鋁合金-鋼回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)理研究.pdf

1、回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refill Friction Stir Spot Welding, Refill FSSW）熱輸入低，能夠細(xì)化焊點(diǎn)晶粒，并且能消除傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的攪拌頭回撤時(shí)不可避免的退出孔，其在鋁合金等輕合金連接領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢。日本川崎重工和德國 Helmholtz-Zentrum Geesthacht研究中心已經(jīng)將該工藝用于鋁合金和鎂合金的連接上。另一方面，鋁合金/鋼異種金屬連接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化，提高能源利用效率

2、，減少廢氣排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。基于回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的優(yōu)勢和鋁合金/鋼混合結(jié)構(gòu)廣泛的應(yīng)用背景，本文重點(diǎn)研究了回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的主要焊接參數(shù)（攪拌套下壓量和旋轉(zhuǎn)速度）和鍍鋅層對鋁合金/鋼異種金屬接頭的力學(xué)性能和微觀組織的影響，并揭示了該工藝的連接機(jī)理。本研究不僅具有理論參考價(jià)值，還能夠切實(shí)可行地指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。
　　本文的主要研究對象是兩種汽車用鋁合金板（1.0 mm厚Novelis AC170 PX和1.5 mm厚Aleris S

3、uperlite200 ST鋁合金板）和兩種低碳鋼板（1.0 mm厚ST16鋼板和1.2 mm厚ST06 Z鍍鋅鋼板）組成的異種金屬回填式攪拌點(diǎn)焊雙層搭接接頭。焊點(diǎn)位于接頭25 mm×25 mm搭接面積的正中央，其直徑為9.0 mm。通過拉剪測試和十字型拉伸測試評價(jià)接頭的力學(xué)性能。另外，采用電子探針（EPMA）、場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）和X射線衍射（XRD）方法對鋁合金/鋼接頭的微觀組織、成分、斷口形貌以及斷裂路徑進(jìn)行分析。

4、>　　Novelis AC170 PX鋁合金/ST16鋼接頭的最大平均拉剪和十字型拉伸斷裂載荷分別為2495 N和337 N。對于Aleris Superlite200 ST鋁合金/ST16鋼接頭，其最大平均拉剪斷裂載荷為3745 N，并同時(shí)達(dá)到最大平均十字型拉伸斷裂載荷1073 N。所有拉剪和十字型測試的試樣均失效于鋁合金/鋼接頭界面位置。當(dāng)攪拌套未接觸鋼板表面時(shí)，攪拌套下壓量對拉剪斷裂載荷影響不明顯。焊點(diǎn)通過冶金反應(yīng)連接，并在攪拌套

5、作用區(qū)域形成Fe-Al金屬間化合物層。但是攪拌套壓入鋼板后，由于鋁合金板和鋼板間的冶金結(jié)合和機(jī)械結(jié)合方式，接頭的力學(xué)性能得到了顯著的提升。同時(shí)這個(gè)過程也給攪拌套帶來了嚴(yán)重的磨損，降低了其使用壽命。另外，旋轉(zhuǎn)速度對接頭力學(xué)性能的影響不明顯。
　　Novelis AC170 PX鋁合金/ST06 Z鍍鋅鋼接頭的最大平均拉剪和十字型拉伸斷裂載荷分別為3044 N和301 N。對于Aleris Superlite200 ST鋁合金/ST0

6、6 Z鍍鋅鋼接頭，其最大平均拉剪斷裂載荷為4500 N，并同時(shí)達(dá)到最大平均十字型拉伸斷裂載荷359 N。所有試樣失效于鋁合金/鋼接頭界面位置。同鋁合金/ST16鋼接頭相比，鋁合金/ST06 Z鍍鋅鋼接頭表現(xiàn)出了更好的抗拉剪性能，并且所有拉剪試樣在攪拌針作用區(qū)域均失效于鋁合金/鋼接頭鋁合金側(cè)界面。在攪拌套作用區(qū)域發(fā)現(xiàn)厚度僅為0.68μm的金屬間化合物層，其成分接近FeAl3。在鋁合金側(cè)界面觀察到了Zn-O富集區(qū)，在該富集區(qū)內(nèi)晶界位置出現(xiàn)有