摘要
异种金属摩擦焊时，通常要求热源温度不超过低熔点金属的熔点。对此，为保证铝与高强钢摩擦焊接质量，本文提出了一种基于辅助热源的摩擦焊接技术，以铝钢低温摩擦焊为前提，在钢侧增加辅助感应加热系统，通过焊前对钢进行预热，降低铝钢焊接界面的温度差异以及摩擦焊前期的峰值扭矩，同时利用感应热源的热效应和磁效应，结合摩擦焊的热机效应，改善接头界面组织结构。在此焊接技术的基础上，采用扫描电镜、能谱仪以及X射线衍射分析仪，研究了300℃、400℃、500℃、600℃不同辅助加热温度下，钢侧端面镀Ni和不镀Ni时接头的界面行为，并对预热500℃下得到的焊接接头，进行一定时长的热处理，分析了接头界面组织结构在热处理过程中的变化情况。此外探究了铝与高强钢低温惯性摩擦焊接头金属间化合物的生长机理。 研究结果表明：从300℃-600℃随着辅助加热温度的升高，界面Al、Fe元素扩散深度增加，界面化合物均匀性得到改善，厚度随之增加，接头抗拉强度也随辅助加热温度升高而升高。钢侧不镀Ni时300℃时界面化合物主要为FeAl和FeAl2相，400℃、500℃、600℃时新增加了Fe2Al5相生成。Ni层的加入能够有效的阻止Al元素向钢侧扩散，防止界面生成Al-Fe间脆性化合物，转而生成AlNi、Al3Ni、Al3Ni2等韧性较好的化合物；并且相同参数下镀Ni后界面化合物层的分布均匀性以及厚度均高于未镀Ni接头；接头强度整体高于未镀Ni接头。 对500℃辅助加热焊接接头，进行焊后300℃不同时长保温研究结果表明：接头界面化合物层厚度，从1h-4h随着保温时间的延长逐渐增加，其中在保温时间较短时(1h、2h)，化合物层厚度增加较小，当保温时间继续延长时，厚度会出现明显变化；镀Ni接头界面热处理后增加了AlNi3相生成，未镀Ni接头出现了Fe3Al相，同时焊态下界面存在的FeAl2相会分解为FeAl和Fe2Al5相。随保温时间的延长，接头的抗拉强度整体呈现上升的趋势，保温时间为1h和2h时，未镀Ni接头强度增加较为明显，镀Ni接头强度3h后才会出现明显提升，当保温时间达到4h时接头强度分别达到124.6MPa(未镀Ni)和125.1MPa(镀Ni)。 根据Fe-Al间的热、动力学理论，对Fe-Al间化合物的生成关系进行计算，结果表明：Fe2Al5相是接头界面化合物的主要成分，焊态下铝钢界面不会有Fe3Al相生成。最后根据试验测得数据与热、动力学之间的关系，建立了铝钢焊接过程以及焊后热处理过程中界面化合物的生长模型，阐述了界面化合物的生成规律，为后续的铝钢辅助热源惯性摩擦焊接技术提供了可靠的理论支撑。
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