摘要
轻量化推动了汽车行业对于高比强度材料需求的增长，轻质高强的铝合金和先进高强钢逐步替代传统钢铁材料在汽车制造等领域得到广泛应用。由于铝和钢的热物理性质差异极大，采用传统熔化焊接时界面易生成较厚的硬脆性Al-Fe金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs），严重降低了接头力学性能。搅拌摩擦搭接焊（Friction Stir Lap Welding, FSLW）作为一种固相连接技术，能有效避免材料在熔化焊接中因高温产生的气孔、热裂纹、成分偏析等问题，可实现铝钢异种材料的高效优质焊接。 本文采用 FSLW 技术对 6061-T6 铝合金与 QP1180 钢进行了焊接，在微观组织、力学性能、疲劳性能和中间层对接头组织及性能的影响机制等方面展开系统研究。本文首先研究了焊接参数对接头微观组织和力学性能的影响，在此基础上分析了采用最优参数获得的接头的疲劳性能及断裂模式，最后讨论了中间层材料对接头界面组织和疲劳性能的影响。本研究的主要内容和结论如下： 采用不同压下量（0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm）和不同转速（500 rpm、1000 rpm）对铝和钢异种材料进行FSLW。结果表明：压下量为0.2 mm时，接头的界面结合状态和力学性能最优。与高转速（1000 rpm）接头相比，低转速（500 rpm）接头的热输入更低，界面金属间化合物层厚度更小，铝侧各区域晶粒更细，显微硬度更高，该接头最优剪切强度为 7.6 kN。界面层由于非对称扩散形成了具有浓度梯度的富铝层和富铁层，主要包含Al13Fe4、Fe2Al5、Fe3Al三种金属间化合物。 研究了不同参数和载荷对接头疲劳性能和断裂模式的影响，分析了接头在不同断裂模式下的损伤机制。焊接参数为500 rpm-150 mm/min-0.2 mm的接头表现出最优的疲劳性能，在疲劳载荷为1.5 kN时循环次数达到106。不同载荷下，由于应力集中位置不同接头倾向于产生不同的断裂模式：载荷较高时（≥ 4.5 kN），接头易发生界面断裂；载荷较低时（＜4.5 kN），接头易发生铝侧断裂。在两种断裂模式下，裂纹均萌生于Hook外侧的金属间化合物层，硬脆的Al-Fe系金属间化合物是接头发生开裂失效的主要原因。 研究了中间层Ni对接头疲劳性能和界面硬脆性的影响。中间层阻隔了FSLW过程中铝钢的直接接触，形成了一层以Al3Ni、AlNi、Al3Ni2为主的Al-Ni过渡层。第一性原理计算表明：Al-Fe 系金属间化合物多表现为硬脆性，Al-Ni 系金属间化合物多表现为韧性。Ni 层的加入提高了铝钢接头的疲劳性能，在循环次数为 106下，疲劳极限载荷提高至2.25 kN；此外，具有足够韧性的Al-Ni金属间化合物层有效延缓了裂纹的萌生与扩展，避免了接头在疲劳循环载荷下过早开裂。
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