加強(qiáng)。