金屬鍍層對鋁/鋼激光熔釬焊接頭組織與性能的影響

(蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050)

汽車、高鐵等運輸工具的輕量化成為當(dāng)前亟待解決的科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用問題。鋁及其合金與鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)可同時具備較高的力學(xué)性能和較輕的結(jié)構(gòu)，對交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展有著重要的推動作用及廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。在鋁/鋼連接中，因兩種金屬的物理及化學(xué)性能差異較大，使得兩種金屬的焊接性極差，且兩種金屬在焊接過程中易在界面上生成一系列脆性相的Fe-Al金屬間化合物，對接頭的力學(xué)性能有嚴(yán)重影響。因此眾多學(xué)者對鋁鋼焊接開展了研究[3-5]，并形成CMT[6-7]、激光焊[8-9]、攪拌摩擦焊[10]為代表的鋁鋼異種金屬焊接方法。同時，針對鋁在不同鍍層鋼表面的浸潤與鋪展研究方面，Peyre等[11]進(jìn)行了鍍鋅鋼/鋁合金和低碳鋼/鋁合金的激光接觸反應(yīng)釬焊實驗，分別研究了兩種鍍層金屬對鋁鋼表面的潤濕鋪展能力。石巖等[12]采用Nd-YAG激光器對鋁/鍍鋅鋼進(jìn)行異種金屬激光焊接，發(fā)現(xiàn)鍍鋅層能夠改變界面區(qū)金屬間化合物的種類、生成量，減緩Fe/Al間脆性化合物生成速率，提高接頭性能。呂學(xué)勤等[13]通過在不銹鋼表面電刷鍍Ni/Cu過渡層與鋁合金進(jìn)行釬焊連接。發(fā)現(xiàn)Ni/Cu復(fù)合鍍層降低了Al及Fe原子的互擴散現(xiàn)象，阻止了金屬間化合物的生長。Ueda等[14]研究鋅基合金鍍層(Zn, Al-Zn和Al-Mg-Zn)對鋁/鋼異種金屬接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入金屬鍍層會改變反應(yīng)層中金屬間化合物的種類和形態(tài)，同時能夠改善接頭的焊接性能。雖然一些學(xué)者開展了不同金屬鍍層對鋁鋼界面的影響研究，但相關(guān)研究還非常不系統(tǒng)。

本工作采用激光熔釬焊方法進(jìn)行5A06鋁合金與鍍鋁鋼、鍍鋁鋅鋼、鍍鋅鋼、鍍鎳鋼的激光熔釬焊焊接。研究鋁合金在不同金屬鍍層鋼表面的浸潤鋪展情況，并分析了不同金屬鍍層對鋁/鋼界面金屬間化合物的生長形態(tài)、生成量、生成種類的影響，在此基礎(chǔ)上，采用拉伸實驗對鋁/鋼焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并研究了接頭的斷裂模式和斷口形貌。

1 實驗材料與方法

實驗?zāi)覆牟捎卯惡癜?，分別選用厚度為1.5mm的5A06鋁合金和厚度1mm的鍍鋁鋼板、鍍鋁鋅鋼板、鍍鋅鋼板及鍍鎳鋼板，幾何尺寸為150mm×50mm，采用搭接的焊接方式，5A06鋁合金板置于帶鍍層的鋼板上，其示意圖如圖1所示。

圖1 激光熔釬焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding-brazing

實驗中采用GS-TFL-10K CO2橫流激光器實施鋁-鋼熔釬焊實驗，以純度為99.99%的氬氣作為保護氣體。其主要焊接參數(shù)：激光功率1200W，焊接速率10mm/s，離焦量0mm，氬氣氣流量15L/min。并在焊接時于焊道表面涂敷一層丙酮溶解的CJ401鋁系助溶劑，以防止液態(tài)5A06表面氧化及促進(jìn)其流動與鋪展。

通過實驗獲得不同金屬鍍層的熔釬焊接頭，制取了相關(guān)的分析試樣，利用電子掃描顯微鏡(SEM)及能譜分析儀(EDS)分析對鋁/鋼接頭界面的金屬間化合物形態(tài)、分布及種類進(jìn)行了研究，并利用型號為WDW-300J的微機控制電子萬能材料試驗機對不同金屬鍍層的鋁/鋼熔釬焊接頭進(jìn)行了拉伸實驗對比研究。

2 鍍層對鋁/鋼焊接接頭成形的影響

為研究激光熔釬焊的焊接方法對5A06鋁合金與不同金屬鍍層鋼的熔釬焊接頭成形的影響。在相同的焊接參數(shù)下進(jìn)行實驗，獲得了如圖2所示的不同金屬鍍層的鋁/鋼熔釬焊焊接接頭。由圖2(a)可以看出，鍍鋁鋼所形成的焊縫寬度大于其他金屬鍍層的鋁/鋼接頭，這表明鋁在鍍鋁鋼表面的鋪展性能較好。從圖2(b)可以看到，鍍鋁鋅鋼板的焊縫寬度、焊縫成形都介于鍍鋁與鍍鋅鋼之間。從圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，鍍鋅鋼的焊縫成形效果良好，鋁在鋼表面的鋪展較為均勻。鍍鎳鋼的焊縫成形最差，從圖2(d)中可以看出，液態(tài)鋁在鋼板表面形成明顯凸起，向鋼表面的鋪展效果極差。

由圖2可見，5A06鋁合金與不同金屬鍍層鋼的焊縫成形效果差異較大，主要是鋁在鋼表面鋪展性能的差異性所決定的，5A06鋁合金在不同金屬鍍層鋼表面的鋪展寬度由圖3可見。5A06鋁合金在鍍鋁鋼表面的鋪展效果明顯優(yōu)于其他金屬鍍層，這是由于鍍鋁層與5A06鋁合金的成分極為接近，使得5A06鋁合金在鍍鋁鋼表面的浸潤角非常小，可實現(xiàn)良好的浸潤鋪展。而鍍鎳鋼表面的鋪展效果最差，這是由于鎳自身的流動性較差的原因。從圖2和圖3的焊縫成形和表面鋪展浸潤效果來看，鍍鋁鋼板的浸潤與鋪展效果要優(yōu)于其他金屬鍍層。

3 鍍層對界面金屬間化合物的影響

鋁/鋼界面的金屬間化合物及種類將嚴(yán)重影響鋁/鋼接頭的性能，當(dāng)金屬間化合物層越厚時，鋁鋼接頭的力學(xué)性能越差，一般認(rèn)為金屬間化合物層在10μm的厚度最佳，當(dāng)金屬間化合物層過厚時，由于金屬間化合物的脆性將嚴(yán)重降低接頭強度，當(dāng)化合物層厚度遠(yuǎn)小于10μm時，這時接頭幾乎沒有承載力的能力。

圖2 鋁與不同金屬鍍層鋼焊縫形貌及截面(a)鋁合金-鍍鋁鋼；(b)鋁合金-鍍鋁鋅鋼；(c)鋁合金-鍍鋅鋼；(d)鋁合金-鍍鎳鋼Fig.2 Weld morphologies and cross sections of aluminum and different metal coating steel(a)aluminum alloy-aluminum plated steel;(b)aluminum alloy-galvalume steel;(c)aluminum alloy-galvanized steel;(d)aluminum alloy-nickel plated steel

圖3 5A06鋁合金在不同金屬鍍層鋼表面的鋪展寬度Fig.3 Spreading width of 5A06 aluminum alloy in differentmetal coating steel surface

圖4為不同金屬鍍層鋼與鋁合金激光熔釬焊焊縫截面SEM形貌圖。由圖4可見，鋁與鋼的結(jié)合界面均存在一層明顯的金屬間化合物，且不同金屬鍍層下金屬間化合物的形態(tài)、厚度存在明顯區(qū)別。其中，鍍鋁鋼與鍍鋁鋅鋼的界面的金屬間化合物有明顯朝鋼側(cè)生長趨勢，且生長形態(tài)呈“舌狀”，而鋁側(cè)離散分布著少量的“針狀”金屬間化合物；而鍍鋅鋼鋁朝鋼側(cè)生長被一定程度地抑制；對于鍍鎳鋼朝鋼側(cè)生長趨勢已經(jīng)完全被抑制，在鋼側(cè)為整齊的平界面，并完全轉(zhuǎn)化為向鋁側(cè)生長。

鋁合金與不同金屬鍍層鋼激光熔釬焊界面金屬間化合物的生成厚度如圖5所示。由圖5可見，鍍鋁后界面生成的金屬間化合物厚度最大，平均厚度7μm左右，接近10μm的理想厚度，鍍鋁鋅、鍍鋅及鍍鎳依次減小。分析可知，Ni元素在一定程度上可以抑制金屬間化合物層的生長。有利于提高接頭的性能。相關(guān)研究[15]表明鍍鎳層焊接性較差，但鍍鎳層能夠有效阻止鋼中Fe原子向焊縫的擴散，避免了脆性Fe-Al化合物的生成。

為了進(jìn)一步明確界面上生成的金屬間化合物的種類，采用EDS分別對不同金屬鍍層下界面金屬間化合物不同區(qū)域的元素成分進(jìn)行分析，分析區(qū)域為圖4中所示的A,B及C區(qū)域，分析結(jié)果如表1所示。結(jié)合Fe-Al相圖[16]以及所獲得的原子比數(shù)可以得知，5A06鋁合金與鍍鋁鋼激光熔釬焊接頭界面的A,B,C這3個區(qū)域，如圖4(a)所示，分別生成了FeAl,FeAl2和FeAl3；5A06鋁合金與鍍鋁鋅鋼接頭界面的A,B,C區(qū)域，如圖4(b)所示，分別生成了FeAl,Fe2Al5和Fe4Al13；5A06鋁合金與鍍鋅鋼接頭界面A,B區(qū)域，如圖4(c)所示，其金屬間化合物為Fe2Al5，在C區(qū)域為FeAl3；5A06鋁合金與鍍鎳鋼接頭界面的A區(qū)域(如圖4(d)所示)生成了Fe4Al13，而B,C區(qū)域的Fe,Al原子不滿足常見Fe-Al金屬間化合物比例。

圖4 鋁合金與不同鍍層金屬激光熔釬界面SEM像(a)5A06鋁與鍍鋁鋼；(b)5A06鋁與鍍鋁鋅鋼；(c)5A06鋁與鍍鋅鋼；(d)5A06鋁與鍍鎳鋼Fig.4 Interfacial SEM images of laser welding-brazing of aluminum alloy and different coating metal(a)5A06 aluminum and aluminum steel interface；(b)5A06 aluminum and galvalume steel interface；(c)5A06 aluminum and galvanized steel interface；(d)5A06 aluminum and nickel plated steel interface

圖5 不同鍍層金屬界面金屬間化合物厚度Fig.5 Thickness of intermetallic compound withdifferent coating metal interfaces

由圖4和表1可見，5A06鋁合金與不同金屬鍍層鋼的激光熔釬焊界面主要生成FeAl,FeAl2,Fe2Al5,FeAl3,Fe4Al13等金屬間化合物，在不同金屬鍍層下界面金屬間化合物的生長形態(tài)、種類、數(shù)量存在差異性，且不同金屬間化合物之間無明顯的界面特征。

表1 不同鍍層金屬界面金屬間化合物不同區(qū)域元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Element compositions in different regions ofintermetallic compound with different coating metal interfaces(mass fraction/%)

對于沒有鍍層的鋁/鋼熔釬焊而言，鋁直接在鋼表面鋪展浸潤的過程中，液態(tài)鋁對鋼表面的Fe元素進(jìn)行溶解，使得Fe朝鋁側(cè)擴散，并在界面生成Al-Fe金屬間化合物。當(dāng)鋼表面存在鍍層時，液態(tài)鋁鋪展到含鍍層的鋼板上，先溶解的是鍍層金屬，這間接地影響到Fe元素的充分溶解，使得液態(tài)鋁中Fe元素的溶質(zhì)濃度受到限制。文獻(xiàn)[17]研究表明，鋁中Fe元素的溶解度與鋁側(cè)FeAl3的生長量存在一定的正比關(guān)系，因此，鋁與不同金屬鍍層鋼板焊接界面上FeAl3生成量都較少，并阻礙了Al元素朝鋼側(cè)的擴散，使界面Fe2Al5的生長量也較少。

4 不同鍍層的鋁/鋼接頭力學(xué)性能

為了進(jìn)一步研究鋁/鋼焊接接頭的力學(xué)性能，分別對鍍鋁、鍍鋁鋅、鍍鋅接頭進(jìn)行抗拉剪強度測試。接頭應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。由圖6中曲線可見，接頭均具有良好的塑性變形，測得5A06鋁合金母材的機械抗力約為305N/mm2，采用同樣的焊接工藝，5A06鋁合金焊接接頭斷裂在焊縫處，機械抗力為166.7N/mm2，約為5A06鋁合金母材的55%；當(dāng)鍍層金屬為鋁鋅時，接頭在熱影響區(qū)處斷裂，機械抗力為207.8N/mm2，約為鋁合金母材的70% ；而鍍層金屬分別為鋁、鋅時，接頭在焊縫處斷裂，最大機械抗力分別為166.7,169.2N/mm2。鍍鋁鋅時的機械抗力分別約為鍍鋁和鍍鋅時的1.3倍。5A06鋁合金與鍍鋁鋅鋼焊接接頭的抗拉性能明顯優(yōu)于鍍鋁、鍍鋅。

圖6 鋁合金/不同鍍層鋼激光熔釬焊應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of laser welding-brazing ofaluminum alloy/different coating steels

圖7為典型的5A06鋁合金與不同金屬鍍層鋼激光熔釬焊接頭抗拉剪強度測試斷裂情況，主要分為在焊縫處斷裂和在鋁的熱影響區(qū)處斷裂。接頭在鋁合金母材熱影響區(qū)斷裂，具有較高的機械抗力；而部分接頭在焊縫處斷裂，這種斷裂形式的鋁鋼搭接接頭同樣具有較高的機械抗力。由于搭接接頭在拉伸過程中所受到的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的拉伸-剪切應(yīng)力狀態(tài)，拉伸斷裂后鋼板釬焊部位均向背面發(fā)生。

圖7 鋁合金與不同鍍層鋼激光熔釬焊接頭斷裂位置Fig.7 Fracture position of laser welding-brazing joint betweenaluminum alloy and different coating steels

采用SEM對兩種不同斷裂模式下的斷口形貌進(jìn)行分析，由圖8可見，5A06鋁合金與鍍鋁鋅鋼接頭在熱影響區(qū)處斷裂，其斷口形貌如圖8(a)所示，形貌上分布著大大小小的韌窩，且有撕裂形貌，屬于明顯的韌性斷裂。而鋁合金與鍍鋁、鍍鋅后的鋼板焊接接頭的斷裂位置處于焊縫區(qū)，斷口形貌如圖8(b)所示，形貌上分布著一定量的韌窩，同時也存在河流狀斷裂形貌，表明在焊縫區(qū)斷裂以韌性斷裂為主，脆性斷裂為輔的混合型斷裂方式。

影響斷裂的因素包含兩個方面：一是鋁在鍍層鋼表面的鋪展效果，良好的鋪展會提高接頭焊縫區(qū)的力學(xué)性能；二是界面金屬間化合物的厚度，F(xiàn)e-Al金屬間化合物屬于脆化相，對接頭的性能有著重要的削弱效果，使得該處的斷裂呈現(xiàn)脆性斷裂模式。結(jié)合鋁在不同鍍層鋼表面的鋪展效果和界面金屬間化合物的生成量分析，初步可得出，鋁鋼熔釬焊接頭的力學(xué)性能與鋁合金在鋼表面的鋪展效果和界面金屬間化合物的厚度之間存在直接的影響關(guān)系。

圖8 鋁合金-鍍鋁鋅鋼接頭斷口形貌 (a)熱影響區(qū);(b)焊縫區(qū)Fig.8 Fracture morphologies of aluminum alloy-galvanized steel joint (a)heat-affected zone;(b)welding seam zone

5 結(jié)論

(1)鍍層金屬對5A06鋁合金在鋼板上的鋪展與浸潤存在較大的影響。比較而言，鍍鋁鋼表面鋪展效果良好，依次為鍍鋁鋅、鍍鋅，鍍鎳后表面鋪展效果最差。

(2)5A06鋁合金與鍍鋁鋼界面主要生成FeAl,FeAl2和FeAl33種金屬間化合物，鍍鋁鋅后界面主要生成FeAl,Fe2Al5和Fe4Al13。鍍鎳后界面上生成了Fe4Al13，鍍鋅鋼板界面上主要生成了Fe2Al5,FeAl3兩種金屬間化合物。鍍層金屬的存在使得液態(tài)鋁對鋼表面Fe元素的溶解以及Al元素朝鋼側(cè)的擴散都存在明顯影響，使不同金屬鍍層下界面金屬間化合物的種類、形態(tài)、生成量存在明顯差異。

(3)5A06鋁合金與鍍鋁鋅鋼的接頭力學(xué)性能最優(yōu)，可達(dá)到母材5A06鋁合金的70%，鍍鋁、鍍鋅相對較差。鋁/鋼接頭的力學(xué)性能與焊縫鋪展情況、界面金屬間化合物的厚度之間存在重要關(guān)系。

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