TIG弧辅助搅拌摩擦焊异种铝合金搭接接头的组织性能与耐蚀性研究

文献概况

本文发表于《中国有色金属学报》2025年第35卷第2期，由中南大学材料科学与工程学院易铁、柳升丹、方辰、蒋庚多、代轩轩等作者合作完成。研究聚焦于TIG弧辅助搅拌摩擦焊（TIG-FSW）工艺对AA6016与AA2519异种铝合金搭接接头微观组织、拉伸性能及耐蚀性的影响。该研究属于异种铝合金连接领域的热点课题，尤其对于汽车轻量化结构件中不同铝合金系的搭接应用具有重要参考价值。

核心观点与技术路线

传统搅拌摩擦焊（FSW）在异种铝合金搭接焊接中面临的核心难题包括：接头内部隧道孔缺陷、二次相颗粒粗化以及界面处微观组织的严重不均匀性。本文提出的TIG-FSW方案，通过在搅拌摩擦焊过程中引入TIG电弧作为辅助热源，旨在改善搅拌区材料流动、接触与扩散条件，从而提升接头质量。

研究采用了系统化的实验方案：

• 光学显微镜（OM）与扫描电子显微镜（SEM）用于观察接头微观组织；
• 室温拉伸试验评估力学性能；
• 腐蚀浸泡试验与电化学测量评价耐蚀性。

关键技术参数与结果分析

微观组织改善

TIG电弧的引入使得接头区域热输入更加均匀，搅拌区材料的塑性流动得到促进。具体表现为：

• 接头中隧道孔缺陷被完全消除；
• 搅拌区与热影响区的组织过渡更加连续；
• 二次相颗粒的尺寸与数量均显著减少。

这一结果可从热力学角度理解：TIG电弧提供的额外热量降低了搅拌区材料的变形抗力，使异种材料间的界面扩散更加充分，减少了因流动性差异导致的空洞形成。

拉伸性能提升

延伸率提升50%是一个相当可观的数值，说明TIG-FSW不仅提高了接头的承载能力，更显著改善了其塑性变形能力。这一特性对于承受动态载荷或冲击载荷的轻量化结构件尤为重要。

耐蚀性改善

腐蚀电流密度降低78.2%表明TIG-FSW接头的电化学活性显著降低，这与二次相颗粒减少、微观组织均匀化直接相关。在异种铝合金接头中，微观组织不均匀性是电偶腐蚀的主要驱动力，而TIG-FSW通过改善组织均匀性从根本上缓解了这一问题。

机理分析与工程思考

TIG-FSW的核心机理可归纳为以下三个层面：

1. 热力学层面：TIG电弧提供局部集中热源，使搅拌区温度分布更加均匀，降低了材料流动的不均匀性。
2. 动力学层面：增强的材料流动性促进了异种材料间的界面接触与原子扩散，减少了缺陷形成。
3. 冶金层面：均匀的热循环抑制了二次相的粗化与聚集，保持了基体组织的细密性。

从工程实践角度思考，TIG-FSW工艺虽显著提升了接头性能，但也引入了额外的工艺复杂性：TIG电弧与搅拌头的空间配合需要精确控制，焊接过程中电弧参数与搅拌参数的协同调节增加了设备成本与操作难度。在实际生产中，需要权衡性能提升与工艺成本之间的关系。

与工程实践的结合

在汽车制造领域，AA6016（6xxx系，Mg-Si强化）与AA2519（2xxx系，Cu强化）的异种连接常见于车身覆盖件与结构件的搭接。传统FSW接头在湿热环境下的耐蚀性不足一直是制约其应用的关键因素。本文的研究成果为异种铝合金搭接接头的设计提供了新的工艺选择，特别是在对耐蚀性要求较高的车身外覆盖件应用中具有潜在价值。

学习心得与启示

本文的研究思路体现了"工艺创新解决工程难题"的典型范式。从传统FSW的缺陷出发，引入辅助热源作为解决方案，而非简单调整工艺参数，这种思路值得借鉴。在实际焊接工艺开发中，面对现有工艺无法满足性能要求的工况时，多热源协同、多工艺复合是值得探索的技术路线。同时，本文对二次相颗粒与耐蚀性之间关系的深入分析，也为后续异种铝合金接头设计提供了微观机理层面的指导。