鋁/不銹鋼電磁脈沖焊接界面組織性能分析

遲露鑫，袁世鑫，劉 超

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054； 2.特種焊接材料與技術(shù)重慶市高校工程研究中心(重慶理工大學(xué))， 重慶 400054)

輕量化設(shè)計(jì)是降低能耗最直接、最有效的手段，因此鋁合金成為傳統(tǒng)鋼材的替代品。然而，這種鋁/鋼高強(qiáng)度焊接存在很多難題，由于鋁合金與鋼熔點(diǎn)相差很大，采用釬焊或熔焊的方法無(wú)法得到成分均勻的焊縫，其熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、比熱也存在較大差異，造成焊接過程非對(duì)稱溫度場(chǎng)和較大的接頭殘余應(yīng)力。另外，最關(guān)鍵的問題是當(dāng)生成金屬間化合物達(dá)到一定厚度時(shí)，脆性金屬間化合物在很小的應(yīng)力下就會(huì)開裂，直接決定接頭使用安全[1]。

目前，學(xué)者們采用釬焊方法控制界面反應(yīng)物[2-4]，并取得了良好的效果。然而，鋁/鋼釬料一直沒有突破進(jìn)展。還有些學(xué)者利用激光熔釬焊鋁鋼[5-7]，但是由于熔點(diǎn)相差很大，不能保證接頭成分的均勻性。采用固相焊的方法雖能很大程度上減緩脆性金屬間化合物的生成，但受到焊件形狀、尺寸的限制，也不能完全解決鋁/鋼的焊接問題[8-9]。

新型的電磁脈沖焊接技術(shù)具有無(wú)熱影響區(qū)、大幅減少金屬間相、消除因金屬熔化產(chǎn)生的應(yīng)力、顯著提高接頭強(qiáng)度和耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，各汽車強(qiáng)國(guó)已經(jīng)采用電磁脈沖焊接技術(shù)由鋁合金替代原有鋼板實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。然而，在國(guó)內(nèi)，一些高等院校、科研機(jī)構(gòu)采用自制或外購(gòu)20 kJ電磁脈沖焊接設(shè)備進(jìn)行工藝和試驗(yàn)方面研究，無(wú)法工業(yè)化生產(chǎn)。更重要的是，外國(guó)對(duì)80 kJ以上的電磁脈沖焊接設(shè)備明令禁止出售給中國(guó)。因此，本研究嘗試?yán)酶倪M(jìn)的70 kJ電磁脈沖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種金屬焊接，并探討其焊接界面形貌及性能變化規(guī)律，結(jié)果可為企業(yè)電磁脈沖焊接實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中采用6061鋁合金板和304不銹鋼，其化學(xué)成分如表1、2所示。試件規(guī)格為75 mm×20 mm×2 mm。進(jìn)行搭接焊，電磁脈沖焊接的搭接長(zhǎng)度決定了焊縫長(zhǎng)度，從而影響間隙內(nèi)磁場(chǎng)分布和鋁合金碰撞鋼板時(shí)的優(yōu)先變形位置、碰撞速度、撞擊角度等，因此，設(shè)計(jì)試件搭接工裝保證焊合率，其結(jié)構(gòu)形式、焊縫形狀如圖1所示。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)：焊接電流為750 kA，電壓為17 kV，頻率為18 kHz，搭接長(zhǎng)度為20 mm，間隙為1.8 mm。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 304不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 焊接接頭搭接形式

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)物理學(xué)電磁感應(yīng)定律，線圈通過脈沖電流的作用產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。同時(shí)，外層工件產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)相互作用，線圈和外層工件之間就出現(xiàn)斥力，導(dǎo)致外層工件以極快的運(yùn)動(dòng)速度向內(nèi)層工件碰撞而形成焊接。電磁脈沖焊接原理如圖2所示。

圖2 電磁脈沖焊接原理

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭界面形貌

將鋁/鋼電磁脈沖焊接試樣沿著焊縫水平方向切割金相試樣，砂紙磨制、拋光后，再用4%硝酸酒精作為腐蝕劑，腐蝕4～5 s，先用水沖洗，再用酒精清洗，吹干后，掃描電鏡下觀察界面形貌，如圖3所示。

在鋁板高速撞擊鋼板的過程中，兩板之間產(chǎn)生金屬射流，試板表面的油污、雜質(zhì)、氧化膜在射流作用下被沖刷掉，露出光鮮的表面，實(shí)現(xiàn)原子鍵結(jié)合，因此，這種金屬射流的狀態(tài)是判斷電磁脈沖焊接焊合與否的重要標(biāo)志，焊接接頭界面的波形形貌是判斷焊接質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)。由圖3(a)可知：在一定的碰撞速度下，撞擊區(qū)壓力大于材料塑性應(yīng)變的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，使得材料發(fā)生了橫向和縱向運(yùn)動(dòng)，形成了波狀的結(jié)合界面形貌。由卡門旋渦理論可知：界面波幅和波長(zhǎng)的比值是0.27，界面比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了接頭良好結(jié)合。然而，焊接接頭結(jié)合界面的不同位置在沖擊壓力作用下的變形程度不同，在高倍下觀察到在波前壓力較小的位置，沿著界面形成一定的旋渦，如圖3(b)所示，能量存在差值，就會(huì)在旋渦產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，嚴(yán)重降低了接頭性能，直接影響構(gòu)件使用安全。

圖3 焊接接頭界面形貌

2.2 界面成分分析

在電磁脈沖焊接過程中，兩工件瞬間發(fā)生高速碰撞，鋁/鋼元素發(fā)生擴(kuò)散，采用能譜分析儀對(duì)焊縫界面區(qū)域進(jìn)行掃描，界面成分分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 接頭界面成分分析

由圖4(a)可知：鋁鋼界面之間存在寬度不均、顏色與基體顏色不同的過渡區(qū)。由線掃描可知：過渡區(qū)寬度在5～13 μm，存在鋁元素和鐵元素，且2種元素含量在過渡區(qū)中向另一側(cè)基體擴(kuò)散的過程中逐漸降低，在一定范圍內(nèi)呈近似平臺(tái)狀分布，鋁含量高于鐵、鉻含量，并按一定比例分布，說明電磁脈沖焊接瞬時(shí)發(fā)生了局部熔化，碰撞瞬時(shí)原子鍵重組，有金屬間化合物生成。結(jié)合圖4(b)對(duì)過渡層進(jìn)行多個(gè)點(diǎn)掃描，結(jié)果平均為(原子分?jǐn)?shù)，%):鋁75.33，鐵23.23，鉻1.44。能譜分析點(diǎn)掃描結(jié)果與線元素?cái)U(kuò)散分布一致，結(jié)合鋁鐵二元相圖，推斷生成FeAl3金屬間化合物。

2.3 界面顯微硬度分析

以鋁/鋼電磁脈沖焊接界面中心為基點(diǎn)，每間隔0.2 mm測(cè)量顯微硬度，在路徑1、路徑2和路徑3相同位置上測(cè)試硬度，取其平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 接頭界面硬度曲線

由圖5鋁鋼電磁脈沖焊接接頭界面顯微硬度曲線可知：從鋁側(cè)到結(jié)合界面的硬度逐漸增大，且在結(jié)合界面處的硬度遠(yuǎn)高于鋁側(cè)的硬度，從66 HV增大到120 HV，不銹鋼到結(jié)合界面的硬度逐漸減小，從210 HV減小到120 HV，說明鋁元素、鐵元素都擴(kuò)散到界面及基體側(cè)，導(dǎo)致鋁側(cè)硬度增大，鋼側(cè)硬度減小。由于界面局部熔化，金屬間化合物的生成使得結(jié)合界面硬度增大。

2.4 斷口形貌分析

對(duì)鋁/鋼電磁脈沖焊接試樣按GB/T228—2002做拉伸實(shí)驗(yàn)。按圖6的尺寸進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)斷裂位置均在鋁側(cè)接頭處，抗拉強(qiáng)度均為98.5 MPa，并對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖7所示。同時(shí)，為了掌握焊縫的密封性，按CJ/T151—2001的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水下氣密性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力為0.6 MPa。將焊件完全浸入水中保持20 s后，觀察接頭無(wú)氣泡出現(xiàn)，說明鋁鋼電磁脈沖焊接接頭連接質(zhì)量可靠性非常好。

圖6 拉伸試樣尺寸

圖7 拉伸斷口分析

由金屬塑性變形理論，鋁合金動(dòng)態(tài)變形經(jīng)歷硬化階段、軟化階段和斷裂階段，位錯(cuò)或溶質(zhì)原子的固溶強(qiáng)化造成硬化，在變形過程的空洞形核、長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料軟化并斷裂。由圖7(a)可知：斷口呈韌窩塑性斷裂，韌窩大小、深淺不一，且在基體表面或韌窩里存在大量雜質(zhì)或第二相，固溶強(qiáng)化的鋁合金存在大量的溶質(zhì)原子，在拉伸變形過程中成為析出物，隨著拉伸變形量的增加，與基體脫離形成空洞。這種大量的空洞聚合，直至斷裂，呈現(xiàn)較深的韌窩，如圖7(b)所示。

3 結(jié)論

1) 在焊接電流750 kA，電壓17 kV，頻率18 kHz的參數(shù)下實(shí)現(xiàn)鋁鋼電磁脈沖良好焊接，結(jié)合界面呈波狀形貌，且界面波幅和波長(zhǎng)比值是0.27，界面比較穩(wěn)定。

2) 鋁鋼界面之間存在5～13 μm過渡區(qū)，呈平臺(tái)狀分布，鋁原子分?jǐn)?shù)為75.33%，鐵原子分?jǐn)?shù)為23.23%，鉻原子分?jǐn)?shù)為1.44%，鋁基體到結(jié)合界面硬度逐漸增大，鋼基體到結(jié)合界面硬度逐漸減小，推斷生成FeAl3金屬間化合物。

3) 拉伸實(shí)驗(yàn)表明：斷裂位置在鋁合金近搭接接頭處，斷口形貌呈現(xiàn)大小、深淺不一的韌窩塑性斷裂，是典型第二相粒子產(chǎn)生空洞形核后的長(zhǎng)大、聚集和斷裂的特征。

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