工藝參數(shù)對(duì)鋁/鋼激光搭接焊接頭質(zhì)量的影響

羅兵兵，張 華，雷 敏，曾遨日

(1.南昌大學(xué)江西省機(jī)器人及焊接自動(dòng)化重點(diǎn)試驗(yàn)室，江西 南昌 330031；2.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣東 廣州 510631)

在汽車車身設(shè)計(jì)中，采用鋁/鋼一體化結(jié)構(gòu)件旨在減輕汽車重量、節(jié)約能源，所以實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異質(zhì)材料的可靠連接具有重大意義[1-4]。然而，由于鋁與鋼之間固溶度低，物理化學(xué)性能差異大，導(dǎo)致鋁/鋼異質(zhì)材料焊接過(guò)程中易出現(xiàn)焊接過(guò)程不穩(wěn)定、接頭應(yīng)力大、接頭裂紋等問(wèn)題，尤其接頭界面金屬間化合物的厚度過(guò)大導(dǎo)致接頭力學(xué)性能顯著降低成為鋁/鋼可靠連接亟待解決的難題[6-8]。傳統(tǒng)的焊接方法由于熱輸入量大、焊接周期長(zhǎng)、焊接柔性差等原因而很難實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)中鋁/鋼結(jié)構(gòu)件的連接[9-13]。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的研究表明，由于激光焊具有眾多諸如焊接速度快、焊接變形小、熱源和聚焦光斑大小可精準(zhǔn)控制等優(yōu)勢(shì)，使得激光焊接技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異質(zhì)材料優(yōu)質(zhì)高效連接的理想方法[14-15]。

法國(guó)學(xué)者Sierra等[16]采用激光深熔焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低碳鋼和鋁合金的冶金連接，并表示控制鋁側(cè)熔深在一定范圍內(nèi)時(shí)可以獲得較大的接頭強(qiáng)度。北京工業(yè)大學(xué)張冬云等[17]和北京科技大學(xué)陳樹(shù)海等[18]等對(duì)鋁/鋼搭接接頭進(jìn)行了激光焊研究，試驗(yàn)過(guò)程分別添加Ni箔和AlSi5焊絲，分析了不同熱輸入量對(duì)焊縫顯微組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明不銹鋼焊縫金屬嵌入到鋁合金內(nèi)的熔穿深度對(duì)焊縫的力學(xué)性能有著重要的影響，在低能量密度參數(shù)下的焊縫鋁/鋼界面金屬間化合物厚度更薄，接頭強(qiáng)度更大。

綜上可知，焊接熱輸入對(duì)鋁/鋼異質(zhì)材料焊接頭的成形及界面金屬間化合物厚度等有著重要的影響[16-18]。所以，本文采用鋼上鋁下的搭接方式進(jìn)行激光焊接，探索激光功率和離焦量對(duì)鋁/鋼搭接焊縫的成形質(zhì)量影響。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)選用的材料為車用薄板6016鋁合金和DC06低碳鋼，尺寸均為105 mm×45 mm×0.8 mm，化學(xué)成分如下表1和表2所示。

表1 DC06低碳鋼化學(xué)成分(wt.%)

表2 6016鋁合金化學(xué)成分(wt.%)

試驗(yàn)所用加工設(shè)備為六軸聯(lián)動(dòng)KUKA激光焊接機(jī)器人，重復(fù)定位精度為±0.05 mm。激光器為美國(guó)IPG Photonics公司生產(chǎn)的YLS-2000TR連續(xù)激光發(fā)生器，其最大輸出功率為2 000 W，輸出激光波長(zhǎng)為1 070 nm，光束質(zhì)量BPP≤8 mm·mrad-1，聚焦光斑直徑為0.30 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

本文進(jìn)行0.8 mm厚的6016鋁合金與DC06低碳鋼激光搭接焊試驗(yàn)，搭接量為16mm，搭接示意圖如圖1所示。為了保證焊接質(zhì)量，排除其他因素對(duì)焊縫成形的影響，焊前嚴(yán)格對(duì)鋁母材進(jìn)行機(jī)械清理和酸堿溶液化學(xué)處理，去除鋁母材表面的污漬和氧化膜，對(duì)鋼母材進(jìn)行機(jī)械清理并用丙酮清洗，去除表面雜質(zhì)與油污。

圖1 鋁/鋼搭接接頭示意圖

本文僅考慮激光功率和離焦量對(duì)鋁/鋼激光搭接焊接頭成形質(zhì)量的影響，采用控制單一變量法，即每次試驗(yàn)在單獨(dú)改變激光功率和離焦量的條件下進(jìn)行，激光功率從700～1 000 W，離焦量從-1～+3 mm，試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定焊接速度為0.07 m·s-1，采用側(cè)吹高純Ar氣的方式進(jìn)行焊縫保護(hù)，Ar氣流量為20 L·min-1。

工藝試驗(yàn)完成后，采用線切割機(jī)沿垂直焊縫方向切割，分別制備成拉伸試樣和金相試樣，對(duì)拉伸試樣進(jìn)行抗拉剪力測(cè)試，拉伸速度為1 mm·min-1。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的HNO3溶液腐蝕金相試樣，腐蝕時(shí)間8～10 s，采用GX71F型奧林巴斯光學(xué)顯微鏡觀察鋁/鋼搭接焊接頭金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光功率對(duì)焊縫成形的影響

在離焦量為+2 mm，焊接速度為0.07 m·s-1時(shí)，不同激光功率下的接頭表面成形如圖2所示。從圖2焊縫正面成形可看出，在不同激光功率下焊縫成形焊道窄，表面均呈銀白色，具有一定的金屬光澤。在焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)出現(xiàn)凹坑，這些凹坑是由于激光焊接的初始點(diǎn)和終止點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)械臂的過(guò)渡點(diǎn)，激光作用時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致。激光功率為700、800、900 W時(shí)焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，表面飽滿光滑、熱影響區(qū)小。無(wú)可見(jiàn)飛濺、裂紋等缺陷產(chǎn)生，獲得了優(yōu)良的焊縫成形。激光功率增大到1 000 W時(shí)，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，焊縫寬度不等，表面凹陷，產(chǎn)生了大量飛濺，表面成形質(zhì)量差。從焊縫背面成形可看出，激光功率為700 W時(shí)，熔透痕跡淺或沒(méi)有，隨著激光功率的增大，均能實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的熔透焊，熔透痕跡逐漸清晰。

圖2 不同激光功率下的接頭宏觀形貌(左邊為正面，右邊為背面)

不同激光功率下的鋁/鋼搭接焊接頭金相組織如圖3所示。由圖3可知，在4種激光功率下，鋁/鋼搭接接頭整體上寬下窄，呈“釘頭”形，表現(xiàn)出激光匙孔效應(yīng)的深熔焊特征。激光功率為700 W時(shí)，鋁合金只有少量熔化，鋁側(cè)熔深與熔寬小，焊縫有效結(jié)合面積小。當(dāng)激光功率增大到800 W時(shí)，有一定的余高，焊縫與母材金屬光滑過(guò)渡。在熔池的中上部生成了大量塑韌性良好的珠光體組織。激光功率繼續(xù)增大到900 W時(shí)，余高也增大。熔池內(nèi)部生成粗大的并垂直熔合線生長(zhǎng)的柱狀晶組織，焊縫/鋁界面生成較厚的金屬間化合物。激光功率為1 000 W時(shí)，焊縫凹陷，熔池內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋。這是因?yàn)榧す夤β手饕绊憻彷斎肓康拇笮?，焊接速度一定時(shí)，熱輸入量與激光功率成正比，所以激光功率對(duì)焊縫成形有著重要的影響。當(dāng)激光功率較小時(shí)，熱輸入量小，激光束能量只能熔透鋼母材，難以使鋁母材熔化或只有少量熔化。熔深淺，焊縫有效結(jié)合面積小。隨著激光功率的增大，熱輸入量同時(shí)增大。鋼在鋁側(cè)穿透能力增強(qiáng)，導(dǎo)致鋁的熔化量增大，鋁側(cè)熔深與熔寬均增大，有效結(jié)合面積增大。當(dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，激光束與等離子體對(duì)匙孔壁的沖擊作用增大，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。母材熔化量過(guò)多，導(dǎo)致液態(tài)金屬自身重力大于其表面張力，使焊縫凹陷。

圖3 不同激光功率下的金相組織

2.2 離焦量對(duì)焊縫成形的影響

在激光功率為800 W，焊接速度為0.07 m·s-1時(shí)，不同離焦量下的接頭表面成形如圖4所示。從圖4焊縫正面成形中可以看出，在不同離焦量下焊縫表面均呈銀白色，具有一定的金屬光澤。在負(fù)離焦量(f=-1 mm)時(shí)，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，表面凹陷。熱影響區(qū)大，表面產(chǎn)生了大量飛濺。零離焦量時(shí)，表面成形有所改善，但仍然有大量飛濺產(chǎn)生。離焦量為+1，+2，+3 mm時(shí)，飛濺消失，且焊縫表面成形飽滿。隨著離焦量的增大，表面成形越加光滑、均勻，熱影響區(qū)逐漸減小。

圖4 不同離焦量下的接頭宏觀形貌(左邊為正面，右邊為背面)

離焦量對(duì)鋁/鋼搭接焊接頭金相組織的影響如圖5所示。從圖5可知，在5種不同離焦量下，接頭呈現(xiàn)激光匙孔效應(yīng)的深熔焊特征，整體形貌呈“釘頭”形。接頭成形質(zhì)量變化明顯，隨著離焦量從負(fù)離焦到正離焦并不斷增大的過(guò)程中，焊接缺陷逐漸消失，焊縫成形得到了改善。在離焦量為-1 mm時(shí)，接頭凹陷，熔深最大，為391.82 μm。在焊縫/鋁界面處生成了一定厚度的金屬間化合物層，同時(shí)熔池內(nèi)部存在大量孔洞和橫穿鋁/鋼界面的裂紋。離焦量為0 mm，缺陷得到改善，凹陷減小，鋁側(cè)熔深與熔寬均減小。焊縫/鋁界面生成較厚的金屬間化合物層。離焦量增大到+1 mm時(shí)，接頭有一定的余高，界面仍然分布著不均勻的金屬間化合物。隨著離焦量的繼續(xù)增大，余高減小，金屬間化合物數(shù)量減少。離焦量為+2 mm時(shí)，在熔池的中上部生成大量塑韌性良好的珠光體組織。離焦量增大到+3 mm時(shí)，鋁合金只有少量熔化，鋁側(cè)熔深與熔寬小。這是因?yàn)殡x焦量是反映激光束聚焦平面相對(duì)工件表面的位置和聚焦光斑的大小，離焦量的大小主要影響輻照到低碳鋼表面的能量密度，所以離焦量對(duì)焊縫成形有很大的影響。在負(fù)離焦時(shí)，聚焦光斑進(jìn)入工件內(nèi)部，由于焦點(diǎn)處的能量密度最大，導(dǎo)致金屬蒸汽強(qiáng)烈揮發(fā)，光束在匙孔中反射次數(shù)增多，母材吸收的能量增多，鋼液在鋁側(cè)的穿透能力大，液態(tài)鋁與鋼反應(yīng)生成大量金屬間化合物，并且激光束與等離子體在匙孔內(nèi)部對(duì)孔壁產(chǎn)生劇烈沖擊會(huì)使焊接過(guò)程不穩(wěn)定，熔池內(nèi)部產(chǎn)生大量諸如裂紋和孔洞等缺陷，接頭成形質(zhì)量低。離焦量增大時(shí)，光斑聚焦平面遠(yuǎn)離工件表面，光斑尺寸增大，作用于工件上的能量密度減小，匙孔對(duì)金屬的垂直穿透能力降低，從而使鋁的熔化量減少，鋁側(cè)熔深與熔寬逐漸減小，金屬間化合物數(shù)量減少。

圖5 不同離焦量下的金相組織

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

圖6為不同激光功率條件下鋁/鋼搭接接頭的抗拉剪力。由圖6可知，當(dāng)激光功率為700 W時(shí)，鋁/鋼搭接焊接頭抗拉剪力最小。隨著激光功率的增大，接頭抗拉剪力先增大后減小。在激光功率為800 W時(shí)，鋁/鋼搭接焊接頭抗拉剪力達(dá)到最大，最大值為81.3 N·mm-1。結(jié)合前面焊縫成形與金相組織分析可知，激光功率為700 W時(shí)，鋁側(cè)熔深與熔寬小，焊縫有效結(jié)合面積小，使得接頭承載能力較小。激光功率為800 W時(shí)，鋁/鋼界面金屬間化合物少，熔池中上部生成塑韌性良好的珠光體組織，有利于接頭性能的提升。隨著激光功率增大到900 W，焊縫中生成粗大的柱狀晶組織。激光功率繼續(xù)增大時(shí)，由于熱輸入量較大，焊縫凹陷，焊縫/鋁界面處生成較厚的金屬間化合物，內(nèi)部有大量裂紋產(chǎn)生，顯著降低接頭力學(xué)性能。

激光功率/W

圖7為不同離焦量條件下鋁/鋼搭接接頭的抗拉剪力。由圖7可知，離焦量從負(fù)離焦到正離焦的過(guò)程中，鋁/鋼搭接接頭抗拉剪力先增大后減小。在離焦量為+2 mm時(shí)，鋁/鋼搭接焊接頭抗拉剪力達(dá)到最大，最大值為81.3 N·mm-1。這是因?yàn)殡x焦量為-1 mm時(shí)，接頭內(nèi)部存在大量裂紋和孔洞等缺陷，降低了接頭力學(xué)性能。離焦量為+1 mm時(shí)，焊縫成形得到改善，力學(xué)性能有所提高，但焊縫/鋁界面仍生成較厚的金屬間化合物，且焊縫余高大，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，從而限制了力學(xué)性能的提升。離焦量為+2 mm時(shí)，熔池中上部生成塑韌性良好的珠光體組織，金屬間化合物數(shù)量減少，有利于接頭性能的提升。離焦量為+3 mm時(shí)，鋁側(cè)未熔化或只有少量熔化，未能實(shí)現(xiàn)鋁/鋼搭接接頭的有效結(jié)合，使得接頭承載能力小。

離焦量/mm

3 結(jié)論

通過(guò)激光焊接技術(shù)對(duì)車用6016鋁合金與DC06低碳鋼進(jìn)行鋼上鋁下搭接焊試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1) 在離焦量為+2 mm，焊接速度為0.07 m·s-1的條件下，激光功率為700、800、900 W時(shí)，焊縫表面飽滿光滑、熱影響區(qū)小，獲得了良好的焊縫成形。激光功率為800 W時(shí)，在熔池的中上部生成大量塑韌性良好的珠光體組織，隨著激光功率的增大，鋁側(cè)熔深和熔寬逐漸增大，焊縫/鋁界面生成金屬間化合物數(shù)量增多。

(2) 在激光功率為800 W，焊接速度為0.07 m·s-1的條件下，離焦量為-1和0 mm時(shí)，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，表面凹陷，產(chǎn)生了大量飛濺，鋼液在鋁側(cè)的穿透能力大，在焊縫/鋁界面生成大量金屬間化合物。隨著離焦量的增大，分別為+1、+2、+3 mm時(shí)，焊接缺陷逐漸消失，焊縫成形得到了改善，鋁側(cè)熔深與熔寬逐漸減小，焊縫/鋁界面金屬間化合物數(shù)量減少。

(3) 當(dāng)激光功率為800W，焊接速度為0.07 m·s-1，離焦量為+2 mm時(shí)，鋁/鋼激光搭接焊接頭抗拉剪力最大，為81.3 N·mm-1。