钢/铝异种金属搅拌摩擦焊接头界面组织与性能的研究

作     者：张桂源 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宫文彪

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：钢/铝 搅拌摩擦焊 组织 金属间化合物 力学性能 

摘      要：铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好和密度低等特点,已经部分取代钢材应用于汽车制造业。为了满足新能源汽车轻量化的要求,铝合金在汽车上的应用越来越多,因而钢/铝异种材料的焊接成为要解决的关键技术之一。然而由于钢/铝两种金属的物理性能和化学成分上存在着巨大差异,传统的弧焊连接技术已难以满足钢/铝焊接接头的性能要求。近年来,搅拌摩擦焊技术(Friotion Stir Welding,FSW)在铝合金焊接上显示出独特的优势,采用FSW技术解决钢/铝异种金属的焊接问题成为本领域研究的热点和难点。本文采用搅拌摩擦焊技术将3.0mm厚的6005A-T6铝合金和3.0mm厚的汽车副车架用S420MC钢板进行搭接连接,通过对焊缝成型、接头微观组织结构和力学性能的分析测试,研究了不同搅拌针长度、焊接参数(旋转速度和钢侧压入量)对钢/铝搭接接头强度的影响,并提出了在钢/铝搭接界面处采用等离子喷涂Zn粉的方法来抑制界面处金属间化合物生成从而提高钢/铝搅拌焊接头性能。试验表明针长为2.7mm的接头横截面界面处有孔洞产生,而针长为3.0mm的接头表面成型良好,无孔洞缺陷。两种针长焊接的钢/铝界面处都会有钢侧金属“飞边出现并延伸至铝基体中,形成了机械咬合的接头。在铝侧母材中有大小不一的Fe基颗粒弥散分布在铝基体中。在界面处钢/铝的混合组织形貌呈叠层状。通过对钢/铝界面处两种元素的相互扩散结果分析,在界面处钢/铝两种元素发生了冶金反应,形成了“冶金+机械结合的接头。随着搅拌针长度的增加,对应的接头拉剪载荷也随之增大,当搅拌针长度为3.0mm时,接头的拉剪载荷最大,最大拉剪载荷达到4023N,接头断裂位置都在其对应的界面处,且铝侧断口呈上凸形貌,钢侧呈下凹形貌。随着焊接给进速度的增加,铝侧几乎没有Fe基颗粒出现,界面处前进侧和后退侧的钢侧金属“飞边变大,并有铝合金塑性变形后形成的流线;当给进速度为150mm/min时,接头最大拉剪载荷达到4307N。当给进速度为150mm/min,旋转速度为1400r/min时,控制搅拌针扎入钢侧量(?h)也会影响接头的拉剪载荷,当?h从0.1mm增加到0.2mm时,接头的最大拉剪载荷从4639N增加到4826N。不同焊接参数下,接头界面处均有AlFe、AlFe和AlFe金属间化合物产生。根据实验确认的最佳焊接工艺参数,研究了在钢/铝搭接处喷涂不同厚度的Zn层对接头组织和性能的影响,当喷涂的Zn层厚度为0.4mm时,钢/铝接头才能达到有效的连接,形成钢/铝冶金结合接头。接头界面反应层平均厚度为88μm,最大拉剪载荷为3539N。而有Zn层的钢/铝“冶金+机械结合的搅拌摩擦焊接头界面反应层平均厚度比有Zn层的钢/铝冶金结合的搅拌摩擦钎焊接头减小了12μm,最大拉剪载荷达到5628N,比在相同的工艺参数下无Zn层的接头提高了17%,说明Zn的加入,可以大幅度的提高接头强度。两种方式焊接接头界面处均有相同的金属间化合物产生,但有Zn层的钢/铝接头界面处金属间化合物的含量明显比无Zn层的接头要少的多。综上所述,钢/铝异种金属焊接时形成的金属间化合物会影响接头的力学性能,金属间化合物过多,会影响接头的强度,反之过少,接头无法实现有效的冶金结合而降低接头强度。