铝/钢的双旋转摩擦搅拌焊接：抑制金属间化合物的生长以提高接头性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Dual-Rotation Friction Stir Welding of Al/Steel: Suppressing Intermetallic Compound Growth for Enhanced Joint Performance

铝/钢异种材料双旋转摩擦搅拌层焊工艺研究表明，通过降低针旋转速率至300 rpm（肩部保持600 rpm），IMC层厚度由2.9 μm降至280 nm（90%减薄），并从脆性Al-rich相转变为韧性Fe-rich相，同时NZ晶粒细化至11 μm。最终实现焊接接头剪切强度420 N/mm（较常规工艺提升121%），疲劳强度90 N/mm（提升50%），验证了热输入精准调控对异种焊接性能的关键作用。

　　在现代交通运输、船舶制造和汽车轻量化领域，铝与高强度钢的异种搭接焊接技术正受到越来越多的关注，尤其是在新能源汽车和轻量化轨道交通结构的发展背景下。铝与钢在熔点、热膨胀系数和热导率方面存在显著差异，这使得传统的熔焊技术（如TIG、MIG和激光焊）难以满足高性能焊接需求。这些技术容易在焊接界面形成较厚且脆性的金属间化合物（IMC），例如Fe?Al?和FeAl?，从而影响接头的抗拉剪切力和韧性，并成为裂纹萌生的首选位置，严重削弱了接头的性能和可靠性。因此，为了克服这一问题，研究者们探索了多种方法，包括通过添加合金元素或使用中间层来改变界面成分，以及采用低热输入的固态焊接技术。这些方法在一定程度上能够抑制IMC的生长，提升接头性能。

固态焊接技术中的摩擦搅拌焊接（FSW）因其节能环保的特性，近年来被广泛应用于铝与钢的异种焊接。与传统熔焊相比，FSW能够避免气孔和裂纹等缺陷，同时实现更精细的微观结构和更优异的机械性能。对于铝与钢的异种搭接结构，摩擦搅拌搭接焊接（FSLW）在抑制连续IMC增厚方面表现出显著优势，从而增强接头的整体性能。研究表明，精确的热输入控制是提升FSW铝钢异种接头质量的关键因素。过高的热输入会导致IMC层持续增厚，而过低的热输入则可能导致材料流动不足，产生空洞和隧道缺陷。因此，如何有效控制热输入，同时保证材料流动的充分性，成为铝钢异种焊接中的重要课题。

为了进一步优化热输入控制，本研究引入了双旋转摩擦搅拌搭接焊接（DR-FSW）技术。该技术允许独立调节肩部和针部的旋转速度，从而在热输入调节方面提供了更大的灵活性。与传统FSW相比，DR-FSW能够更精细地控制焊接过程中不同区域的热输入，避免过高的热输入导致IMC层增厚，同时确保材料流动的充分性，防止因热输入不足而产生的缺陷。本研究首次将DR-FSW应用于2 mm厚的5083铝合金与1.4 mm厚的DP780双相钢的搭接焊接，探索了不同参数对IMC形成和接头性能的影响。

实验结果显示，DR-FSW工艺能够将传统工艺下形成的2.9 μm厚的脆性IMC层厚度减少至280 nm，减少了约90%。同时，IMC的组成从脆性的Al-rich转变为更坚韧的Fe-rich，这显著改善了接头的性能。此外，接头的晶粒尺寸也有所减小，从20 μm减少至11 μm，而接头区域的硬度显著提升。DR-FSW接头的抗拉剪切强度达到了420 N/mm，比传统工艺提升了121%。在疲劳性能方面，疲劳强度从60 N/mm提升至90 N/mm，提升了50%。这些结果表明，DR-FSW为铝与钢的异种焊接提供了一种新的工艺方法，具有在交通运输领域实现轻量化应用的巨大潜力。

为了进一步分析DR-FSW工艺对焊接性能的影响，本研究采用了系统的方法，包括对焊接界面的宏观形态、微观结构、硬度以及力学性能进行详细评估。实验中，使用了不同参数组合进行焊接，包括肩部旋转速度和针部旋转速度的独立调节，以及双道次焊接策略。通过调整肩部旋转速度和针部旋转速度，研究者能够更精确地控制焊接过程中的热输入，从而影响IMC层的厚度和组成，进而影响接头的整体性能。

在宏观形态方面，实验结果显示，传统工艺下的焊接接头具有较厚的IMC层，并且容易产生缺陷，如隧道和Hook缺陷，这直接导致接头的性能下降。相比之下，采用DR-FSW工艺后，IMC层的厚度显著减少，同时减少了脆性IMC的形成，提高了接头的韧性。此外，双道次焊接策略虽然能够扩展有效搭接宽度（ELW），但过高的热输入会导致IMC层增厚，进而影响接头的机械性能。因此，如何在保证有效搭接宽度的同时，避免热输入过高，成为优化DR-FSW工艺的关键。

在微观结构方面，研究发现，通过降低肩部旋转速度，可以显著减少热输入，从而抑制晶粒的粗化。同时，降低针部旋转速度能够减少焊接界面的摩擦热，进一步抑制IMC的生长。实验中，采用DR-FSW工艺后，焊接接头的晶粒尺寸从20 μm减小至11 μm，而高角度晶界（HAGBs）的比例从63.8%增加至68%。这些变化表明，DR-FSW工艺能够有效改善焊接接头的微观结构，从而提升其整体性能。然而，双道次焊接策略会导致晶粒尺寸的略微增加，因为额外的热循环会促进晶粒的恢复和生长，进而影响接头的机械性能。

在硬度方面，研究发现，焊接接头的硬度分布呈现出显著的变化。传统工艺下，焊接接头的硬度分布呈现典型的W型，即在热影响区（HAZ）硬度最低，而在焊核区（NZ）硬度较高。相比之下，采用DR-FSW工艺后，焊接接头的硬度在HZ和NZ区域均有所提升，这表明热输入的降低有效抑制了接头的软化现象。然而，双道次焊接策略会导致硬度的显著下降，尤其是在HZ区域，硬度降低至75 HV，而在NZ区域，硬度也下降至80 HV。这表明，热输入的累积会对焊接接头的硬度产生负面影响，从而影响其机械性能。

在力学性能方面，研究发现，采用DR-FSW工艺后，焊接接头的抗拉剪切力显著提升，从传统工艺下的190 N/mm增加至420 N/mm，提升了121%。这一提升主要归因于IMC层的厚度减少和组成转变，从脆性的Al-rich转变为更坚韧的Fe-rich，同时晶粒尺寸的减小和硬度的提升。然而，双道次焊接策略会导致抗拉剪切力的下降，从420 N/mm降低至315 N/mm，这与IMC层的增厚和HZ区域的晶粒粗化有关。因此，如何在保证有效搭接宽度的同时，避免热输入过高，成为优化DR-FSW工艺的关键。

在疲劳性能方面，研究发现，采用DR-FSW工艺后，焊接接头的疲劳强度显著提升，从传统工艺下的60 N/mm增加至90 N/mm，提升了50%。这一提升主要归因于IMC层的厚度减少和组成转变，以及HZ和NZ区域的硬度提升。此外，疲劳裂纹的萌生位置也发生了变化，从传统工艺下的焊接界面转移到HZ区域，这表明接头的界面韧性得到了显著改善。研究还发现，疲劳裂纹的传播区呈现出明显的疲劳条纹，这表明裂纹在循环载荷下的传播是稳定的。最终的断裂区则显示出典型的韧性凹坑结构，这表明接头在高应力下的断裂是延性的，而非脆性的。

综上所述，本研究通过DR-FSW工艺对铝与钢的异种搭接焊接进行了系统分析，发现该工艺能够有效减少IMC层的厚度，同时改变IMC的组成，从而提升接头的机械性能和疲劳性能。这些结果为铝钢异种焊接提供了新的工艺思路，具有在交通运输领域实现轻量化应用的巨大潜力。然而，双道次焊接策略虽然能够扩展有效搭接宽度，但过高的热输入会导致IMC层增厚，进而影响接头的性能。因此，如何在保证有效搭接宽度的同时，优化热输入控制，成为进一步提升DR-FSW工艺的关键。