基于磁控冶金的鋁/鋼異種金屬焊接特性

閆飛，周一凡，唐本刊，胥永剛，王春明

(1.武漢理工大學,現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室,武漢,430070；2.西南交通大學,材料先進技術(shù)教育部重點實驗室,成都,610031；3.華中科技大學,武漢,430074)

0 序言

鋁/鋼復合結(jié)構(gòu)兼具鋁的輕質(zhì)性和鋼的高強性，可以使整體構(gòu)件在滿足使用性能的前提下降低能耗，節(jié)約成本，因而在航空航天、汽車、船舶制造等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[1-2].焊接是實現(xiàn)鋁/鋼異種材料連接的高效方法之一，但由于鋁/鋼物化性能迥異，導致熔焊時Al-Fe 界面易形成脆性金屬間化合物(IMCs)，嚴重降低接頭的力學性能，極大地限制了該構(gòu)件在制造領(lǐng)域的廣泛應用.

為解決上述問題，不少學者采用電弧焊、激光焊、釬焊、攪拌摩擦焊等多種焊接方法進行鋁/鋼異種材料焊接[3-5]，其中激光焊由于焊接過程能量精確可控、熱輸入小等優(yōu)點，可以有效調(diào)控Al-Fe 冶金反應，成為鋁/鋼異種材料連接比較理想的方法.Xia 等人[6]進行鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊，發(fā)現(xiàn)雙光點激光焊接不僅可以減小界面IMCs 的整體厚度，還可以均質(zhì)化界面IMCs 的分布.Yan 等人[7]研究發(fā)現(xiàn)界面多種IMCs 的形成與鋁/鋼焊接過程中的成分偏析有關(guān)，提出減少焊接熱輸入抑制界面IMCs 及其誘導的裂紋.Su 等人[8]發(fā)現(xiàn)鋁/鋼熔焊過程加入鋅基焊料，促使界面形成低硬度脆性的新型FeAl IMCs，提高接頭的承載能力.研究表明，激光焊在調(diào)控界面IMCs 厚度和形態(tài)方面具有明顯的優(yōu)勢，可以改善接頭成形與性能，但未能有效解決接頭成分偏析與組織不均性問題，因而鋁/鋼異種材料的高質(zhì)效焊接仍需深入研究.

外加磁場輔助激光焊接具有價格低廉、操作簡單并能有效調(diào)控焊縫凝固組織等優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注.戎易等人[9]采用交變磁場調(diào)控添加鎳中間層的鎂/鋼接頭中化合物的形貌與分布，提高了接頭的力學性能.丁浩等人[10]對預制粉末的鋁/鋼對焊試驗施加交變磁場，發(fā)現(xiàn)磁場對熔池的攪拌作用可以減少氣孔缺陷，細化針狀FeAl3IMCs，抑制脆性Fe-Al IMCs 的生長.Zhou 等人[11]發(fā)現(xiàn)磁場對熔池的攪拌作用可以促進傳熱傳質(zhì)、液態(tài)金屬對流和溶質(zhì)交換，以及彌散Mg-Al IMCs 的分布.可見，外加磁場輔助激光焊接方法結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，在提升鋁/鋼等異種材料接頭性能方面具有巨大潛能.

基于此，文中擬通過預置縱向交變磁場對鋁/鋼異種材料進行激光搭接深熔焊試驗，研究交變磁場對接頭宏觀形貌、顯微組織、元素分布、力學性能及其斷裂方式的影響，為外加磁場輔助鋁/鋼等異種材料激光焊接技術(shù)實際應用提供理論基礎(chǔ)與工藝參考.

1 試驗方法

試驗材料選用1 mm 厚的DP590 熱鍍鋅鋼板和6061-T6 鋁合金板材，其中鍍鋅鋼板表層的鍍鋅層厚度為50 μm.試驗樣板的尺寸規(guī)格為200 mm ×150 mm × 1 mm，試驗材料的化學成分如表1 所示.為了提高焊接接頭質(zhì)量，焊前需要采用一系列物理化學方法去除待焊表面的氧化薄膜與油污.

表1 母材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal

試驗用光纖激光器的型號為 YLS-30 000，該激光器主要參數(shù)如下：焦點直徑0.5 mm，焦距300 mm，激光波長1 070 nm.焊接接頭采用搭接形式，搭接長度為30 mm.焊接保護氣體選用氬氣，以防止鋁/鋼焊縫在高溫下氧化.為防止焊接過程產(chǎn)生的飛濺損壞保護鏡片，需要焊接過程中施加壓縮空氣.鋁/鋼激光焊接示意圖如圖1 所示.為了調(diào)控Fe-Al 界面的冶金反應，焊接過程中需施加交變磁場，試驗中磁場裝置由控制柜和線圈組成，通過控制單元設(shè)定試驗所需的交變磁場變量.

圖1 磁場輔助激光焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic field assisted laser welding

為了對比試驗結(jié)果，在前期研究基礎(chǔ)上，焊接過程采用加入和不加入磁場進行激光焊接研究.試驗的工藝參數(shù)如表2 所示.焊后采用線切割方式制備金相試樣和拉伸試樣，選用金相顯微鏡和電子掃描顯微鏡分別觀察接頭宏觀形貌、微觀組織及元素分布，選用萬能拉力試驗機進行力學性能，評估接頭的質(zhì)量和探究接頭的失效機理.

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭表面成形

不同焊接工藝條件下鋁/鋼接頭的焊縫成形如表3 所示.可以看到鋁/鋼未加磁場焊接時焊縫表面平直且呈亮白色，魚鱗狀細膩連續(xù)分布，焊縫中心部位稍微下凹，表面成形質(zhì)量較好.焊接過程施加交變磁場時，焊縫整體呈淺黃色，飛濺明顯增多.相對未加磁場焊縫而言，熔寬開始變小，魚鱗狀長度明顯拉長，且末端有一定余高，這可能與熔池中交變磁場誘導產(chǎn)生的洛倫茲力有關(guān)[12]，交變磁場的作用促使洛侖茲力發(fā)生周期性變化，導致熔池的運動發(fā)生周期變化波動.研究還發(fā)現(xiàn)，施加磁場后焊縫的熔深明顯增加，這與磁制動力作用下熔池內(nèi)向兩側(cè)和后方流動作用減弱有關(guān).已有文獻表明[13-14]，外加縱向磁場，由于Hartmann 效應，熔池內(nèi)液態(tài)金屬Marangoni 對流減弱.熔池吸收的激光能量進一步聚集在熔池前部，使得最高溫度增大，打孔作用增強，最后使得焊縫熔深增加.此外鋁/鋼搭接焊結(jié)合面的面積明顯增加，這有助于進一步提高接頭的承載能力.

表3 不同磁場條件下焊縫成形Table 3 Weld formation at different magnetic fields

2.2 接頭顯微組織

鋁/鋼激光搭接焊接頭的顯微組織如圖2 所示.從圖2a 可以看到低倍下鋁/鋼界面層主要由帶狀組織、塊狀組織以及島狀組織組成，這些組織形貌迥異，大小不一，分布極不均勻.鋁/鋼激光熔焊時，由于鐵在鋁中的固溶度較低，而焊接熔池較小、冷卻時間較快，焊縫凝固過程中溶質(zhì)原子無法在短時間充分擴散，導致界面層形成Fe-Al 化合物(圖2b)，這些化合物具有較大的硬度和脆性，它們在界面層連續(xù)分布時會由于自身特性降低材料自身的塑性變形能力，增大裂紋的敏感性.研究還發(fā)現(xiàn)，帶狀組織之間形成不規(guī)則的裂紋(圖2c)，裂紋的形成主要與焊接過程的冶金因素和力學因素有關(guān)，前者是Fe 和Al 元素的偏析促進脆性Fe-Al 化合物的生成，降低材料自身的塑韌性，后者是組織的差異導致接頭中形成較大的應力，兩者的共同作用導致裂紋產(chǎn)生.

圖2 接頭顯微組織Fig.2 Microstructure of the joints.(a) joint interface without magnetic field;(b) region A without magnetic field;(c)region B without magnetic field;(d) joint interface with magnetic field;(e) region A with magnetic field;(f) region B with magnetic field

外加交變磁場后，鋁/鋼界面形狀相對未加磁場而言開始變得比較規(guī)則，焊縫區(qū)嵌入鋁基體的塊狀Fe-Al 化合物明顯減少，而帶狀或島狀Fe-Al 化合物得到細化(圖2e)，這依賴于交變磁場對熔池的電磁攪拌作用，該作用力促進熔池凝固過程中晶粒的破碎和二次形核，細化Fe-Al 化合物組織.另外，界面層中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋缺陷，這主要是由于熔池中電磁力的攪拌作用改變了溫度梯度分布，減小了焊接熱應力.從圖2e 和圖2f 可以看到部分Fe-Al 化合物被α-Al 包圍，這表明熔池中電磁力的作用除了誘導Fe-Al 化合物離散分布外，還促進熔池中溶質(zhì)元素的遷移，降低焊縫中的成分偏析，其中α-Al 固溶體具有良好的變形能力，外力作用下，該晶體可以優(yōu)先發(fā)生塑性變形(以滑移和孿生形式)消耗大部分畸變能，進而提高材料的力學性能.

2.3 接頭元素分析

鋁/鋼接頭界面層的能譜分析結(jié)果如圖3 所示.從圖3a 可以看到，未加交變磁場焊接時，焊縫中部分Fe 元素遷移進入鋁側(cè)，而僅有少量Al 元素遷移進入鋼側(cè)，這主要是因為Fe 原子質(zhì)量大于Al 原子質(zhì)量，激光輻照下液態(tài)金屬在重力作用下發(fā)生遷移，而界面層Fe 和Al 原子的富集導致連續(xù)脆而硬Fe-Al 化合物的形成，這將減小界面結(jié)合處的性能.外加交變磁場后，發(fā)現(xiàn)部分Al 元素在電磁力的作用下遷移進入焊縫，連續(xù)分布的Fe-Al 脆性化合物被離散(圖3b)，這將減小焊縫中的成分偏析，有利于降低界面層的裂紋敏感性.

圖3 不同焊接條件下接頭界面元素分布Fig.3 Element distribution at joint interfaces under different welding conditions.(a) no magnetic field;(b) alternating magnetic field

鋁/鋼界面析出物的能譜分析如圖4 和表4 所示.根據(jù)Al 元素的含量[15]可以推測界面形成的Fe-Al 脆性IMCs 主要是ζ-FeAl2，θ-FeAl3和β2-FeAl.在焊縫冶金過程中，鋁和鐵有限的溶解度是脆性IMCs 形成的主要原因.

表4 點能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 EDS spot composition analysis results

圖4 鋁/鋼界面顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructures at the Al/steel interface

從熱力學的角度可知[16]，富鋁的IMCs (如FeAl3等化合物)在冶金反應中由于具有較小的焓變和吉布斯自由能變而優(yōu)先生成.與富鐵的IMCs(如FeAl2和FeAl 等化合物)相比，富鋁的IMCs 具有較大的脆性.富鋁的IMCs 析出會增大材料的裂紋傾向性和降低材料的塑韌性，因此該析出相通常是有害的，在冶金反應中應盡量減少.在鋁/鋼激光焊接過程中，交變磁場的加入誘導焊接熔池中產(chǎn)生電磁力，該作用力可以對熔池進行攪拌作用，促進熔池傳熱傳質(zhì)同時細化焊縫中晶粒，有效地實現(xiàn)了脆性IMCs 的離散處理，將有助于接頭性能的改善.

2.4 接頭力學性能

為了評估兩種工藝條件下焊接接頭的力學性能，采用線切割方式對焊接樣件進行加工制備相應的拉伸試樣(圖5).考慮到搭接拉伸樣品的特性，在拉伸過程中需要預放置等厚的板材，確保拉伸過程中試驗數(shù)據(jù)的準確性.

圖5 拉伸試樣示意圖(mm)Fig.5 Diagram of tensile specimens

剪切試驗測試結(jié)果如圖6 所示，可以看到測試試樣的載荷能力、伸長量分別為0.89 kN 與0.38 mm，0.96 kN 與1.01 mm.與未加磁場焊接接頭相比，外加磁場后焊接接頭承擔能力和斷后伸長率分別提高8.09%和166%.接頭載荷能力的提高主要與兩個因素有關(guān)：搭接區(qū)域的結(jié)合面積和微觀組織.從圖2 可以看到外加交變磁場后鋁/鋼接頭搭接面積明顯增加，這將有利于提高接頭載荷能力.另外，外加交變磁場的作用促使焊接熔池中產(chǎn)生周期性變化的電磁力，該作用力促進溶質(zhì)的遷移和IMCs組織細化，一定程度提高了材料的變形能力.接頭斷口形貌如圖7 所示，可以看到未加磁場焊接時接頭斷面呈現(xiàn)沿晶界開裂的裂紋和從材料內(nèi)部開裂的微裂紋，斷口形貌相對比較平整(圖7a)，接頭的斷裂形式屬于脆性斷裂，典型斷裂形貌的產(chǎn)生與接頭結(jié)合面處的微觀組織有關(guān).從前面的分析可以看出，未加磁場焊接鋁/鋼異種材料時，結(jié)合面形成大量連續(xù)分布的Fe-Al IMCs，這些IMCs 具有較大的脆性和硬度，塑性變形能力比較差，外力作用下容易發(fā)生開裂，導致接頭失效.焊接過程加入交變磁場后(圖7b)，接頭斷面裂紋明顯減少，斷口出現(xiàn)一些撕裂棱和韌窩，表明接頭斷裂過程發(fā)生一定的塑性變形，接頭斷裂形式屬于混合斷裂，這與焊縫中的組織演變有關(guān).在外加磁場作用下，焊接熔池中產(chǎn)生方向周期性變化的電磁力，該作用力對熔池的進行不斷攪拌，促進溶質(zhì)的遷移，減少了成分的偏析.Al 元素的遷移促使界面層中形成α-Al 組織，該組織具有較好的塑性變形能力，可以降低裂紋的敏感性，提高材料的載荷能力.

圖6 不同焊接接頭的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of different welded joints

圖7 接頭斷裂形貌Fig.7 Joint fracture morphology.(a) no magnetic field;(b) alternating magnetic field

3 結(jié)論

(1) 外加交變磁場輔助鋁/鋼異種材料激光焊接可以獲得成形良好的接頭，焊接過程交變磁場的加入促使接頭焊縫的熔寬減小、熔深增加.

(2) 未加磁場鋁/鋼焊接接頭界面層形成連續(xù)分布的Fe-Al IMCs，誘導裂紋產(chǎn)生，而加入交變磁場后鋁/鋼焊接接頭界面層組織細化，成分偏析得到減少，裂紋缺陷明細得到抑制.

(3) 焊接過程加入交變磁場后接頭中形成多種IMCs(可能為ζ-FeAl2，θ-FeAl3和β2-FeAl)，焊接熔池中電磁力對熔池的攪拌作用促進界面IMCs 的離散分布，有效地提高材料的變形能力.

(4) 與未加磁場焊接相比，加入交變磁場后焊接接頭的力學性能明顯得到提高，主要原因是結(jié)合面積的增加與IMCs 組織的細化，接頭斷裂形式由脆性斷裂向混合斷裂方式轉(zhuǎn)變.