16317436_镀锌钢板与6061铝合金搭接搅拌摩擦钎焊

精 密 成 形 工 程
第10卷 第2期
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JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2018年3月
收稿日期：2017-01-30
基金项目：节能汽车产业共性关键技术创新主题专项（cstc2015zdcy-ztzx60010）
作者简介：高鹏宇（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为难焊材料特种连接技术。

通讯作者：许惠斌（1971—），男，博士，教授，主要研究方向为难焊材料特种连接技术。

镀锌钢板与6061铝合金搭接搅拌摩擦钎焊
高鹏宇，许惠斌，李添翼，李小飞，胡盛情，周天涛，黄宏
（重庆理工大学，重庆 400054）
摘要：目的 分析Q235镀锌钢与6061铝合金搅拌摩擦钎焊接头在不同旋转速度下的组织性能。

方法 使用0.3 mm 的Zn 作为中间层，通过搅拌摩擦钎焊，焊接6061铝合金与Q235镀锌钢，观察测试其接头组织和力学性能。

结果 转速从660 r/min 增加到1750 r/min 时，随着进入到6061铝合金近缝区Zn 元素的增加，铝合金搅拌区孔洞变小。

界面Zn 过渡层变薄。

在适中的转速下，界面结合良好。

接头最大平均拉剪力先增加后降低，界面显微硬度升高，硬度梯度增加。

结论 搅拌头在1320 r/min 转速下，测得搅拌摩擦钎焊接头平均拉剪力为2.33 kN 。

关键词：中间层；界面；搅拌摩擦钎焊；塑性流动
DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2018.02.020
中图分类号：TG456.9 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2018)02-0114-04
Lap Friction Stir Brazing of Galvanized Steel Sheet and 6061 Aluminum Alloy
GAO Peng-yu , XU Hui-bin , LI Tian-yi , LI Xiao-fei , HU Sheng-qing , ZHOU Tian-tao , HUANG Hong
(Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)
ABSTRACT: The paper aims to analyze structure property of Q235 galvanized steel and 6061 aluminum alloy friction stir brazing joint at different rotational speed. The 6061 aluminum alloy and Q235 galvanized steel was welded by friction stir braz-ing with 0.3 mm of Zn as intermediate layer to observe and test microstructure and mechanical properties of the joint with the increase of rotational speed from 660 r/min to 1750 r/mi, the voids in aluminum adjacent to the weld decreased gradually, the Zn layer at interface became thinner. Well joint was obtained at proper speed. The maximum average tensile shear force of joint in-creased first and then decreased. The microhardness of the interface and the hardness gradient increased. When the rotational speed is 1320 r/min, the maximum average tensile shear force of the joint is 2.33 kN. KEY WORDS: intermediate layer; interface; friction stir brazing; plastic-flow
钢与铝两种合金的复合结构对于现代制造业有降低重量、节约能源、降低生产成本等优点，在汽车、建筑、航空等领域得到了广泛的关注[1—4]，但是，铝与钢之间由于存在很大的性能差异，焊后有巨大的残余应力产生。

同时硬而脆的Fe-Al 金属间化合物如Fe 3Al, Fe 2Al 5, FeAl 3，极易在较高的焊接热循环条件下出现，厚的金属间化合物层容易造成裂纹[5—8]。

这两个原因共同限制了铝-钢复合结构在制造业中的 应用。

搅拌摩擦焊是热-机共同作用的焊接方法，塑性流动金属相互搅拌、混合，最后形成高质量接头[9—11]。

由于焊接过程不会因金属熔化和凝固而发生裂缝等缺陷，焊接过程能耗低、成本少、没有空气污染和光污染，这些优势奠定了搅拌摩擦焊的前景[12—13]。

搅拌摩擦钎焊(FSB)是在搅拌摩擦焊基础上，在待焊工件中间加入一层薄的中间层，防止焊件基体的直接接
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触，使界面金属间化合物类型和厚度发生变化[14—15]。

文中采用纯Zn 箔片作为FSB 中间层，在不同焊接转速下，分析了Q235镀锌钢与6061铝合金接头的元素分布及力学性能。

1 试验材料及方法
试验材料钢为电镀锌Q235钢板，镀锌量为 60 g/mm 2，尺寸为70 mm×50 mm×1 mm 。

铝合金选用6061铝合金，尺寸为70 mm×50 mm×2 mm 。

中间层材料为质量分数为99.99%的纯Zn 箔片，熔点为420 ℃。

Zn 中间层尺寸为70 mm×20 mm ，中间层厚度为 0.3 mm 。

Q235含有质量分数为0.14%~0.30%的Si ，
0.14%~0.22%的C ，0.30%~0.35%的Mn ，余量为Fe ；
6061铝合金含有质量分数为0.7%的Fe ，0.4%~0.8%
的Si ，0.02%~0.25%的C ，0.8%~1.2%的Mg ，0.15%
的Mn ，余量为Al 。

焊前先用粗砂纸打磨母材待焊表面，然后用酒精
清洗。

以纯Zn 箔片作为中间层的FSB 见图1。

试验
所用搅拌头为圆柱搅拌头。

焊接参数为：焊接速度为
44 mm/min ，压入量为0.5 mm ，搅拌头转速分别为660,
1320, 1750 r/min 。

通过德国生产的Sigma HD 扫描电
子显微镜观察FSB 接头形貌，同时分析各微区成分。

使用HVS-1000显微硬度仪测量接头显微硬度，每个
测量点的间距为0.1 mm ，压头加载载荷为0.1 kN ，
压头加载时间为10 s 。

图1 加中间层搅拌摩擦钎焊
Fig.1 Friction stir brazing with Zn intermediate layer
2 结果及分析 2.1 接头在不同转速的宏观形貌 不同转速下接头宏观SEM 见图2。

660 r/min 转
速焊接时，中心界面处为一层厚的Zn 过渡层，而搅
拌针边缘位置未被搅拌，近界面处铝合金中出现大的
孔洞。

转速为1320 r/min 情况下，FSB 界面中心区域
的Zn 过渡层变薄，以波浪状沿界面分布。

此时更大
量流动的Zn 进入到焊缝，在塑性流动阶段与Al 反应，
生成熔点较低的Zn-Al 共晶合金，此时搅拌区域金属
流动性变好，高效的填充搅拌针前进侧留下的空隙，
使近缝区铝合金中的孔洞减小。

当搅拌头转速达到
1750 r/min 时，界面处的Zn 只剩下较薄的一层Zn 聚集层，大量的Zn 随着搅拌针流动进入到近缝区铝合金中，形成大片的Zn 聚集区域，近界面铝合金中只有小孔洞出现。

图2 不同转速下宏观接头SEM
Fig.2 SEM of joint microstructure at different rotational speed
2.2 接头在不同转速微观形貌与元素分布
不同转速下接头微观SEM 见图3。

采用较小 660 r/min 时，搅拌头轴肩对6061铝合金待焊表面摩擦较少，焊接输入热不足。

界面处有部分区域未熔合。

根据图3d 线能谱元素分布可知，近界面铝合金焊缝区主要由Zn 元素组成，界面处有少量Fe 元素。

由图3a 点1可知，此时界面处可能生成Fe-Zn 10。

在转速1320 r/min 情况下，近界面铝合金搅拌更加剧烈，一层薄的过渡层在界面出现。

根据图3e 线能谱元素分布可知，过渡层Fe-Al-Zn 三种元素发生相互扩散。

同时根据3b 点2可知，少量的Al 被搅拌针带到界面处，此时界面可能有Fe-Zn 与Fe-Al 两种类型的金属间化合物。

没有出现未熔合区域与裂纹等缺陷，结合良好。

采用高转速1750 r/min 时，此时铝合金焊缝混合更加剧烈，界面过渡层极薄，根据图3f 线能谱元素分布可知，过渡层存在着Fe-Al-Zn 三种元素之间的扩散。

根据图3c 中点3可知，界面检验出更多的Al 元素与Fe 元素。

由于有更多的Fe-Al 金属间化合物生成，界面硬度梯度增加，在残余应力作用下，过渡层中间层产生裂纹缺陷。

其中，点1中Zn 和Fe 的原子数分数分别为91%和9%，点2中Zn, Al, Fe
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图3 不同转速下接头微观形貌SEM 与线扫描
Fig.3 SEM of microstructure joint and line scan at different rotational speed
的原子数分数分别为80.29%, 3.54%, 16.17%，点3中Zn, Al, Fe 的原子数分数分别为71.49%, 5.66%, 20.25%。

2.3 接头在不同转速下的最大平均拉剪力
转速对接头平均最大拉剪力的影响见图4。

随着搅拌头旋转速度增加，FSB 接头最大拉剪力先增加后降低。

当转速为1320 r/min 时，FSB 接头平均拉剪力达到最大，为2.33 kN 。

这是因为在较低的搅拌头转速情况下，热输入较低，元素扩散不充分，界面有未结合区域。

在转速较高的情况下，界面生成更多硬而脆的Fe-Al 金属间化合物，致使过渡层中出现微裂纹，接头强度降低。

在适当的转速下，界面结合良好。

图4 不同转速下接头平均最大拉剪力 Fig.4 Maximum average tensile shear force at
different rotational speed 2.4 接头显微硬度
不同转速下接头显微硬度见图5，随着搅拌头转速增加，界面处的显微硬度逐渐增加，界面处Zn 元素含量随之降低。

由于低转速情况下，界面有较厚的Zn 过渡层。

靠近界面的6061铝合金与界面处的显微硬度较低，界面生成物为硬度较低的Fe-Zn 金属间化合物。

随着转速增加，硬度较高Fe-Al 金属间化合物在界面生成，同时界面过渡区域显微硬度梯度增加，近缝区铝合金与界面显微硬度增加。

图5 接头不同区域显微硬度
Fig.5 Hardness of different zones in joint
3 结论
在Zn 中间层下通过FSB 连接6061铝合金与
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Q235镀锌钢。

分析在不同转速下FSB接头形貌组织及力学性能，得到以下结论。

1) 当搅拌头转速增加时，更多Zn元素进入近缝区铝合金中，增强了铝合金塑性流动时的流动性，能更好地填充搅拌头前进侧孔洞，致使铝合金近缝区孔洞减少。

2) 转速为660 r/min情况下，界面产生一层较厚的过渡层，界面金属间化合物为Fe-Zn10，部分区域未结合。

转速增加到1320 r/min时，过渡层厚度降低，界面由Fe-Zn和Fe-Al金属间化合物构成，此时界面连接较好。

转速为1750 r/min时，界面处Fe, Al元素含量升高，近界面过渡层出现裂纹。

3) 随着搅拌头转速增加，镀锌钢/铝合金接头最大平均拉剪力先增加后减小，界面处显微硬度增加，硬度梯度增加。

1320 r/min转速情况下，FSB接头平均拉剪力最大，为2.33 kN。

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