双面摩擦搅拌点焊技术实现超高强轻质钢与低碳钢异质连接的微观结构特征与结合机制

为解决汽车轻量化中Fe-Mn-Al-C高强轻质钢与低碳钢异质焊接难题，研究人员采用双面摩擦搅拌点焊(FSSW)技术，通过碳化钨工具实现了高质量连接。该研究获得剪切拉伸断裂载荷17.93±0.75 kN的稳定塞状断裂接头，有效结合尺寸达11.8 mm，板厚保留率77%，并通过抑制钩状缺陷和形成1-3 μm过渡区的冶金结合与机械互锁双重强化机制，为高强合金焊接提供了新方案。

　　

随着全球环保要求日益严格，汽车工业对轻量化材料的需求愈发迫切。Fe-Mn-Al-C系轻质钢因其独特的性能组合——密度比传统钢材低10%-20%，同时具备1338 MPa的超高强度，成为极具潜力的轻量化解决方案。然而，这类材料的高锰(>10 wt%)、高铝(>5 wt%)和高碳(0.76 wt%)特性，使其在传统熔焊过程中极易出现锰元素烧损、偏析和焊接裂纹等缺陷。更棘手的是，当需要将这种"娇气"的高强钢与广泛使用的低碳钢（屈服强度仅215 MPa）进行异质连接时，巨大的强度差异让传统焊接技术束手无策。

针对这一工程难题，清华大学的研究团队创新性地采用双面摩擦搅拌点焊(double-sided FSSW)技术，使用碳化钨(cemented carbide)工具成功实现了1.5 mm厚超高强轻质钢与2 mm厚低碳钢的可靠连接。这项突破性研究发表在《Materials Today Communications》上，不仅解决了异种钢材焊接的行业痛点，更开辟了高强合金连接的新路径。

研究团队主要运用了以下关键技术：通过双面同步搅拌设计（上/下板各设15 mm直径搅拌肩）优化材料流动；采用红外热像仪监测焊接热循环；结合EBSD(电子背散射衍射)和EPMA(电子探针显微分析)解析微观结构；通过有限元模拟再现热-力耦合过程；采用拉伸试验机进行力学性能测试。

【Microstructure of base material】
基础材料分析显示：低碳钢为平均晶粒35.2 μm的单相铁素体组织；轻质钢则呈现典型的奥氏体基体+κ-碳化物(晶界处20-50 nm析出相)的复相结构，这种纳米级析出相是其超高强度的关键。

【Thermal evolution during welding process】
热模拟结果表明：焊接初期（0.5秒）接触界面温度即达600°C，1秒后升至800°C峰值。这种快速升温有效避免了Mn/Al元素偏析，同时高强度差（轻质钢/低碳钢=4.6:1）导致独特的非对称材料流动——低碳钢发生剧烈塑性变形并向上涌出，形成机械互锁结构。

【Conclusions】
研究得出三大创新结论：(1)首次实现轻质钢/低碳钢异质接头17.93 kN的稳定塞状断裂，有效结合尺寸达肩部直径的78.7%；(2)通过双面搅拌设计将有效板厚保留率提升至77%（传统FSSW仅约50%），关键是通过抑制钩状缺陷(hook defect)优化了载荷传递路径；(3)界面结合存在双重机制：1-3 μm宽的过渡区（Mn/Al元素扩散形成冶金结合）与犬牙交错的机械互锁结构协同作用。

该研究的工程价值在于：碳化钨工具寿命是传统氮化硅工具的3-5倍，大幅降低生产成本；提出的双面搅拌策略可推广至其他高强合金（如钛合金、镍基合金）连接；建立的"冶金-机械"双重复合强化理论为异质材料连接提供了新范式。正如通讯作者Hidetoshi Fujii指出："这项技术使汽车减重10%-15%成为可能，相当于每辆车每年减少0.5吨CO₂
排放"。