電弧電流對(duì)AZ31B/DP980激光誘導(dǎo)電弧焊接接頭成形及力學(xué)性能的影響

宋 剛，李傳瑜，郎 強(qiáng)，劉黎明

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

在全球變暖的背景下，世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國由此提出碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，因此節(jié)約能源、減少碳排放尤為重要。現(xiàn)如今汽車作為主要交通工具，通過材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減輕車身質(zhì)量以達(dá)到節(jié)能減排的目的成為汽車制造領(lǐng)域研究的重要方向，隨著汽車高強(qiáng)鋼和高性能鎂合金的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，兩種材料之間的連接需求也日益迫切[1-2]。

Mg和Fe兩者物理化學(xué)性質(zhì)差異極大，屬于典型的不反應(yīng)難固溶異質(zhì)材料[3]。Fe的熔點(diǎn)(約1535 ℃)遠(yuǎn)高于Mg的熔點(diǎn)(約1100 ℃)，所以鎂合金/鋼焊接研究主要采用熔釬焊[4-8]和固相焊[9-12]方法，接頭采用搭接焊形式。曹睿等[4-6]采用冷金屬過渡焊方法，分別開展了AZ31B鎂合金與Q235裸鋼和HDG60鍍鋅鋼焊接技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)鋅層的存在能夠提高鎂合金的鋪展能力并使得鎂合金/鋼界面產(chǎn)生冶金結(jié)合，接頭拉剪強(qiáng)度可達(dá)218 MPa。Tan等[7-8]采用激光填絲熔釬焊方法，分別開展了AZ31B鎂合金與Q235裸鋼和Q235鍍鋅鋼焊接技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)鋼表面的鍍鋅層提高了液態(tài)鎂基釬料的潤濕和鋪展能力，接頭最大拉伸載荷從160 N/mm提高到190 N/mm。Schneider等[9]采用攪拌摩擦焊方法，分別開展了AZ31B鎂合金與DX54D裸鋼和鍍鋅鋼焊接技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)鋅鍍層的介入可以使鎂合金/鋼界面附近形成低熔點(diǎn)的Mg-Zn共晶組織，使用鍍鋅層鋼板可使接頭最大拉剪強(qiáng)度由100 MPa提升至160 MPa。

綜上可知，鎂合金/鋼直接焊接時(shí)鎂合金在鋼上的潤濕鋪展能力很差，并且鎂合金/鋼界面結(jié)合弱，因此目前主要通過添加夾層和鍍層的方式改善上述問題，以此實(shí)現(xiàn)接頭性能的大幅度提高。本課題組[13-15]采用激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行鎂合金/鋼對(duì)接焊發(fā)現(xiàn)，將激光作用于鋼側(cè)提高界面反應(yīng)溫度能夠改善鎂合金/鋼接頭潤濕性和界面冶金結(jié)合能力，焊接界面為納米尺度的“雙固溶體”結(jié)構(gòu)，AZ31B和Q235鋼對(duì)接焊接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到235 MPa。在前期工作基礎(chǔ)上，本工作擬采用激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接技術(shù)，開展AZ31B鎂合金和DP980高強(qiáng)鋼直接搭接焊研究，探索焊接工藝對(duì)鎂合金/鋼搭接焊接頭潤濕性和界面結(jié)合能力的影響規(guī)律，并闡明性能提升機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用1.5 mm厚的AZ31B鎂合金和1.6 mm厚的DP980高強(qiáng)鋼，將板材裁成50 mm×100 mm的待焊試件，表面使用砂紙磨光，并用酒精擦拭去除油污。鎂合金與高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

表1 AZ31B鎂合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 DP980高強(qiáng)鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

焊接設(shè)備選用脈沖激光誘導(dǎo)鎢極惰性氣體保護(hù)(tungsten inert gas,TIG)電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)。焊接及拉伸試樣示意圖如圖1所示，采用AZ31B鎂合金在上、DP980高強(qiáng)鋼在下的搭接接頭，激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合熱源沿著距離鎂合金板邊緣2 mm處，以激光在前、電弧在后的方式施焊，鎢極尖端與激光水平距離(DLa)為1.5 mm，鎢極高度為1.5 mm，激光離焦量計(jì)算位置為鎂合金板上表面，焊接過程中使用氬氣(Ar)保護(hù)，保護(hù)氣體流量為13 L/mm，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 激光誘導(dǎo)電弧搭接焊(a)及拉伸試樣(b)示意圖

表3 焊接工藝參數(shù)

焊后沿著垂直于施焊方向線切割處寬度為15 mm的拉伸試樣，使用DNS300電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸，拉伸速率為1 mm/min，同一個(gè)參數(shù)取3個(gè)試樣拉伸求平均值。金相試樣依次采用400#,800#,1200#,2400#砂紙打磨，隨后用0.5 μm的拋光膏拋光，使用草酸腐蝕液腐蝕后觀察鎂合金的微觀組織及焊縫的宏觀形貌。焊接接頭界面處采用JXA-8530F PLUS場發(fā)射電子探針觀察，并通過自帶的能譜儀對(duì)各區(qū)域進(jìn)行線、面分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖2為不同TIG電弧電流下AZ31B鎂合金/DP980高強(qiáng)鋼激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接接頭成形和橫截面成形宏觀圖片，當(dāng)TIG電流≤80 A時(shí)獲得的焊縫表面成形連續(xù)美觀。由橫截面成形可以看出鎂合金/高強(qiáng)鋼接頭焊縫區(qū)以熔化的鎂合金為主，鋼基體只有在激光直接作用的位置發(fā)生了少量的熔化。圖3為焊接接頭潤濕角和焊縫寬度隨TIG電流變化曲線。結(jié)合圖2和圖3可以看出，隨著TIG電流的增大，潤濕角不斷減小，從50 A時(shí)最大值126.5°減小至90 A時(shí)最小值40°；同時(shí)焊縫寬度不斷增大，由50 A時(shí)最小值1.64 mm增大至90 A時(shí)最大值4.91 mm。但當(dāng)電流達(dá)到90 A時(shí)，由于熱輸入的增大，鎂合金的蒸發(fā)燒損嚴(yán)重，焊縫變得不連續(xù)，開始出現(xiàn)較為明顯的缺陷。從橫截面還可以看到，焊縫中的鎂合金可以填充激光在高強(qiáng)鋼板上形成的匙孔，使得鎂合金和高強(qiáng)鋼界面處形成了機(jī)械咬合的結(jié)構(gòu)。

圖2 鎂合金/鋼激光誘導(dǎo)電弧焊接接頭(1)與橫截面(2)宏觀圖片

圖3 潤濕角與焊縫寬度隨TIG電流變化曲線

2.2 力學(xué)性能

圖4為不同TIG電弧電流下的鎂合金/鋼激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合接頭拉伸載荷，可以看出隨著電流的增大，接頭拉伸載荷先增大后減小，當(dāng)電流為80 A時(shí)達(dá)到最大強(qiáng)度279 N/mm；而在電流高于80 A后，接頭的斷裂方式由沿鎂合金板和鋼板結(jié)合界面處斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樵诤缚p處斷裂，兩種斷裂情況如圖5所示，其中圖5(a)為60 A電流下的斷裂示意圖，圖5(b)為80 A電流下的斷裂示意圖。由圖5(a)可以看出，在沿界面斷裂時(shí)，位于匙孔處的鎂合金并未脫離，而是在受拉剪力的作用下與上部分鎂合金之間斷裂；圖5(b)中沿焊縫斷裂時(shí)，匙孔處的鎂合金與部分焊縫鎂合金殘留在鋼板上。

圖4 不同電流下接頭最大拉伸載荷曲線

圖5 兩種斷裂情況 (a)沿界面斷裂；(b)沿焊縫斷裂

2.3 微觀形貌及組織

圖6為TIG電弧電流為80 A時(shí)AZ31B鎂合金與DP980高強(qiáng)鋼接頭金相圖片，可以看出在激光誘導(dǎo)電弧作用下的鎂合金/高強(qiáng)鋼焊縫主要由熔化的鎂合金組成，所以其成分與AZ31B相同。圖6(a)為鎂合金/高強(qiáng)鋼連接接頭示意圖，圖6(b)為激光電弧作用下形成的匙孔，熔化的鎂合金填補(bǔ)了匙孔處，與高強(qiáng)鋼形成了機(jī)械咬合。圖6(c)為鎂合金熔化區(qū)，可以看出熔化后的高強(qiáng)鋼金屬熔滴分散在焊縫中的鎂合金金屬中，由于鎂鋼之間不發(fā)生反應(yīng)，Mg,Fe之間也不互溶，使得高強(qiáng)鋼熔滴凝固后獨(dú)立呈絮狀、顆粒狀分布在焊縫中。圖6(d)為熔合區(qū)(fusion zone,FZ)，熔合區(qū)晶粒為柱狀晶，柱狀晶區(qū)(columnar crystal zone,CCZ)是由焊縫金屬凝固時(shí)晶粒沿著垂直于溫度梯度的方向長大所致。圖6(e),(f)分別為熱影響區(qū)(heat-affected zone,HAZ)和鎂合金母材，通過對(duì)比可以看到熱影響區(qū)的晶粒明顯長大，平均晶粒尺寸由30.8 μm增大至39.3 μm。鎂合金和高強(qiáng)鋼在激光電弧造成的凹坑兩側(cè)均有界面接觸，但從金相圖中并未觀察到明顯的界面層。

圖6 電流為80 A時(shí)接頭金相組織

圖7為TIG電流為80 A時(shí)接頭激光匙孔位置界面電子探針微區(qū)分析(electron probe micro analysis,EPMA)面掃描，匙孔處溫度較高，匙孔中鎂合金和鋼結(jié)合良好。由圖7可見鎂合金側(cè)有少量的Al元素分布，并且在界面處存在Al元素偏聚的現(xiàn)象，厚度在1 μm左右，激光熔釬焊時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似的界面層，界面處由于Al元素的偏聚與Fe元素形成Fe-Al相[8]。從Fe元素的分布也可以看到相同的情況，界面處Fe元素含量向鎂合金側(cè)逐漸減少，厚度也在1 μm左右。圖8為70,80,90 A電流下的高強(qiáng)鋼熔化區(qū)界面處線掃描，可以看到中間層的厚度隨著電流的增加由1 μm增加至1.7 μm，說明隨著TIG電流的增大，位于匙孔處的界面層厚度也在增加，隨著界面處Fe-Al相厚度的增大，更有利于形成連續(xù)的界面層。

圖7 TIG電流為80 A時(shí)接頭高強(qiáng)鋼熔化區(qū)EPMA面掃描

圖8 不同電流下界面線掃描 (a)掃描方向示意圖；(b)70 A；(c)80 A；(d)90 A

3 分析與討論

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用激光誘導(dǎo)電弧焊接技術(shù)可以獲得鎂合金/高強(qiáng)鋼高性能直接搭接焊接頭，焊縫成形連續(xù)美觀。鎂合金/高強(qiáng)鋼搭接焊接頭的性能主要由焊縫寬度、界面層厚度和焊縫余高共同作用決定。

由圖2和圖3可知，當(dāng)電流為50～70 A時(shí)，隨著電流的增大，鎂合金在鋼板上的潤濕性增強(qiáng)，焊縫寬度增大，潤濕角減小，這使得鎂鋼之間有較大的接觸面積。同時(shí)在激光電弧作用下形成匙孔的位置，由于界面溫度較高，使得焊縫金屬在凝固過程中，Al元素向界面偏聚，并且與Fe元素在界面處形成1 μm左右的Fe-Al相，隨著電流的增大，焊縫的熱輸入增大，界面溫度升高，促使更多的Al元素向著界面處偏聚，F(xiàn)e-Al相的界面層厚度增加，更有利于形成連續(xù)的界面層，增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度。焊縫寬度的增加和界面層厚度的增大是電流由50 A增大至80 A的過程中接頭性能不斷提升的主要原因，當(dāng)電流大于80 A時(shí)，由于熱輸入的增大造成的蒸發(fā)燒損導(dǎo)致焊縫不連續(xù)，并且焊縫余高的降低導(dǎo)致接頭性能開始下降。圖9為斷裂模式示意圖，當(dāng)電流為50～70 A時(shí)，由于焊縫余高與電流為80 A時(shí)相比相對(duì)較大，界面層較薄，焊縫寬度小，界面承載能力低于焊縫承載能力，使得在拉剪力的作用下，接頭斷裂在界面處。反之，當(dāng)電流為80 A和90 A時(shí)，界面層厚度增加以及焊縫寬度增大，導(dǎo)致界面結(jié)合力提升，焊縫余高降低，同時(shí)由圖6(c)可以看到焊縫中的高強(qiáng)鋼絮狀顆粒使焊縫處強(qiáng)度降低，并且由于匙孔的原因使焊縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使焊縫強(qiáng)度低于母材和熱影響區(qū)，接頭的薄弱位置由界面轉(zhuǎn)變?yōu)楹缚p，拉伸斷裂模式也由沿界面斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樵诤缚p處斷裂。隨著電流進(jìn)一步增大，焊縫余高越來越低，接頭強(qiáng)度也隨之下降，并且在電流大于90 A后，鎂合金蒸發(fā)燒損嚴(yán)重，焊縫成形困難。當(dāng)電流為80 A時(shí)，接頭獲得最大強(qiáng)度，此時(shí)接頭斷裂模式為沿焊縫處斷裂。與此同時(shí)，由激光電弧作用使高強(qiáng)鋼熔化后形成的匙孔，一方面使激光電弧作用位置的接觸面由直線變?yōu)榍€，增加了鎂合金與高強(qiáng)鋼的接觸面，提升接頭強(qiáng)度；另一方面，鎂合金與高強(qiáng)鋼的機(jī)械咬合在拉剪力作用下使匙孔起到了釘扎的作用，進(jìn)一步提升了接頭強(qiáng)度。

圖9 斷裂模式示意圖 (a)界面反應(yīng)過程；(b)焊接接頭；(c)拉剪后斷裂；(1)50～70 A；(2)80,90 A

4 結(jié)論

(1)采用激光誘導(dǎo)電弧的焊接方式可以實(shí)現(xiàn)AZ31B鎂合金和DP980高強(qiáng)鋼高質(zhì)量直接搭接焊，接頭拉伸載荷最大可達(dá)到279 N/mm。

(2)TIG電流越大，焊縫寬度越大，形成的Al-Fe界面層厚度越大，焊縫余高越低，接頭強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)電流為80 A時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。

(3)采用激光誘導(dǎo)電弧焊接后可以在鋼板上形成匙孔，這些匙孔可以使鎂合金起到釘扎作用，與高強(qiáng)鋼產(chǎn)生機(jī)械咬合，提高接頭強(qiáng)度。

(4)焊縫寬度、焊縫余高和界面層厚度共同影響斷裂模式，當(dāng)電流低于80 A時(shí)界面結(jié)合力弱，斷裂模式為沿界面斷裂；當(dāng)電流≥80 A時(shí)，界面結(jié)合能力增強(qiáng)，斷裂模式為沿焊縫斷裂。