DP600双相钢与6061铝合金异种材料无针搅拌摩擦点焊的界面相形成机制及动力学研究

为解决铝/钢异种材料连接中脆性金属间化合物(IMC)影响接头强度的问题，研究人员采用无针搅拌摩擦点焊(P-FSSW)技术实现AA6061/DP600的高效连接，通过SEM-EDS和ABAQUS热力学模拟揭示了Fe4 Al13 /Fe2 Al5 相形成序列，建立IMC层厚度与焊接时间的抛物线关系(x=3.77t0.5 )，为轻量化运输装备异种材料连接提供工艺优化依据。

　　

在航空航天和交通运输领域追求轻量化的浪潮中，铝/钢异种材料组合展现出巨大潜力——铝合金(AA6061)凭借优异的比强度成为减重首选，而双相钢(DP600)则以出色的能量吸收特性保障结构安全。然而这对"黄金搭档"的焊接却面临严峻挑战：两者熔点相差近800°C，热膨胀系数差异达50%，传统熔焊极易产生裂纹、气孔等缺陷，更棘手的是界面处会形成脆性铝铁金属间化合物(Intermetallic Compounds, IMC)，如同隐藏在接头中的"定时炸弹"。现有解决方案中，带针搅拌摩擦焊虽能减少缺陷，但旋转针体对软质铝板的机械损伤又成为新的痛点。

这项发表在《Materials Characterization》的研究中，科研团队创新性地采用无针搅拌摩擦点焊(Pinless Friction Stir Spot Welding, P-FSSW)技术，通过直径16mm的钨合金工具头在DP600钢板上方施压旋转，仅靠摩擦热实现AA6061/DP600的连接。研究结合实验表征与数值模拟双重手段：采用扫描电镜-能谱联用系统(SEM-EDS)解析界面微观结构，基于ABAQUS软件建立三维热力学模型模拟焊接温度场，并运用连续冷却转变(CCT)理论预测相变过程。

热循环特征与温度场建模
有限元分析显示焊接峰值温度达527°C，低于铝的熔点但足以激活固态扩散。通过建立DP600钢的CCT曲线，证实该热循环不会引发钢侧有害相变，为工艺参数选择提供理论边界。

界面IMC相组成鉴定
SEM观测发现界面存在双层结构：靠近钢侧的5μm厚Fe₂
Al₅
相呈舌状生长形貌，铝侧则分布着3μm厚Fe₄
Al₁₃
相。热力学计算表明，在527°C峰值温度下Fe₄
Al₁₃
具有更低吉布斯自由能，优先形核成为主相，与Walser-Bené模型预测一致。

IMC生长动力学规律
通过不同焊接时间(2-8s)实验，发现IMC层厚度(x)与时间(t)服从x=3.77t^0.5
的抛物线关系，证实扩散控制机制。该模型可实现IMC厚度的精准调控，当控制焊接时间在4s内时，IMC总厚度可限制在8μm以下，避免接头脆化。

工艺优势与工程价值
相比传统FSSW，P-FSSW省去了填孔工序，工具寿命提升3倍；能量消耗降低40%的同时，接头拉剪力达到2.1kN，满足车用结构件要求。研究首次建立了P-FSSW工艺-温度-IMC演变的完整关联模型，为航空蒙皮-钢框架等异种材料连接提供了可量化的工艺窗口。Saleh Alaeibehmand等特别指出，该方法可扩展至铜/钛等更多难焊金属组合，为多材料一体化结构制造开辟新途径。