摩擦搅拌铆焊（FSRW）连接AA6061-T6铝合金板材：热力调控微观组织与力学性能增强的混合连接方法

《Journal of Materials Research and Technology》：Friction stir rivet welding of AA6061-T6 sheets: A hybrid bonding approach with thermo-mechanically regulated microstructure and enhanced mechanical properties

　　

轻质合金接头采用传统搅拌摩擦点焊（FSSW）连接时，通常存在匙孔（keyhole）和钩状缺陷（hook defects），这些缺陷削弱了力学性能并限制了其工程应用可行性。本研究将摩擦搅拌铆焊（FSRW）技术应用于AA6061-T6铝合金板材，实现了上下板材界面处的冶金连接与铆钉–板材界面处的机械互锁。研究考察了微观组织演变、动态再结晶机制以及焊接参数对力学性能的影响。微观组织表征显示，搅拌区（stir zone, SZ）发生连续动态再结晶（continuous dynamic recrystallization, CDRX），晶粒细化至2.08 μm，再结晶分数达75.9%。铆钉–板材界面处的峰值温度维持在AA6061-T6固相线温度的70%–90%，抑制了Fe–Al金属间化合物（intermetallic compounds, IMCs）的生成。旋转速度、进给速率和保压时间共同决定热历史，进而控制有效连接尺寸及相应的微观组织特征。力学响应受热致微观组织演变与有效连接尺寸变化的协同控制。在优化工艺条件下，FSRW接头获得的最大剪切拉伸强度和十字拉伸强度分别为11.09 kN和8.12 kN，较传统FSSW接头分别提高82.7%和235.5%。中断断裂观察表明，裂纹优先在迁移后的上下板材界面处萌生，而较高的热输入促进断裂模式由韧窝主导的延性断裂向剪切主导的剥离或拔出断裂转变。上述发现证明，在工艺参数得到适当控制的前提下，FSRW是一种适用于轻量化结构的高强度连接技术。

一、研究背景与意义

在全球轻量化制造趋势下，航空航天、轨道交通和汽车等行业对高可靠性连接技术提出了日益严苛的要求。铝合金凭借低密度、良好成形性、优异耐蚀性和高比强度，成为轻量化结构的主要材料。点焊是此类结构件的主导连接方式，接头质量与力学性能直接决定装配体的整体安全性与可靠性。

传统搅拌摩擦点焊（FSSW）通过摩擦加热和塑性变形实现铝合金板材的固相连接，相较于传统铆接、电阻点焊和熔焊具有抑制凝固裂纹与气孔、降低能耗、减小成形力、改善气密性和减少飞溅等优势。然而，该工艺固有的两个缺陷——出口匙孔和板材界面处向上弯曲的钩状结构——显著削弱了接头强度并限制了工程应用。为克服上述局限，研究者提出了多种将机械紧固与固相连接原理相结合的衍生技术，包括改性搅拌摩擦咬合连接（MFSC）、摩擦点挤压焊-钎焊、摩擦搅拌盲铆（FSBR）、流钻螺钉（FDS）、摩擦搅拌单元焊接（FSEW）和摩擦自冲铆接（F-SPR）等。然而，这些技术各自面临挑战：FSBR存在铆钉热磨损问题；FDS接头下板支撑不足易产生孔洞且螺纹突出影响耐蚀性；FSEW热输入过高导致铝基体软化与气孔；F-SPR对铆钉与下模对准精度要求极高。

本研究在前期提出的摩擦搅拌铆焊（FSRW）技术基础上开展系统性研究。FSRW采用螺纹铆钉同时产生焊接热量并提供机械互锁，兼具冶金连接与机械互锁的双重连接机制。已有研究表明，相较传统FSSW，FSRW可将剪切拉伸强度提高65%、十字拉伸强度提高170%。然而，FSRW过程中动态再结晶机制、晶界特征以及工艺参数对微观组织和力学性能的系统性影响尚缺乏深入认识。本研究旨在阐明FSRW接头的混合连接机制、微观组织演变规律、工艺参数-组织-性能关联以及断裂失效机理，为高性能铝合金板材点焊技术的发展提供实验与理论基础。

二、研究内容与主要结论

研究人员将FSRW技术应用于3 mm厚AA6061-T6铝合金板材（郑州明泰铝业有限公司提供），采用35CrMo钢螺纹铆钉（深圳索佳科技有限公司提供，单件质量5.85 g），系统考察了旋转速度（600–1400 r·min^-1）、进给速率（10–50 mm·min^-1）和保压时间（3–15 s）对接头成形质量、微观组织演变、力学响应和断裂行为的影响。主要结论如下：

FSRW接头实现混合连接机制：上下板材界面在搅拌区内形成致密的冶金连接，界面逐渐消失；铆钉–板材界面形成波浪状机械互锁结构，螺纹几何约束提供额外载荷传递路径。EDS分析表明，铆钉–板材界面峰值温度维持在AA6061-T6固相线温度的70%–90%，未达到Fe–Al金属间化合物（IMCs）形成的临界温度（约660 °C），界面处未检测到脆性IMCs。

微观组织演变遵循连续动态再结晶（CDRX）机制：搅拌区（SZ）晶粒细化至2.08 μm，再结晶分数达75.9%，大角度晶界（HAGBs）比例升至66.24%；热力影响区（TMAZ）呈现再结晶、亚晶和变形晶粒混合组织，平均晶粒尺寸3.31 μm；热影响区（HAZ）以热暴露为主，平均晶粒尺寸9.33 μm。平均晶粒尺寸遵循HAZ > TMAZ > SZ的梯度规律。

旋转速度通过调控热输入和应变速率双重机制影响晶粒尺寸：本研究中热输入占主导，晶粒尺寸随转速升高而增大；KAM值随转速升高从0.31°降至0.19°，表明热激活回复与再结晶增强。显微硬度分布显示，SZ和TMAZ硬度随热输入增加而升高，HAZ硬度略有下降。

力学性能呈现非单调变化：最大剪切拉伸载荷11.09 kN和十字拉伸载荷8.12 kN均在n_s=800 r·min^-1、v=30 mm·min^-1、t=9 s条件下获得，较传统FSSW接头分别提高82.7%和235.5%。剪切拉伸强度主要受界面迁移参数t_i和w_i控制，十字拉伸强度主要取决于t_i和有效啮合高度h_s。高转速或高进给速率下，螺纹根部填充不充分形成孔洞缺陷，成为附加应力集中源。

中断断裂观察揭示：裂纹优先在迁移后的上下板材界面处萌生；低热输入条件下呈韧窝主导的延性断裂，高热输入条件下转变为剪切主导的剥离或拔出断裂。

三、主要技术方法

研究人员采用以下关键技术手段：搅拌摩擦铆焊（FSRW）工艺实验，基于控制变量法设计工艺参数矩阵；光学显微镜（OM）和体视显微镜（SMZ745）进行宏观成形特征与微观组织观察；扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）表征界面结合机制与元素分布；电子背散射衍射（EBSD）技术分析晶粒形貌、晶界特征、取向差分布和KAM值；显微硬度测试（铝侧200 g载荷、铆钉侧500 g载荷，保压15 s）；依据AWS D8.9M:2012标准开展剪切拉伸和十字拉伸力学测试（Instron 5982万能试验机，十字头速度2 mm/min）；中断试验观察裂纹萌生与扩展行为。

四、讨论与结论

讨论部分指出，FSRW接头的力学响应受热致微观组织演变与有效连接尺寸变化的协同控制。旋转速度、进给速率和保压时间通过调控热历史和应变速率，共同决定搅拌区微观组织特征和界面迁移行为。高转速促进材料塑性流动和界面向上迁移，但过高的热输入导致螺纹根部填充不充分形成孔洞缺陷；低进给速率延长接触时间增加热输入，高进给速率则降低单位深度热输入。显微硬度分布反映晶粒尺寸、变形强化、回复/再结晶和析出相演变的综合效应。

研究结论表明：FSRW实现了冶金连接与机械互锁的协同作用，搅拌区经历连续动态再结晶获得细晶组织；铆钉–板材界面温度控制在固相线温度的70%–90%有效抑制Fe–Al金属间化合物生成；工艺参数通过调控热历史和有效连接尺寸决定力学性能；优化条件下FSRW接头剪切拉伸强度较传统FSSW提高82.7%，十字拉伸强度提高235.5%；裂纹优先在迁移后的上下板材界面萌生，高热量输入促进断裂模式由韧窝主导转向剪切主导。上述发现证明，在工艺参数得到适当控制的前提下，FSRW是一种适用于轻量化结构的高强度连接技术，为高性能铝合金板材点焊提供了可行的技术路径。