6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板冷金屬過渡焊接頭界面的顯微組織

金光燦，邢彥鋒，許 莎

(上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620)

0 引 言

隨著汽車輕量化的發展，鋁鋼焊接件在汽車零部件制造生產中的應用越來越廣泛[1-4]。然而，鋁和鋼在焊接過程中極易發生反應，生成金屬間化合物，形成過渡層，這會對焊接件的力學性能產生不利影響[5-6]。研究人員對鋁、鋼焊接過渡層中金屬間化合物的類型及過渡層厚度控制等進行了一定研究。SCHUBERT等[6]研究發現，當鋁、鋼焊接形成的金屬間化合物過渡層厚度在10 μm以內時，焊接件可以獲得較好的焊接質量與力學性能。黃健康等[7]對鋁/鋼異種金屬焊接接頭的界面進行微觀分析，發現界面上的反應產物主要為Fe2Al5和FeAl3相，前者的吉布斯標準自由能比后者的低，在焊接過程中優先生成。SHI等[8]研究發現，在鋁/鍍鋅鋼冷金屬過渡焊(CMT)接頭中，金屬間化合物過渡層的厚度分布不均勻，厚度為78 μm的過渡層組織由FeAl3組成，厚度為45 μm的過渡層組織由FeAl3和α-Al固溶體組成。CAO等[9]研究發現，鋁/鍍鋅鋼CMT接頭中，從鋼、釬焊界面到焊縫的物相依次為γ-Fe固溶體，Fe3Al、FeAl2、FeAl3、Fe2Al5金屬間化合物和α-Al+硅共晶相。王風江等[10]研究發現，鍍鋅鋼和6061鋁合金釬焊界面的金屬間化合物由層狀Fe2Al5和針狀FeAl3組成，富鋅區由α-Al固溶體和鋁鋅共晶相組成。上述研究對鋁/鋼焊接接頭過渡層金屬間化合物的物相組成進行了一定分析和討論，但金屬間化合物的微觀形貌，形成機理及長大機制的研究有待進一步完善。為此，作者采用CMT工藝對6061鋁合金和DP590鍍鋅鋼板進行搭接點焊(釬焊)，研究了接頭界面的顯微組織和物相組成，并探討了各金屬間化合物的形成機理，以期為鋁合金/鍍鋅鋼板CMT點焊件的質量控制提供一定理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗母材為厚度1.2 mm的6061鋁合金薄板和厚度1.0 mm的DP590鍍鋅鋼薄板，焊絲為4043鋁硅合金，直徑為1.2 mm。母材及焊絲的化學成分如表1和表2所示。

表1 6061鋁合金和4043鋁硅焊絲的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy and 4043 Al-Si alloy (mass) %

表2 DP590鍍鋅鋼板的化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of DP590 galvanized steel sheet (mass) %

將6061鋁合金和DP590鍍鋅鋼板加工成尺寸為125 mm×50 mm(長×寬)的試樣。接頭形式為搭接接頭：鋁合金板在上，鍍鋅鋼板在下，搭接長度為50 mm。在兩板搭接中心處的鋁合金板上開直徑為7 mm的小孔，作為焊接位置。具體搭接方式如圖1所示。

圖1 焊接試樣搭接示意Fig.1 Schematic of welding sample overlapping

焊接前用鋼刷去除鋁合金搭接部分的氧化膜并拋光，使用丙酮清洗鋼板及拋光后的鋁合金表面。采用配有RCU5000i型控制器的TPS4000 CMT焊機進行點焊，焊接機器人為庫卡公司KR5-R1400型五軸機器人。使用流量為15 L·min-1、純度為99.999%的氬氣作為保護氣體。焊接速度為1.2 m·min-1，弧長修正為0，送絲速度為6.2 m·min-1。

1.2 試驗方法

沿焊接接頭橫截面截取金相試樣，經研磨、拋光、腐蝕后，采用AxioScope型正立光學顯微鏡、S-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)及附帶的能譜儀(EDS)進行顯微組織觀察和微區成分分析。腐蝕液由1%(體積分數，下同) HF+1.5% HCl+2.5% HNO3+95% H2O配制而成，腐蝕時間為1015 s。

2 試驗結果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

由圖2可知：6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板CMT接頭焊縫成形較好，焊絲熔化形成的熔滴與小孔周圍的鋁合金熔合在一起，并在鍍鋅鋼板表面鋪展良好，形成了明顯的釬焊界面層；熔核中央存在一個凹陷區域，由熔融金屬凝固收縮而成，該區域未出現縮孔等明顯的焊接缺陷，這是由于試驗所用送絲速度較為合理，熱輸入不大，熔融金屬從焊點中心向四周擴散時的流動較慢，中間部分金屬流失較少。

圖2 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板接頭橫截面宏觀形貌Fig.2 Cross-section macromorphology of 6061 Al alloy/DP590 galvanized steel sheet joint

2.2 接頭微觀形貌及元素分布

由圖3可知：6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板焊接界面上存在一層均勻的金屬間化合物，厚度在6 μm左右；靠近鍍鋅鋼板一側的過渡層界面較為平滑，靠近熔化區一側的過渡層界面呈鋸齒狀，存在大量垂直于界面生長的柱狀晶，這是因為在焊接過程中，鍍鋅鋼板一側屬于冷端，熔融焊絲和部分熔化的鋁合金與之接觸時產生垂直溫度梯度，有利于柱狀晶的生長；此外，熔化區一側還存在較多無固定生長方向的細針狀組織。

圖3 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板接頭橫截面微觀形貌Fig.3 Cross-section micromorphology of 6061 Al alloy/DP590 galvanized steel sheet joint: (a) OM morphology and (b) SEM morphology

沿圖3(b)白色箭頭方向垂直于6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板界面進行EDS線掃描分析。由圖4可知：從鍍鋅鋼板到鋁合金方向上，鐵元素含量先降低，鋁元素含量先增加，隨后兩者在過渡層區域的含量幾乎穩定不變，推測此處生成了鐵鋁金屬間化合物；進入鋁合金區后，鐵元素含量繼續減少，鋁元素含量明顯增加。隨著焊接過程的進行，鍍鋅鋼板和熔融鋁合金發生了鐵和鋁元素的擴散，兩者相互反應形成金屬間化合物過渡層。根據元素含量可知，靠近鋼板一側的為Fe-Al金屬間化合物層，而靠近熔化區一側的為Al-Fe金屬間化合物層。

圖4 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板接頭界面處EDS線掃描結果Fig.4 EDS linear scanning results at interface of 6061 Al alloy/DP590 galvanized steel sheet joint

由鐵鋁二元相圖[11]可知，鋁和鐵元素在不同溫度下相互作用可形成多種金屬間化合物：Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3相等。上述可能形成的化合物中FeAl相的標準生成吉布斯自由能最大，當溫度介于3001 500 K時，其值大于0[7]，而試驗焊接溫度在1 2731 573 K，故過渡層內基本不可能形成FeAl相。同樣，Fe3Al的標準生成吉布斯自由能在溫度高于900 K時也大于0，其亦不會形成。結合圖4可知，靠近熔化區一側的過渡層中鐵元素含量很低，因此該處形成Fe3Al的可能性很小。FeAl2是一種亞穩相，在焊接過程中更易與鋁反應生成Fe2Al5[12]。綜上可知，過渡層靠近熔化區一側的金屬間化合物為Fe2Al5和FeAl3相的可能性更大。由于Fe2Al5的標準生成吉布斯自由能遠低于FeAl3的[7]，在焊接初期，鐵、鋁反應界面處更易生成Fe2Al5相。

由表3可以看出，靠近熔化區一側的過渡層(點1)中鋁和鐵的原子個數比約為2.4，質量比約為1.16。理論上Fe2Al5相的鋁、鐵原子個數比為2.5，質量比為1.2，忽略測量誤差的影響，可以推斷該側金屬間化合物為Fe2Al5相。隨著焊接過程的進行，Fe2Al5相向鋁元素含量較高的焊縫區域推進，由于Fe2Al5相具有斜方型晶體結構，其c軸上存在較多原子空位，這些空位被鋁原子占據就會形成生長方向雜亂無章的的細針狀FeAl3相[13]，由此可知圖3(a)中的細針狀組織為FeAl3相。

表3 過渡層中點1的EDS分析結果Table 3 EDS analysis result of point 1 in transition layer %

3 結 論

(1) 6061鋁合金/DP590鍍鋅鋼板CMT接頭焊縫成形良好，無縮孔等缺陷；接頭焊接界面上存在厚度在6 μm左右的金屬間化合物過渡層，過渡層靠近鍍鋅板一側的界面較為平滑，靠近熔化區一側則存在大量垂直于界面生長的柱狀晶。

(2) 鍍鋅鋼板和熔融鋁合金發生了鐵和鋁元素的擴散，兩元素反應生成金屬間化合物，過渡層區域兩元素含量幾乎不變；靠近鍍鋅鋼板一側的過渡層組織為含鋁的α-Fe固溶體，靠近鋁合金一側的為Fe2Al5相，同時熔化區內形成細針狀FeAl3相。