鍍鋅鋼/鋁合金激光熔釬焊接頭組織及力學(xué)性能

陳大林，趙青山

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060

0 前言

鋁合金密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和耐腐蝕性良好，工業(yè)上應(yīng)用廣泛[1]；鋼的塑韌性較好、強(qiáng)度較高、價(jià)格較低，是加工性能良好的黑色金屬材料，在裝備制造業(yè)中的地位至今無可替代[2-3]，“鋁+鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用價(jià)值.但由于鋁/鋼固溶度低，兩者的物理、化學(xué)性能差異明顯，焊接過程中容易出現(xiàn)氧化、焊縫成分不均，焊接變形大，夾渣、氣孔、裂紋等缺陷，并形成大量的FeAl脆性金屬間化合物，從而影響接頭性能。因此，實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種金屬焊接是研究的熱點(diǎn)，亦是難點(diǎn)[4-7]。

目前，擴(kuò)散焊、摩擦焊、爆炸焊、電弧焊、釬焊等均可實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種金屬焊接，但也存在焊接效率低、生產(chǎn)成本較高、工件形狀尺寸受限、熱輸入不易控制等問題，限制了鋁/鋼焊接在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。相比于其他焊接方法，激光焊具有控制熱輸入精準(zhǔn)、減少鋁/鋼界面金屬化合物的厚度等優(yōu)勢，也是鋁/鋼異種金屬焊接研究熱點(diǎn)[8]。國內(nèi)外學(xué)者對鋁/鋼激光焊進(jìn)行大量的研究。王曉江等[9]采用“鋼上鋁下”的搭接形式獲得了成形良好的異種鋼激光焊接接頭，且添加Fe-B-Si中間層的界面金屬間化合物邊界平整，厚度減小，接頭力學(xué)性能提高。陳樹海[10]等采用對鋁/不銹鋼激光焊搭接接頭進(jìn)行研究，試驗(yàn)中先后添加Ni箔、AlSi5焊絲，研究焊接熱輸入對焊縫顯微組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明在較低激光功率下得到的焊縫鋁/鋼界面金屬化合物厚度較薄，接頭強(qiáng)度更高。OZAKI等[11]采用激光壓焊實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的焊接，當(dāng)金屬間化合物厚度為5 μm時(shí)，接頭強(qiáng)度最大。由此可知，鋁/鋼異種金屬焊接接頭界面金屬間化合物厚度對力學(xué)性能有重要的影響。

激光熔釬焊是一種使鋁熔化，而鋼母材不熔化或少量熔化，依靠液態(tài)鋁在鋼母材上良好的鋪展性與鋼母材實(shí)現(xiàn)釬焊連接，從而形成熔釬焊接頭的工藝方法，激光熔釬焊成為抑制或減少FeAl脆性金屬間化合物產(chǎn)生最有效的工藝方法。文中采用激光熔釬焊焊實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼薄板的有效搭接，得到質(zhì)量良好的熔釬焊接頭，并進(jìn)一步分析激光功率對鍍鋅鋼/5052鋁合金熔釬焊搭接接頭組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為5052鋁合金和鍍鋅鋼板，板材尺寸均為100 mm×100 mm×2 mm，其化學(xué)成分分別如表1、表2所示。試驗(yàn)主要設(shè)備為FANUC M-10iA/12型焊接機(jī)器人配套IPG公司的YLR-4000光纖激光器，最大輸出功率4 kW，焦距250 mm。

表1 5052鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 5052 aluminum alloy（wt.%）

表2 鍍鋅鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of galvanized steel sheet（wt.%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，用銼刀對5052鋁合金進(jìn)行表面機(jī)械清理，有效清除鋁合金表面氧化膜并提高對激光的吸收率，再用丙酮清洗鋁合金與鍍鋅鋼板表面油污。試驗(yàn)采用如圖1所示的“鋁上鋼下”的搭接接頭形式。激光束垂直于試板入射，無填充材料，用99.5%Ar對焊縫金屬進(jìn)行保護(hù)，氣體流量15 L/min，光纖激光器離焦量為0 mm，焊接速度5 mm/s。有文獻(xiàn)提出，激光功率較小時(shí)，鋁/鋼之間因焊接熱輸入較小而無法實(shí)現(xiàn)較好的連接；激光功率過大則會出現(xiàn)試板燒穿現(xiàn)象，經(jīng)多次試驗(yàn)，文中選取激光功率為2 400～2 800 W，最終獲得所需的焊縫。

圖1 鋁/鋼搭接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of aluminum/steel lap joint

焊接完成后，采用電火花線切割將試板加工成金相試樣和拉伸試樣。參照GB11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用SHT4505微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)在室溫（23±5）℃以0.2 mm/s的拉伸速度進(jìn)行拉伸測試，拉伸試樣如圖2所示。拉伸力大小取3個(gè)試樣的平均值，隨后進(jìn)行斷口分析；金相試樣經(jīng)取樣、鑲嵌、磨拋至試樣表面光潔、無明顯劃痕后，用keller試劑腐蝕；采用QUANTA FEG-450掃描電子顯微鏡（SEM）對5052鋁合金和鍍鋅鋼板接頭的顯微組織進(jìn)行觀察。

圖2 拉伸試樣示意Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接頭力學(xué)性能

在激光束垂直于試板進(jìn)行焊接，焊接速度為5 mm/s，保護(hù)氣體Ar流量為15 L/min，激光離焦量為0 mm，無填充材料的條件下，采用激光功率為2 400 W，2 500 W，2 600 W，2 700 W，2 800 W進(jìn)行不同激光功率搭接熔釬焊工藝試驗(yàn)。當(dāng)激光功率為2 800 W時(shí)試板被燒穿，將其他4種激光功率焊接接頭加工成拉伸試樣后進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 激光功率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of laser power and shear strength

當(dāng)激光功率為2 400 W、2 500 W時(shí)，焊縫熱輸入較小，表面成形較差，有未焊透、未熔合等缺陷，焊接接頭性能較差；當(dāng)激光功率為2 600 W時(shí)，熱輸入增加，焊縫熔深增大，表面成形較好，焊接缺陷較少，抗剪強(qiáng)度顯著提高；激光功率增大至2 700 W時(shí)，因熱輸入較大，焊接過程中易產(chǎn)生飛濺、下塌、氣孔等缺陷，抗剪強(qiáng)度下降[12]。由此可見，隨著激光功率的增大，焊縫抗剪強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)激光功率為2 600 W時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值164.4 MPa。圖4為激光功率為2 600 W時(shí)的焊縫宏觀形貌，焊縫無表面缺陷、成形較好。

圖4 焊接接頭外觀形貌（P=2 600 W）Fig.4 Appearance of welded joint

2.2 接頭界面顯微組織

激光功率為2 600 W時(shí)焊縫接頭界面微觀形貌如圖5所示。由圖5a可知，整個(gè)焊縫熔合良好，因焊接時(shí)采用“鋁上鋼下”的搭接接頭，鋁側(cè)熱輸入多而鋼側(cè)較少，同時(shí)考慮兩金屬物理性質(zhì)差異，表現(xiàn)出以焊縫中心線為對稱中心，左右界面形狀具有一定的對稱性，焊縫-鋁、焊縫-鋼兩界面均呈現(xiàn)出參差不齊的鋸齒狀。由圖5b可知，焊縫兩側(cè)緊密結(jié)合，組織致密，無明顯內(nèi)部缺陷，且鋼-焊縫界面寬度不大。

圖5 焊縫接頭界面微觀形貌Fig.5 Microstructure of weld joint interface

圖6為圖5接頭結(jié)合界面各元素能譜線掃描照片。由圖6可知，整個(gè)界面可分為三個(gè)區(qū)域，即鋼、鋁、焊縫區(qū)。整個(gè)界面區(qū)域Fe、Al、Zn、Mg原子之間發(fā)生了擴(kuò)散，鍍鋅鋼板表面鋅層中的Zn元素大部分停留在焊縫區(qū)位置，也有部分Fe、Al原子擴(kuò)散到內(nèi)部，該區(qū)域主要為Zn的固溶體。

圖6 接頭界面線掃描Fig.6 Energy spectrum line scanning of elements at joint interface

利用能譜分析（EDS）對鋼、鋁、焊縫區(qū)三區(qū)域各結(jié)合界面組織的特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)掃描分析。圖7對組織特征較明顯的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，表3為特征點(diǎn)的能譜分析結(jié)果。

圖7 接頭結(jié)合界面點(diǎn)掃描Fig.7 Spot scanning at joint interface

表3 結(jié)合界面點(diǎn)分析結(jié)果Table 3 Analysis results of spots at joint interface

由表3各元素分析可知，點(diǎn)1主要為Zn和少量的Fe、Al、Mg，該組織為Zn的固溶體；點(diǎn)2主要為Al、Fe，且Fe、Al原子數(shù)比例約為2∶5，根據(jù)Fe-Al二元相圖可知該組織為金屬間化合物Fe2Al5；點(diǎn)3主要為α-Al基體；點(diǎn)4主要為Fe、Al兩元素，且比例接近1∶1，該組織為金屬間化合物FeAl。由文獻(xiàn)[13]可知，抑制Fe-Al金屬化合物的生成或鋁/鋼界面金屬間化合物厚度≤10 μm，均能提高焊縫接頭力學(xué)性能。由圖6可知，整個(gè)焊縫區(qū)域金屬間化合物厚度不足10 μm。

2.3 斷口分析

對2 600 W拉伸試樣斷口進(jìn)行掃描，如圖8所示，斷口形貌平整，圖8a斷口為典型的解理斷裂形貌，中心區(qū)域有少量韌窩，圖8b斷口形貌未找到明顯的韌窩，只有大面積河流狀和臺階狀的撕裂棱。結(jié)合拉伸試樣斷裂位置及解理臺階的形貌，綜合分析斷口為脆性斷裂。

圖8 接頭斷口形貌Fig.8 Appearance of fracture of joint

3 結(jié)論

（1）在激光束垂直于試板進(jìn)行焊接，焊接速度為5 mm/s，保護(hù)氣體Ar流量為15 L/min，激光離焦量為0 mm，無填充材料的條件下，隨著激光功率的增大，焊縫抗剪強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)激光功率為2 600 W時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值164.4 MPa。

（2）鍍鋅鋼/鋁接頭界面處存在Zn的固溶體、α-Al、Fe2Al5、FeAl等組織。激光功率為2 600 W時(shí)，整個(gè)焊縫區(qū)域金屬間化合物厚度不足10 μm，接頭性能較好。

（3）焊接接頭斷口形貌有大面積河流狀和臺階狀的撕裂棱，中心區(qū)域有少量的韌窩，為脆性斷裂。