《Materials Today Communications》：Rotation Speed Controls Microstructure Evolution and Joint Strength in Pre Holed Pinless Friction Stir Rivet Welding of Aluminum to Steel
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為應對傳統鉚接與熔焊在連接鋁/鋼異種材料時存在的初始缺陷、脆性金屬間化合物(IMC)層等問題，研究人員開展了一項關于預制孔無針攪拌摩擦鉚焊(FSRW)工藝的研究。他們系統探究了攪拌頭轉速(1500-3500 rpm)對AA6061-T6鋁合金與304不銹鋼連接接頭界面溫度、微觀結構及力學性能的影響。研究結果表明，在2500 rpm轉速下，接頭獲得了最佳的鋼-鉚釘冶金結合與最小的未結合區長度，峰值載荷達到最大值8311 N。該工作通過機械互鎖與局部冶金結合的協同作用，顯著提升了接頭的承載能力，為實現高效可靠的鋁-鋼輕量化連接提供了理論依據和技術參考。
在現代工業，特別是航空航天和新能源汽車領域，實現“輕量化”是提升性能、降低能耗的關鍵途徑。鋁合金和不銹鋼，一個輕巧耐蝕，一個堅固強韌，本是天生一對的理想組合。然而，當工程師們試圖將這兩種“性格”迥異的金屬牢固地連接在一起時，卻遇到了不小的麻煩。傳統的熔焊方法，如電弧焊、激光焊，在連接處容易產生大量脆性的金屬間化合物(Intermetallic Compound, IMC)，導致接頭強度低、易開裂。而常用的機械連接方法，如自沖鉚接(Self-Piercing Riveting, SPR)，又存在成本高、易產生初始松動缺陷、應力集中等問題。那么，有沒有一種方法，既能像鉚接一樣提供可靠的機械鎖合，又能像焊接一樣實現原子間的冶金結合，從而獲得“1+1>2”的連接效果呢？
近期，一項發表在《Materials Today Communications》上的研究給出了一種創新性的解決方案。由Tao Jiang, Jie Li, Min Zheng, Qing Jiang, Yuhua Chen, Mingfang Xu, Shanlin Wang, Jilin Xie組成的研究團隊，開發了一種預制孔無針攪拌摩擦鉚焊(Friction Stir Rivet Welding, FSRW)新工藝，成功實現了AA6061-T6鋁合金與304不銹鋼的高質量連接。他們系統深入研究了攪拌頭旋轉速度這一核心工藝參數，如何像一位“微觀建筑師”一樣，精準調控連接接頭的“溫度場”、“材料流”和“界面結構”，并最終決定了接頭的承載能力。這項研究為突破鋁/鋼異種材料連接的瓶頸，推動輕量化結構制造技術的發展，提供了重要的理論支撐和實踐指導。
研究人員為開展此項研究，主要運用了以下幾個關鍵技術方法：首先，采用預制孔和針less攪拌工具進行FSRW工藝實驗，系統改變攪拌頭轉速(1500, 2000, 2500, 3000, 3500 rpm)，固定下壓量和駐留時間。其次，利用PT850紅外熱像儀實時監測并記錄焊接過程中的溫度場演變和峰值溫度。再者，通過光學顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)結合能譜儀(EDS)，對焊接接頭的宏觀形貌、微觀結構、IMC層形貌與成分進行系統的表征與分析。最后，使用MTS-E45萬能試驗機進行搭接剪切試驗以評估接頭力學性能，并輔以數字圖像相關(Digital Image Correlation, DIC)技術分析測試過程中的應變演化。
研究結果部分：
3.1. 紅外熱場溫度檢測
通過紅外熱成像監測發現，接頭的界面峰值溫度隨旋轉速度升高而顯著增加，從1500 rpm時的約440 °C上升到3500 rpm時的約650 °C。溫度演化曲線顯示，在初始下壓和駐留階段溫度波動顯著，隨后在駐留后期趨于穩定。這表明旋轉速度是控制焊接熱輸入的關鍵因素，而熱輸入直接影響后續的微觀組織演變。
3.2. 接頭成形
在不同轉速下，采用無針工具獲得的接頭成形良好，焊縫區相對平坦，僅在外側有少量飛邊，未發現傳統攪拌摩擦點焊典型的關鍵孔缺陷。隨著轉速提高，焊縫區表面氧化程度和飛邊高度差增加，但轉速對FSRW接頭的宏觀橫截面形貌影響不大。
3.3. 微觀結構
微觀結構分析揭示了旋轉速度對三個關鍵界面區域的深刻影響：
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鋼-鉚釘融合區：鋼板上板與鋼鉚釘在攪拌作用下形成“V”形結合界面，包含完全冶金結合區和未結合區。未結合區的長度隨轉速增加先減小后增大，在2500 rpm時達到最短(0.4 mm)，表明此時二者結合質量最佳。轉速過低時熱輸入不足，過高時(如3500 rpm)則因下層鋁合金過熱軟化失去支撐，導致未結合區變長。
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鉚釘-鋁板界面：該異質材料界面處存在間隙，且間隙寬度隨轉速增加而增大，這是由于焊接初期材料未充分軟化時，摩擦力隨轉速增加引發更明顯振動所致。
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鋼板-鋁板界面及鉤狀(Hook)結構：在所有轉速下，鋼-鋁界面均觀察到了明顯的IMC層，且其厚度隨轉速增加而持續增厚。當轉速達到2500 rpm及以上時，脆性的IMC層中出現明顯裂紋。EDS分析表明，界面處Fe和Al元素發生了相互擴散，形成的IMC主要成分為Fe4Al13。研究還發現，在鉚釘、鋁、鋼交界處形成了一個獨特的鉤狀結構，這是熱-力耦合作用下軟化鋁合金向上回填填充間隙的結果。該區域的IMC層更厚，且同樣隨轉速增厚，其成分也以Fe4Al13為主。
3.4. 拉伸性能
搭接剪切試驗結果表明，接頭的峰值載荷隨轉速增加先升后降，在2500 rpm時達到最大值8311 N。載荷-位移曲線在約5000 N處出現了一個明顯的下降階段，對應于鋼-鋁界面冶金結合的初次失效。DIC應變分析顯示，在剪切載荷下，應變集中逐漸從整個攪拌頭肩部區域轉移并累積在鉚釘周圍，證明鋼-鉚釘之間的連接對接頭性能起著主導作用。
3.5. 斷裂形貌
接頭失效模式為剪切-塞焊(Shear-Plug)斷裂，過程分為兩個階段：首先是鋼-鋁界面IMC層的脆性斷裂，然后是鋼-鉚釘連接處的失效。斷口分析顯示，鋼-鋁界面斷口平坦光滑，呈現解理臺階和河流花樣等脆性斷裂特征；而鋼-鉚釘連接處的斷口則存在豐富的韌窩，為韌性斷裂特征。這表明FSRW接頭整體呈現脆-韌混合斷裂模式。
研究結論與意義：
本研究系統闡明了旋轉速度在預制孔無針FSRW連接鋁/鋼接頭中的核心作用。研究發現，旋轉速度通過調控熱輸入，深刻影響著接頭界面溫度、IMC層形成與厚度、鉤狀結構發展以及鋼-鉚釘結合質量。在2500 rpm的優化參數下，接頭獲得了最佳的微觀結構協同效應——最短的未結合區與適中的IMC層，從而實現了最高的剪切強度(8311 N)。接頭的強化源于機械互鎖(鋼-鉚釘結合與鉤狀結構)與局部冶金結合(界面IMC層)的協同作用。其失效表現為以鋼-鋁界面脆性斷裂為先導，以鋼-鉚釘韌性剪切斷裂為主的混合模式。
這項研究的具有重要意義：首先，它提出并驗證了一種能有效克服傳統方法缺點的鋁/鋼連接新工藝(FSRW)，通過工藝創新實現了連接性能的顯著提升。其次，研究通過多尺度、多手段的表征，清晰揭示了工藝參數-微觀結構-力學性能之間的內在關聯規律，為工藝優化提供了科學依據。最后，該工作展示的機械與冶金協同強化的設計理念，為未來開發其他異種材料的高性能連接技術提供了有價值的思路。該成果發表在《Materials Today Communications》上，為推動輕量化結構在高端裝備制造領域的可靠應用貢獻了實質性進展。
