1 导读

铝的轻质与钢的高强，让铝/钢复合结构成为汽车制造、航空航天、海洋工程等领域的“黄金组合”——小到汽车轴类零件，大到航空受力构件，都离不开它的身影。但铝和钢的理化性能差异巨大，传统焊接方法容易产生裂纹、气孔，尤其是接头处的脆性金属间化合物，严重影响连接可靠性。针对大直径铝/钢构件焊接的技术空白，湖北汽车工业学院王海林、王金凤团队采用摩擦焊技术，成功实现了ϕ75mm 2A12铝合金与ϕ60mm 45钢的有效连接，系统揭示了接头的微观组织特征与力学性能规律，为高端装备中异种金属的高强度连接提供了关键参考。

2 研究背景：异种金属焊接的“痛点”与大直径构件的“刚需”

在追求轻量化与高性能的现代工业中，铝/钢复合结构的优势不言而喻：用铝/钢复合构件制造汽车传动轴，既能减轻车身重量、降低油耗，又能保证足够的承载强度；在航空航天领域，铝/钢连接构件可在减重的同时提升结构可靠性。但铝和钢的“性格差异”让焊接成为难题——铝的熔点仅660℃，钢的熔点高达1495℃，传统熔化焊、钎焊过程中，不仅易产生热应力裂纹、气孔等缺陷，还会在接头界面形成大量脆性金属间化合物，导致接头强度不足、易断裂。
摩擦焊作为一种固相连接技术，凭借“母材不熔化、焊接效率高、环保节能”的优势，为铝/钢异种金属连接提供了新路径。它通过接头端面相对运动产生的摩擦热使材料塑性软化，再经顶锻压力实现连接，能有效减少熔化带来的缺陷。但目前，相关研究多集中在小直径铝/钢构件，而工业中广泛应用的大直径（如直径50mm以上）铝/钢构件，由于径向摩擦产热不均、界面组织难控制等问题，其摩擦焊接技术仍缺乏系统研究。基于此，王海林、王金凤团队聚焦大直径45钢与2A12铝合金的摩擦焊连接，深入分析接头的宏观成形、微观组织及力学性能，填补了该领域的研究空白。

3 内容来源

本研究由湖北汽车工业学院材料科学与工程学院的王海林、王金凤完成，受湖北省教育厅科学研究计划指导性资助项目（B2022370）支持，研究成果以《大直径铝/钢异种金属摩擦焊接头组织与性能研究》为题，发表在《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第10期（页码：1581-1586）。文章通过扫描电镜、能谱分析、拉伸试验、硬度测试等手段，系统研究了摩擦焊接头的界面特征、元素扩散、金属间化合物形成规律及力学性能差异，为大直径铝/钢异种金属的可靠连接提供了理论与试验支撑。

4 研究亮点

这篇研究的核心价值在于“针对性”与“系统性”：一是聚焦大直径铝/钢构件的焊接难题，填补了现有研究的空白，所采用的ϕ75mm铝合金与ϕ60mm 45钢的规格，更贴近工业实际应用场景；二是系统揭示了接头径向不同区域的性能差异，发现R/3区域抗拉强度最高（39MPa），外侧抗拉强度是中心区域的2倍以上，为焊接工艺优化提供了精准方向；三是明确了界面金属间化合物（FeAlx相）的形成规律，其厚度1~4μm，且在一定范围内与接头强度呈正相关，为控制接头质量提供了关键依据；四是全面分析了硬度分布特征，发现焊缝界面-0.4～+0.2mm范围内硬度显著提升，铝合金侧硬度提高约20%，钢侧提高约10%，解释了接头断裂位置的成因。

5 研究方法

本研究采用“试验制备+多维度表征”的方法开展：试验材料选用ϕ75mm 2A12-T4铝合金棒与ϕ60mm 45钢棒，先对材料表面进行除油、去氧化膜处理；采用自制卧式摩擦焊机进行焊接，工艺参数设定为转速900r/min，一级摩擦压力8.8MPa、时间10s，二级摩擦压力24.8MPa、时间9s，顶锻压力31.8MPa、时间9s；焊接完成后，沿接头径向的中心、R/3、2R/3三个区域取样，通过万能试验机测试抗拉强度（拉伸速率2mm/min），采用硬度计测试界面及两侧硬度（不同区域选用0.25~2N载荷），借助光学显微镜、扫描电镜（SEM）观察微观组织与界面形貌，通过能谱分析（EDS）检测界面元素扩散情况。

图1　拉伸试样尺寸示意图及实物图

6 内容解读

详细分析了大直径铝/钢异种金属摩擦焊接头的组织与性能。焊接接头宏观形貌显示，由于铝和钢的熔点差异，摩擦焊过程中铝侧达到塑性软化状态而钢侧几乎不发生宏观塑性变形，飞边连续均匀，无裂纹但有少量翘皮。拉伸性能测试表明，接头抗拉强度从外侧2R/3区域到中心先升高后降低，平均抗拉强度为28.7 MPa，断裂均发生在焊缝处，显示冶金结合不佳。硬度测试发现，接头内、中、外区域硬度分布趋势基本一致，外侧2R/3区域硬度相对较高，界面附近硬度值发生明显阶跃变化，铝合金侧硬度较钢侧上升更明显。微观组织分析显示，铝钢结合面处因摩擦和压力作用产生大量热和明显变形，形成凹凸状起伏不平，部分区域形成均匀连续的暗灰色过渡层。金属间化合物（IMCs）沿径向呈现厚度分布不一致，中心区域较薄，R/3区域较厚，2R/3区域较薄但分布均匀。界面IMCs分布及元素扩散分析表明，界面发生了Fe和Al等元素的互扩散，生成含FeAlx相的IMCs，推测主要是FeAl3。R/3区域可能生成含Fe2Al5和FeAl3相的IMCs，2R/3区域可能生成含FeAl2和Fe2Al5相的IMCs。

图2　焊接接头宏观形貌

图3　接头在中心、R/3、2R/3区域拉伸试样的抗拉强度

图4　接头硬度分布曲线

图5　铝/钢焊接接头结合面形貌

图6　试样不同区域SEM形貌和EDS扫描位置

7 主要结论

1. 采用摩擦焊技术可实现大直径2A12铝合金与45钢的有效连接，接头宏观成形良好，飞边连续均匀，无裂纹缺陷，仅存在少量翘皮。

2. 接头径向不同区域力学性能差异显著：R/3区域抗拉强度最高（39MPa），中心区域最低（15MPa），外侧试样抗拉强度是中心区域的2倍以上，所有试样均在焊缝处断裂，接头力学性能有待进一步提升。

3. 界面发生Al、Fe元素互扩散，形成厚度1~4μm的FeAlx金属间化合物层，R/3区域化合物层最厚（2~4μm），中心与外侧较薄（1~2μm），一定范围内化合物层厚度与接头强度呈正相关。

4. 焊缝界面-0.4～+0.2mm范围内为摩擦热与变形的主要作用区，硬度显著高于母材，铝合金侧硬度提升幅度（约20%）大于钢侧（约10%），且硬度变化区域更宽。

8 中英文引用格式

中文引用格式：王海林，王金凤. 大直径铝/钢异种金属摩擦焊接头组织与性能研究［J］

本文转载自：《特种铸造及有色合金》