【摘 要】
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铝/钢复合构件兼具铝材质轻和钢材高强的特点,被广泛应用在航空航天、船舶、汽车制造等领域。连续驱动摩擦焊作为一种固相焊接技术在铝/钢构件的焊接领域具有无可比拟的优势,能够有效避免传统熔焊过程中气孔,热应力裂纹等缺陷的形成。然而大直径铝/钢连续驱动摩擦焊构件在焊接过程中由于摩擦扭矩大,容易出现“闷车”现象。工业生产中通常采用多级摩擦来避免“闷车”现象的产生。然而,多级摩擦往往会增加焊接过程中的热输入,
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铝/钢复合构件兼具铝材质轻和钢材高强的特点,被广泛应用在航空航天、船舶、汽车制造等领域。连续驱动摩擦焊作为一种固相焊接技术在铝/钢构件的焊接领域具有无可比拟的优势,能够有效避免传统熔焊过程中气孔,热应力裂纹等缺陷的形成。然而大直径铝/钢连续驱动摩擦焊构件在焊接过程中由于摩擦扭矩大,容易出现“闷车”现象。工业生产中通常采用多级摩擦来避免“闷车”现象的产生。然而,多级摩擦往往会增加焊接过程中的热输入,导致焊接界面形成厚且不均匀的脆硬Fe-Al金属间化合物。上述问题在很大程度上限制了铝/钢构件的加工制造和力学性能。在铝/钢界面添加中间层可以降低焊接过程中的摩擦扭矩,抑制界面Fe-Al元素的相互扩散从而减小界面金属间化合物的厚度,可以有效改善接头的整体性能。本文采用连续驱动摩擦焊对焊接面添加/未添加Zn/Ag中间层的四种Q235低碳钢棒（焊接端直接=120mm）和1060纯铝棒（焊接端直接=90mm）进行焊接。采用VCMM法采集焊接过程中主电机定子电压,电流信号,分析得到焊接过程中的摩擦扭矩。采用热电偶法采集焊接过程中距Q235钢棒焊接面6mm,距中心0.5R的位置的温度。分析Zn/Ag中间层对焊接过程中的摩擦扭矩、温度、焊后接头的力学性能以及界面处的微观组织的影响。主要研究成果如下:添加Zn中间层的接头在9.2s到达初始峰值扭矩35.5 N·m,而未添加Zn中间层的接头在19.6 s到达初始峰值扭矩32.8 N·m,可以发现Zn中间层将初始峰值扭矩到达的时间推迟了10.4 s,但对于初始峰值扭矩的大小却没有明显的降低效果。Zn中间层导致焊接过程中的峰值温度从433℃降低到383℃,从而减小了中心区域金属间化合物的厚度。添加Zn中间层的接头局部最大拉伸强度提高了7.8%,平均拉伸强度提高了7%。中心区域的Zn中间层在焊接过程中被摩擦压力挤压到了外缘,在距中心1/2R的区域形成韧性较好的Fe2Al5Zn0.4,在距中心2/3R区域存在大量的Zn元素偏聚现象。Ag中间层可以有效降低接头在焊接过程中的初始峰值扭矩及温度,焊后接头的界面组织及性能沿径向的不均匀现象依然存在。接头在0.5R～0.8R区域的抗拉强度提高了8.2%,0.6R～0.8R区域的平均弯曲角度从14°提高到了90°且焊缝处没有明显的裂纹,但对0.2R～0.5R区域的韧性和抗拉强度并没有明显的改善效果。这是由于Ag中间层改变了焊接过程中界面粘塑性金属的流动形式,在焊接过程中Ag中间层被轴向正压力P挤压到0.5R～R区域,很大程度上阻止了Fe2Al5,Fe4Al13等硬脆相在0.5R～0.8R区域生成,并且在该区域生成Ag2Al,Ag3Al等韧性较好的相。同时由于Ag中间层降低了界面的焊接温度,从而有效抑制了Fe2Al5,Fe4Al13等脆性相在0.2R～0.4R区域的生成。
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