激光滾壓焊技術在異種金屬連接中的應用

石紅信，邱然鋒，涂益民，于華

(1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003；2.河南科技大學河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南洛陽471003)

激光滾壓焊技術在異種金屬連接中的應用

石紅信1，2，邱然鋒1，涂益民1，于華1

(1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003；2.河南科技大學河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南洛陽471003)

近來鋁合金／鋼、鋁合金／鈦合金等異種金屬的連接在汽車等行業越來越受到重視。但是采用熔化焊來連接異種金屬非常困難，同時擴散焊的效果也不很理想，主要是因為焊接過程中在界面處會產生較多的脆性金屬間化合物。因此，急需一種高可靠性、高效率的新工藝對此類異種材料進行高質量的連接。激光滾壓焊正是針對這一需求而開發的新型連接工藝。詳細介紹了該工藝方法的提出背景、工作原理、界面上金屬間化合物的特點以及所得到焊接接頭的主要性能。

激光滾壓焊；異種金屬；搭接接頭；金屬間化合物；性能

0 前言

隨著經濟的發展和科學技術的不斷進步，新材料、新工藝的應用日益廣泛,對零部件綜合性能的要求也越來越高。單一金屬結構通常很難滿足工業生產的需求，或者即使某種金屬比較理想，也往往由于十分稀缺，而不能在工程中普遍應用，因此異種材料連接的復合結構是結構設計的發展趨勢[1]。然而，由于熔點、熱膨脹系數、原子半徑、晶體結構等物理、冶金性能差異較大，采用傳統的熔化焊焊接異種材料時，在接合界面容易生成硬脆的金屬間化合物層及形成殘余應力，進而影響了接頭力學性能。雖然采用固相焊接技術焊接異種材料能夠抑制界面金屬金屬間化合物的形成，可以提高接頭性能，但固相焊接技術應用也有一定的局限性，如：摩擦焊只適用于棒狀旋轉體工件的接合；擴散焊適用于小批量、小型工件焊接；攪拌摩擦焊比較適合于板材長直焊縫焊接。所以，為了拓寬復合結構件的應用范圍，開發一種新型異種材料焊接技術是非常必要的。

最近，日本國立名古屋大學的沓名宗春等人通過對激光焊與滾壓焊進行復合，開發出了一種名為“激光滾壓焊”的新型焊接技術，并將其運用到異種材料的連接[2－7]。在此將對這一新型焊接技術給以介紹，并就其在鋁合金／低碳鋼、鋁合金／純鈦等異種材料接合上的應用進行分析和探討。

1 激光滾壓焊接技術

激光滾壓焊是由激光焊與滾壓焊兩種焊接方法復合而成。眾所周知，激光焊屬于熔化焊，焊接異種材料時將在界面發生液－液反應，形成較厚的反應層從而影響接頭強度；滾壓焊是一種固相焊，雖可抑制界面反應層的生成，但為了使材料達到熱塑性狀態需較大的壓力和較高的溫度，尤其在焊接高溫塑性較低的材料時，焊接條件更為苛刻。在激光滾壓焊中，采用高能密度激光束對材料進行加熱，利用滾輪緊隨其后對材料施加壓力而形成接合。采用激光滾壓焊焊接異種材料時，將被焊材料進行搭接，激光束照射在熔點較高的母材一側加熱至兩母材熔點間某一溫度，高熔點的母材在激光照射下并不發生熔化，在熱傳導作用下低熔點的母材卻熔化，所以在接合界面發生的冶金反應屬液－固反應。這種液固接合機理有益于抑制界面反應層生成，激光滾壓焊適于異種材料焊接。

激光滾壓焊焊接鋁合金與鋼的原理如圖1所示[2]，所用設備是CO2激光器設備附加安裝一平面反射鏡和滾輪。其中，滾輪是由不銹鋼材料制作，并且裝置標有刻度的壓縮彈簧用以施加預定的滾輪壓力。激光束以一定角度經鏡面反射至滾輪前方進行加熱。照射到材料表面上的激光束是散焦的，以增大加熱面積和避免被照射材料熔化。為了防止激光束因折射而在材料內部聚焦并致使該處熔化，激光束焦點一般調至材料上方。加熱溫度可以通過調整輸出功率、散焦距離(焦點到材料表面距離)以及焊接速度進行控制。

為了便于調節光斑，對激光滾壓焊設備進行了改造，改造后的激光滾壓焊原理如圖2所示。采用柔性的光纖激光頭以取代原來的平面反射系統，不僅簡化了激光滾壓焊設備，而且光斑調節更加快捷，極大地提高了效率；為了防止金屬在焊接過程發生氧化，還在改良的設備里增加了氣體保護系統。

圖1 激光滾壓焊原理示意

圖2 改良激光滾壓焊的原理示意

2 異種材料的激光滾壓焊

2.1 鋁合金與低碳鋼的激光滾壓焊

由于在冶金、物理、化學等性能方面鋁合金與鋼相差較大，兩者不易焊接[8－10]。鑒于此，有關學者利用激光滾壓焊技術對鋁合金與低碳鋼進行了焊接，并研究了接頭性能[2－5]。對鋁合金與低碳鋼進行激光滾壓焊時，鋁合金板與低碳鋼板采用搭接方式，其中低碳鋼板置于鋁合金板之上以便于激光束照射加熱。在這一焊接工藝過程中，焊接速度、日本的沓名等人利用激光滾壓焊技術對1 mm厚的A5052鋁合金板和0.5 mm厚的低碳鋼(SPCC)板進行了焊接，獲得了良好的接頭[2]。試驗時所用加壓滾輪是直徑40 mm、厚10 mm的不銹鋼滾輪；激光輸出功率1.5kW；散焦距離25 mm；并采用氬氣對加熱區進行保護。圖3顯示了滾輪壓力為202MPa情況下焊接速度對激光滾壓焊接頭微觀組織的影響[2]。由圖3可見，不同焊接速度下獲得接頭的界面特性是不同的。當焊接速度較低時，形成在接合界面的反應層較厚，如圖3a所示焊接速度25.00 mm／s時界面反應層厚度約17 μ m。由于焊接速度較低，單位面積的激光照射加熱時間較長，致使加熱溫度較高。而界面反應層厚度X是反應溫度T和時間t的函數。即，X＝(2Kt)0.5，而K＝K0exp(－Q／RT)(K為成長系數，K0為系數，R為氣體常數，Q為反應層成長活化能)[11]。所以，較低焊接速度條件下獲得接頭的界面反應層較厚。另外，如圖3a所示，在反應層／鋼的鋸齒形界面處有較多微觀孔洞，這些微觀孔洞是由柯肯達爾效應形成的。由于Fe原子在Al中的擴散速度遠遠大于Al原子在Fe中的擴散速度，致使在鋼側形成微觀孔洞。隨著焊接速度的提高、加熱溫度降低，如圖3b所示，界面反應層變薄，當焊接速度為40.00 mm／s時，界面反應層厚度約5 μ m。由于原子擴散的緩和，在界面區也沒有出現微觀孔洞。然而，焊接速度過大，雖然界面反應層繼續變薄，如圖3c所示當焊接速度46.67 mm／s時界面反應層厚度約3μ m，但在界面處有未焊合缺陷形成。結果表明：鋁合金／低碳鋼激光滾壓焊接合界面反應層厚度隨所焊接速度增加而變薄，如圖4所示。

根據結構、成分分析可知，靠近鋁合金側反應層主要由富Al的金屬間化合物Fe2Al5和FeAl3組成；而在鋼側生成的是富Fe相FeAl和FeAl。試驗得知隨焊接速度增加，在界面反應層中(FeAl＋Fe3Al)的厚度分數增大。相對于Fe2Al5和FeAl3、FeAl和Fe3Al的脆性較低[12]，所以通過調整焊接速度能夠控制界面反應生成物，可以提高接頭性能。

圖4顯示了鋁合金／低碳鋼激光滾壓焊接頭抗剪強度和焊接速度的關系。雖然界面反應層厚度隨焊接速度增加而減小，但接頭抗剪強度隨焊接速度并不呈單調變化。首先隨著焊接速度的增加而增加，焊接速度約40 mm／s時，接頭抗剪強度達到最大值；之后又隨著焊接速度的增加而減小；焊接速度小于40 mm／s時，由于隨焊接速度增加界面層變薄，且其中脆性不大的富Fe相(FeAl＋Fe3Al)的厚度分數增大，所以接頭抗剪強度也隨之增大。當焊接速度大于40 mm／s時，雖然隨焊接速度增加界面層繼續變薄，(FeAl＋Fe3Al)的厚度分數仍增大，但因焊接速度過大，擴散不充分造成未焊合缺陷生成，致使接頭抗剪強度下降。滾輪壓力和激光輸出功率是影響接頭性能的主要參數。

圖3 鋁合金／低碳鋼激光滾壓焊接合界面區微觀組織

圖4 焊接速度對鋁合金／低碳鋼激光滾壓焊接頭抗剪強度和界面反應層厚度的影響

增加滾輪壓力不僅可以破壞鋁合金表面的氧化膜，還可加劇材料塑性變形，能夠促進原子擴散和接頭形成。在一定的激光輸出功率條件下，增加壓力能在較高的焊接速度(較低溫度)下形成接頭。圖5給出了鋁合金與低碳鋼激光滾壓焊適焊參數的范圍。左上部參數組合得到的熱輸入量過大，可使低碳鋼部分熔化，造成界面層厚度過大而無法焊接，右下方參數組合所得的熱輸入量非常低，會造成未焊合等缺陷生成而不能形成接頭；陰影部分為鋁合金與低碳鋼適焊參數組合范圍。

圖5 鋁合金／低碳鋼激光滾壓焊適焊參數范圍

2.2 鋁合金與鈦合金激光滾壓焊

尾崎等人利用激光滾壓焊技術對鋁合金與純鈦進行了焊接[7]。厚1.0 mm的A5052鋁合金板與厚0.5 mm的H4600純鈦板進行搭接，如圖6所示，采用直徑75 mm、厚3 mm的滾輪加壓，在氬氣保護中焊接。

圖6鋁合金／純鈦激光滾壓焊接試樣

圖7 顯示了在各種參數下獲得的接頭中心區接合界面微觀組織。如圖7所示，生成在鋁合金／純鈦激光滾壓焊接合界面的反應層厚度隨焊接速度的增加而變薄，隨激光輸出功率的增加而增加。這主要是焊接速度增加使焊接區加熱溫度降低，而輸出功率增加卻使焊接溫度增高。眾所周知，溫度是影響反應層成長主要因素之一，因而，界面反應層厚度隨參數變化而變化。界面觀察得知，即使在同一接頭的不同區域的界面反應層厚度也不同。接頭中央區界面反應層較厚，而周邊區域反應層較薄。這主要因為在鋁合金的熱傳導作用下焊接區周邊因散熱溫度較低所致。

圖7 鋁合金／純鈦激光滾壓焊接頭微觀組織

由顯微電子探針分析結果可知，在激光輸出功率2.0 kW、焊接速度40 mm／s的條件下獲得的接頭結合界面反應層的主要成分是Ti3Al5，而焊接速度45 mm／s時獲得的接頭的界面反應層主要由TiAl組成。這種界面反應生成物因焊接速度而異的原因是Ti與Al間相互擴散系數的溫度依存性不同[13]。如圖8所示溫度超過1 000℃時Al原子在Ti中的擴散系數隨溫度增加緩慢增加，而Ti原子在Al中的擴散系數在溫度超過500℃時急速增加。因此，在鋁合金／純鈦激光滾壓焊中界面反應生成物主要有Ti原子在Al中擴散生成。由于焊接速度不同Ti原子在Al中擴散量不同，生成反應物也不同[7]。

圖8 溫度對Ti與Al相互擴散系數的影響

然而由于在接合面未焊合區較多影響了鋁合金和純鈦的激光滾壓焊接頭性能。尾崎等人為促進Al的潤濕，焊前在鋁合金上涂層釬劑(KAlF4∶K2AlF5·H2O)，然后進行激光滾壓焊。如圖9所示，焊前加涂釬劑的接頭在抗剪試驗時破壞主要發生在母材純鈦側。結果表明，鋁合金／純鈦激光滾壓焊接頭強度能夠通過焊前加涂釬劑來提高。

圖9 抗剪試驗接頭破壞處于焊接參數關系

3 結論

激光滾壓焊是由激光焊與滾壓焊復合而成的一種新型焊接方法，其兼有熔化焊和固相焊的優點。利用激光滾壓焊技術焊接異種材料時，發生在接合界面的冶金反應屬于固－液反應，并可通過調整焊接速度、滾輪壓力、激光輸出功率以及散焦距離等參數，控制界面反應層形成以及生成物類別，從而能夠獲得強固接頭。激光滾壓焊比較適合于焊接熔點相差較大的異種材料。隨著研究的深入及實用化的推進，激光滾壓焊技術將有著廣闊的應用前景。

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Laser roll welding technology and its application in dissimilar metals'joining

SHI Hong-xin1，2，QIU Ran-feng1，TU Yi-min1，YU Hua1
(1.School of Materials Science and Engineering，He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.Key Laboratory of Science and Processing Technology of Non－ferrous Metals，He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China)

Dissimilar metals'joining(steel／aluminum alloy and titanium／aluminum alloy)has been paid attention to in vehicle industry，recently.However，fusion welding of such dissimilar metals is difficult as a result of generating the brittle intermetallic compound at the joint interface.Meanwhile，the joining effect of diffusion welding is not very ideal.Therefore，new type welding processes with high reliability and productivity for the dissimilar metals are demanded.Laser roll welding，one new type welding technology was developed aiming to meet the demand.The background，operating principle，characteristics of intermetallic compound at the joint interface and main performances of the joint were introduced in detail in this paper.

laser roll welding；dissimilar metals；lap joint；intermetallic compound；performance

book=37,ebook=325

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0037－05

2010－10－18

河南科技大學青年科學研究資助項目(2006QN069)

石紅信(1973—)，男，河南洛陽人，講師，碩士，主要從事焊接電源及固態連接的研究工作。