2 试验结果与讨论 2.1 焊接速度对接头拉伸载荷的影响
4 3 2 1
焊的接头拉剪强度有重要影响。 分析认为，焊接速度通过对接头宏观形貌、显
微硬度、界面层宽度和强度的影响，最终影响接头 破坏载荷。 2.2 焊缝宏观形貌
在不同焊接速度下，焊缝表面均成形美观，略 有飞边，无明显缺陷。接头宏观典型照片如图 5 所 示。不同焊接速度的 FSW 接头截面形貌如图 6 所 示，接头可分为焊核（Welding nugget）、后退侧 （ Retreating side/RS ） 和 前 进 侧 （ Advancing side/AS）。搅拌针的作用形成了焊核，搅拌针进入 钢板，形成了“洋葱瓣”状的结构[11]，此结构在铝 合金内部形成了形似弯钩状的分布，其放大图如图 6(b)所示，使得铝/钢界面结合紧密。
Ahmad 等人[9]应用搅拌摩擦焊焊接 1100H24 （铝合金）和镀锌钢板，他们认为接头性能很大程 度上依赖搅拌针进入钢板的距离。当搅拌针没有接 触到钢板时，接头的破坏载荷很低，当搅拌针进入 钢板 1mm 时能显著提高接头强度。
日本大阪大学的 Y.C. Chena 等人[10]严格控制搅 拌针未进入钢板的情况下，进行了 AC4C 铝合金和 镀锌低碳钢板的连接，他们发现焊接速度对抗拉强 度和断裂位置影响较大，且界面处断裂在遗留的 Zn 和 Zn 与 Al 形成的金属间化合物之间，金属间化合 物的主要相组成为 Fe2Al5 和 Fe4Al13。
（a）1#试样（焊接速度 40mm/min） （b）2#试样（焊接速度 60mm/min） （c）3#试样（焊接速度 80mm/min）
Steel
Al Steel
Al
Steel Steel
Al Steel
Al
Steel Al
Al
（a）1#试样破坏模式 （b）2#、3#、4#试样破坏模式 图 4 FSW 试样拉剪测试断裂形貌照片
“洋葱瓣”结构的形成原因[12]是焊核区塑化 金属在搅拌针螺纹的摩擦力和压力共同作用下，向 上作螺旋形运动，迫使焊核周围塑化的钢进入铝合 金中，而同时搅起的钢又受到轴肩处金属的挤压和 焊缝下部出现的瞬时低压作用，呈向下运动趋势， 因此最终呈现出钢以“弯钩状”或“钳状”（如图 6(b)所示）形式和铝合金紧密结合，钢合金和铝合 金呈交迭分布。
0
40
60
80
100
120
Welding Speed(mm/min)
图 3 焊接速度对铝/钢异种材料搅拌摩擦焊接头
拉剪载荷影响规律
对不同焊接速度 FSW 试样拉剪载荷测试，得 出焊接接头拉剪载荷曲线如图 3 所示。其中 1#试样 （焊接速度为 40mm/min）中有两个接头破坏载荷 超过了钢母材，断裂模式为钢母材断裂（如图 4(a) 所示），2#、3#、4#试样均为界面层断裂（如图 4(b) 所示）。
文献中对铝/钢异种金属搭接接头形式，搅拌针 进入钢板，焊缝结合机理并未进行深入分析，本文 主要研究了铝/钢异种金属采用搅拌摩擦焊搭接接 头，搅拌针进入钢板，在不同的焊接速度下，焊缝 宏观形貌、力学性能、显微组织、显微硬度、界面
1 实验材料与方法
实验材料为厚度 1.2mm 的汽车用热镀锌低碳 钢和 2mm 的 6061-T6 铝合金板材，实验材料的化学 成分和力学性能如表 1 所示。试件尺寸均为 140mm ×125mm，接头形式采用搭接接头（铝板在上，钢 板在下），如图 1 所示，搅拌摩擦焊的搅拌头采用带 螺纹的圆锥形搅拌针，搅拌头轴肩直径为 10mm， 搅拌针基端直径为 4.0mm，顶端直径为 3.6mm，长 度为 2.1mm。搅拌头的旋转速度为 1500r/min，焊接 速度分别选用 40mm/min（1#）、60mm/min（2#）、 80mm/min（3#）、120mm/min（4#），搅拌针的前进 倾角为 5°，搅拌针相对于铝板上表面的下压量为 2.35mm，搅拌针进入钢板的深度为 0.35mm。
由图 3 分析得，随着焊接速度的增加，接头拉 剪破坏载荷呈现降低的趋势，焊接速度由 40mm/min 增加到 120mm/min 过程中，接头破坏载 荷降低了 58.7%，破坏模式也由母材断裂演变成界 面层破坏，说明焊接速度对铝/钢异种金属搅拌摩擦
（d）4#试样（焊接速度 120mm/min） 图 5 FSW 焊缝宏观照片
铝/钢异种金属搅拌摩擦焊接头显微组织和力学性能研究
孔德凝 林健 雷永平 杨硕 ( 北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124 )
摘 要：研究了焊接速度对铝/钢异种金属搅拌摩擦焊（FSW）搭接接头宏观形貌、界面层显微组织和拉剪破坏载荷的影响。 研究结果表明：采用搅拌针进入钢板的焊接方式，可以获得拉剪强度较高的铝/钢异种金属搅拌摩擦焊接头；前进侧和后退 侧界面层表现出不同的显微组织形貌，对接头强度起主要作用的是焊核处的“洋葱瓣”状结构和界面层的冶金结合。随着焊 接速度的提高，接头拉剪破坏载荷逐渐降低，焊核处出现隧道式通孔，界面层宽度逐渐减小，“洋葱瓣”状结构趋于不明显， 界面层冶金反应有减弱的趋势。 关键词：铝/钢异种金属；搅拌摩擦焊；焊接速度；显微组织；力学性能
0 序言
层形貌和元素组成等性能。
汽车产业是全球制造业的支柱产业之一，随着 全球范围内不断出现能源短缺和环境污染等问题， 实现汽车车身轻量化是改善汽车燃油经济性，行车 安全性和减少大气污染的有效方法。铝合金具有质 轻、易加工、耐腐蚀等特点[1]，用铝合金部分代替 钢可实现汽车轻量化。在汽车车身材料中铝合金与 钢同时存在，由此需要对铝合金和钢的异种金属连 接问题进行研究[2, 3]。
1500rpm
10mm
5°
AA6061 2.35mm Low carbon steel
Welding direction
图 1 搅拌摩擦焊示意图
2mm 1.2mm
材料
Al6061 低碳钢
表 1 AA6061 铝合金和镀锌低碳钢的化学成分含量和力学性能
化学成分（%）
Si Fe C Cu Mn Mg S Ti Al Zn P Cr
采用扫描电子显微镜和能谱分析仪对界面显 微结构和元素成分进行了分析，1#试样和 3#试样界 面层的前进侧、后退侧的显微结构如图 8 所示，其 元素成分组成如表 3 所示。
A B
C D
E F
（a）1#轴肩作用区界面层
3 结论
G
（b）3#轴肩作用区界面层 图 8 铝/钢异种金属 FSW 接头微观组织
表 3 界面层成分分析结果
钢和铝合金的焊接性较差，采用传统的电弧焊 接时易出现接头氧化、过渡层有脆性金属间化合物 存在、焊缝成分不均匀、焊接变形大和产生裂纹等 问题[4]。
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是一 种新型的固相连接工艺。1991 年，英国焊接学会 （TWI）发明了搅拌摩擦焊技术[5]。该技术具有生 产效率高、节省能源、焊后变形和残余应力小及投 资成本低等优势[6~8]。
由图 8(a)及表 3 可知，形成此结构的原因初步 分析为：在焊接过程中，铝板在搅拌针和轴肩的热 机共同作用下塑化，塑化的铝在轴肩压力作用下， 被挤入铝合金和钢的间隙里，塑化的铝的传热作用 和轴肩摩擦产生的热量，使镀锌层熔化。随后焊缝 快速冷却，在后退侧，首先形成 Zn 固溶体（B 区）， 进行匀晶转变，然后通过共晶转变，形成 Al-Zn 共 晶组织（C 区）；在前进侧，则很少有塑化的铝进入， 铝与锌相互渗透，进行结合，首先形成 Al 固溶体 （E 区），继续冷却，则形成 Al-Zn 共晶组织（F 区）。
焊前试样用丙酮擦洗试件表面，以去除表面杂 质及油污。焊后，根据 GB/T 2651-2008《焊接接头 拉伸试验方法》，制作接头拉剪试样（如图 2），在 型号为 MTS810 的万能材料试验机上进行拉剪破坏 实验，拉伸速率为 1mm/min，每种焊接速度选取 3 个拉剪试样进行试验；沿垂直于焊接方向截取焊缝 试块，用于制备金相试样，试样用体积比为 1:1.5:2.5:95 的 HF+HCl+HNO3+H2O 的试剂腐蚀，用 于观察焊缝横截面显微组织及显微硬度测试，并分 析焊接速度对试件拉剪破坏载荷、焊缝形貌和微观 组织的影响。
随着焊接速度的提高，由图 8(b)可知，结合面 后退侧在冷却过程中，熔融的 Al 主要粘附在固态 铝表面，说明其粘度较大，温度较低，与 Zn 反应 不充分，没有形成明显的固溶体和共晶组织；在前 进侧，还存在着未熔化的镀锌层（G 区域）[15]，说 明热输入量和熔融的铝传热作用减弱，铝和锌没有 形成较明显的固溶体和共晶组织。热输入量降低， Al-Zn 没有进行充分的相互扩散，可能是导致界面 强度低的一个原因。
随着焊接速度提高，搅拌针在经过区域所形成 的孔隙来不及被回填，导致焊核区出现隧道式的孔 洞，并随焊接速度的增加而明显增大。在 2#试样焊 核底部已经出现一薄层孔隙，3#、4#焊核处则已经 出现的隧道式的空洞，此缺陷的存在对接头强度有 一定减弱作用，分析认为，此隧道式孔洞的出现是 接头强度随焊接速度增加而降低的一个重要原因。
“洋葱瓣”结构的形成原因[12]是焊核区塑化金 属在搅拌针螺纹的摩擦力和压力共同作用下，向上 作螺旋形运动，迫使焊核周围塑化的钢进入铝合金 中，而同时搅起的钢又受到轴肩处金属的挤压和焊 缝下部出现的瞬时低压作用，呈向下运动趋势，因 此最终呈现出钢以“弯钩状”或“钳状”（如图 6(b) 所示）形式和铝合金紧密结合，钢合金和铝合金呈 交迭分布。
11 Two points at 10.97mm
10
9
8
7
6
5 60 70 80 90 100 110 120
Welding speed (mm.min-1)
图 7 结合面宽度随焊接速度的变化曲线
随着焊接速度的提高，钢与铝合金进行机械结 合的“洋葱瓣”状结构愈加不明显，且逐渐出现隧 道式孔洞，并且，由于焊接热输入的减少，结合面 积随之减小。综合以上原因，最终表现为结合强度 随焊接速度的提高而降低，接头破坏模式出现由母 材断裂到结合面处断裂的转化。 2.3 焊接速度对界面显微组织和微区成分的影响