6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板冷金屬過(guò)渡焊接頭界面的顯微組織

金光燦，邢彥鋒，許 莎

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

隨著汽車(chē)輕量化的發(fā)展，鋁鋼焊接件在汽車(chē)零部件制造生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-4]。然而，鋁和鋼在焊接過(guò)程中極易發(fā)生反應(yīng)，生成金屬間化合物，形成過(guò)渡層，這會(huì)對(duì)焊接件的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響[5-6]。研究人員對(duì)鋁、鋼焊接過(guò)渡層中金屬間化合物的類(lèi)型及過(guò)渡層厚度控制等進(jìn)行了一定研究。SCHUBERT等[6]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁、鋼焊接形成的金屬間化合物過(guò)渡層厚度在10 μm以?xún)?nèi)時(shí)，焊接件可以獲得較好的焊接質(zhì)量與力學(xué)性能。黃健康等[7]對(duì)鋁/鋼異種金屬焊接接頭的界面進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)界面上的反應(yīng)產(chǎn)物主要為Fe2Al5和FeAl3相，前者的吉布斯標(biāo)準(zhǔn)自由能比后者的低，在焊接過(guò)程中優(yōu)先生成。SHI等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在鋁/鍍鋅鋼冷金屬過(guò)渡焊(CMT)接頭中，金屬間化合物過(guò)渡層的厚度分布不均勻，厚度為78 μm的過(guò)渡層組織由FeAl3組成，厚度為45 μm的過(guò)渡層組織由FeAl3和α-Al固溶體組成。CAO等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鋁/鍍鋅鋼CMT接頭中，從鋼、釬焊界面到焊縫的物相依次為γ-Fe固溶體，F(xiàn)e3Al、FeAl2、FeAl3、Fe2Al5金屬間化合物和α-Al+硅共晶相。王風(fēng)江等[10]研究發(fā)現(xiàn)，鍍鋅鋼和6061鋁合金釬焊界面的金屬間化合物由層狀Fe2Al5和針狀FeAl3組成，富鋅區(qū)由α-Al固溶體和鋁鋅共晶相組成。上述研究對(duì)鋁/鋼焊接接頭過(guò)渡層金屬間化合物的物相組成進(jìn)行了一定分析和討論，但金屬間化合物的微觀形貌，形成機(jī)理及長(zhǎng)大機(jī)制的研究有待進(jìn)一步完善。為此，作者采用CMT工藝對(duì)6061鋁合金和DP590鍍鋅鋼板進(jìn)行搭接點(diǎn)焊(釬焊)，研究了接頭界面的顯微組織和物相組成，并探討了各金屬間化合物的形成機(jī)理，以期為鋁合金/鍍鋅鋼板CMT點(diǎn)焊件的質(zhì)量控制提供一定理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)?zāi)覆臑楹穸?.2 mm的6061鋁合金薄板和厚度1.0 mm的DP590鍍鋅鋼薄板，焊絲為4043鋁硅合金，直徑為1.2 mm。母材及焊絲的化學(xué)成分如表1和表2所示。

表1 6061鋁合金和4043鋁硅焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy and 4043 Al-Si alloy (mass) %

表2 DP590鍍鋅鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of DP590 galvanized steel sheet (mass) %

將6061鋁合金和DP590鍍鋅鋼板加工成尺寸為125 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬)的試樣。接頭形式為搭接接頭：鋁合金板在上，鍍鋅鋼板在下，搭接長(zhǎng)度為50 mm。在兩板搭接中心處的鋁合金板上開(kāi)直徑為7 mm的小孔，作為焊接位置。具體搭接方式如圖1所示。

圖1 焊接試樣搭接示意Fig.1 Schematic of welding sample overlapping

焊接前用鋼刷去除鋁合金搭接部分的氧化膜并拋光，使用丙酮清洗鋼板及拋光后的鋁合金表面。采用配有RCU5000i型控制器的TPS4000 CMT焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊，焊接機(jī)器人為庫(kù)卡公司KR5-R1400型五軸機(jī)器人。使用流量為15 L·min-1、純度為99.999%的氬氣作為保護(hù)氣體。焊接速度為1.2 m·min-1，弧長(zhǎng)修正為0，送絲速度為6.2 m·min-1。

1.2 試驗(yàn)方法

沿焊接接頭橫截面截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后，采用AxioScope型正立光學(xué)顯微鏡、S-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)及附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行顯微組織觀察和微區(qū)成分分析。腐蝕液由1%(體積分?jǐn)?shù)，下同) HF+1.5% HCl+2.5% HNO3+95% H2O配制而成，腐蝕時(shí)間為1015 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

由圖2可知：6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板CMT接頭焊縫成形較好，焊絲熔化形成的熔滴與小孔周?chē)匿X合金熔合在一起，并在鍍鋅鋼板表面鋪展良好，形成了明顯的釬焊界面層；熔核中央存在一個(gè)凹陷區(qū)域，由熔融金屬凝固收縮而成，該區(qū)域未出現(xiàn)縮孔等明顯的焊接缺陷，這是由于試驗(yàn)所用送絲速度較為合理，熱輸入不大，熔融金屬?gòu)暮更c(diǎn)中心向四周擴(kuò)散時(shí)的流動(dòng)較慢，中間部分金屬流失較少。

圖2 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板接頭橫截面宏觀形貌Fig.2 Cross-section macromorphology of 6061 Al alloy/DP590 galvanized steel sheet joint

2.2 接頭微觀形貌及元素分布

由圖3可知：6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板焊接界面上存在一層均勻的金屬間化合物，厚度在6 μm左右；靠近鍍鋅鋼板一側(cè)的過(guò)渡層界面較為平滑，靠近熔化區(qū)一側(cè)的過(guò)渡層界面呈鋸齒狀，存在大量垂直于界面生長(zhǎng)的柱狀晶，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，鍍鋅鋼板一側(cè)屬于冷端，熔融焊絲和部分熔化的鋁合金與之接觸時(shí)產(chǎn)生垂直溫度梯度，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)；此外，熔化區(qū)一側(cè)還存在較多無(wú)固定生長(zhǎng)方向的細(xì)針狀組織。

圖3 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板接頭橫截面微觀形貌Fig.3 Cross-section micromorphology of 6061 Al alloy/DP590 galvanized steel sheet joint: (a) OM morphology and (b) SEM morphology

沿圖3(b)白色箭頭方向垂直于6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板界面進(jìn)行EDS線(xiàn)掃描分析。由圖4可知：從鍍鋅鋼板到鋁合金方向上，鐵元素含量先降低，鋁元素含量先增加，隨后兩者在過(guò)渡層區(qū)域的含量幾乎穩(wěn)定不變，推測(cè)此處生成了鐵鋁金屬間化合物；進(jìn)入鋁合金區(qū)后，鐵元素含量繼續(xù)減少，鋁元素含量明顯增加。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，鍍鋅鋼板和熔融鋁合金發(fā)生了鐵和鋁元素的擴(kuò)散，兩者相互反應(yīng)形成金屬間化合物過(guò)渡層。根據(jù)元素含量可知，靠近鋼板一側(cè)的為Fe-Al金屬間化合物層，而靠近熔化區(qū)一側(cè)的為Al-Fe金屬間化合物層。

圖4 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板接頭界面處EDS線(xiàn)掃描結(jié)果Fig.4 EDS linear scanning results at interface of 6061 Al alloy/DP590 galvanized steel sheet joint

由鐵鋁二元相圖[11]可知，鋁和鐵元素在不同溫度下相互作用可形成多種金屬間化合物：Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3相等。上述可能形成的化合物中FeAl相的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能最大，當(dāng)溫度介于3001 500 K時(shí)，其值大于0[7]，而試驗(yàn)焊接溫度在1 2731 573 K，故過(guò)渡層內(nèi)基本不可能形成FeAl相。同樣，F(xiàn)e3Al的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能在溫度高于900 K時(shí)也大于0，其亦不會(huì)形成。結(jié)合圖4可知，靠近熔化區(qū)一側(cè)的過(guò)渡層中鐵元素含量很低，因此該處形成Fe3Al的可能性很小。FeAl2是一種亞穩(wěn)相，在焊接過(guò)程中更易與鋁反應(yīng)生成Fe2Al5[12]。綜上可知，過(guò)渡層靠近熔化區(qū)一側(cè)的金屬間化合物為Fe2Al5和FeAl3相的可能性更大。由于Fe2Al5的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能遠(yuǎn)低于FeAl3的[7]，在焊接初期，鐵、鋁反應(yīng)界面處更易生成Fe2Al5相。

由表3可以看出，靠近熔化區(qū)一側(cè)的過(guò)渡層(點(diǎn)1)中鋁和鐵的原子個(gè)數(shù)比約為2.4，質(zhì)量比約為1.16。理論上Fe2Al5相的鋁、鐵原子個(gè)數(shù)比為2.5，質(zhì)量比為1.2，忽略測(cè)量誤差的影響，可以推斷該側(cè)金屬間化合物為Fe2Al5相。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，F(xiàn)e2Al5相向鋁元素含量較高的焊縫區(qū)域推進(jìn)，由于Fe2Al5相具有斜方型晶體結(jié)構(gòu)，其c軸上存在較多原子空位，這些空位被鋁原子占據(jù)就會(huì)形成生長(zhǎng)方向雜亂無(wú)章的的細(xì)針狀FeAl3相[13]，由此可知圖3(a)中的細(xì)針狀組織為FeAl3相。

表3 過(guò)渡層中點(diǎn)1的EDS分析結(jié)果Table 3 EDS analysis result of point 1 in transition layer %

3 結(jié) 論

(1) 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板CMT接頭焊縫成形良好，無(wú)縮孔等缺陷；接頭焊接界面上存在厚度在6 μm左右的金屬間化合物過(guò)渡層，過(guò)渡層靠近鍍鋅板一側(cè)的界面較為平滑，靠近熔化區(qū)一側(cè)則存在大量垂直于界面生長(zhǎng)的柱狀晶。

(2) 鍍鋅鋼板和熔融鋁合金發(fā)生了鐵和鋁元素的擴(kuò)散，兩元素反應(yīng)生成金屬間化合物，過(guò)渡層區(qū)域兩元素含量幾乎不變；靠近鍍鋅鋼板一側(cè)的過(guò)渡層組織為含鋁的α-Fe固溶體，靠近鋁合金一側(cè)的為Fe2Al5相，同時(shí)熔化區(qū)內(nèi)形成細(xì)針狀FeAl3相。