不同坡口面角度鍍鋅鋼/鋁合金激光熔釬焊接頭的界面組織和拉伸性能

楊 揚，周 信，于 霜，柏余杰，呂亞男

(蘇州工業職業技術學院機電工程系，蘇州 215104)

0 引 言

鋁合金/鋼復合結構能夠充分發揮兩種材料各自的性能優勢，具有輕質、高強等優點，在車輛、船舶、航天航空等領域具有很好的應用前景。然而，鋁和鋼的熱物理性能(熔點、熱導率、熱膨脹系數等)差異很大，且二者之間因固溶度低而易形成硬脆的Fe-Al金屬間化合物[1-2]，使得兩種金屬的連接成為一個技術難點。熔釬焊是一種較理想的焊接方法，可通過熔化鋁合金和填充金屬，潤濕鋼的表面而形成熔釬焊焊縫，從而實現鋼和鋁合金的連接。激光因具有能量密度高、加熱和冷卻速率快等優點，廣泛用作鋁/鋼熔釬焊的熱源[3]。

近年來，學者們對鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊的研究多聚焦于搭接接頭[4-5]，而對對接接頭的關注較少。這是由于激光為局部熱源，對接焊接時熔池的鋪展性較差，導致接頭強度較低。然而，采用對接方式有利于焊接結構件的后續加工，還可以避免搭接方式帶來的板材浪費問題。研究表明，熱源組合方式[6-7]、工藝參數[8]、填料[9]等因素均會對鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊對接接頭的力學性能產生影響。此外，母材預制坡口的坡口面角度也是一項重要影響因素[10]。坡口面角度直接關系到母材不同區域與激光熱源中心的相對位置，以及釬焊界面的連接面積。鋼/焊縫金屬界面一直是鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊對接接頭的薄弱位置。因此，研究不同坡口面角度鋼/鋁異種金屬熔釬焊對接接頭釬焊界面的顯微組織，對改善接頭的力學性能有一定的實際意義。為此，作者采用填絲激光熔釬焊方法對6061-T6鋁合金板和AISI 1045鍍鋅鋼板進行異種金屬對接焊試驗，對比研究了不同坡口面角度下釬焊界面的顯微組織和接頭的拉伸性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗母材選用6061-T6鋁合金板和表面熱鍍鋅的AISI 1045鋼板(鍍層厚度在78 μm)。母材試樣的尺寸均為3 mm×70 mm×100 mm。焊接材料為AWS A5.10 ER4043鋁合金焊絲，直徑為1.2 mm。母材和焊絲的化學成分見表1。

表1 母材和填充焊絲的化學成分Table 1 Chemical composition of base metals and filler wire %

采用對接接頭形式，開V形坡口(帶銅墊板)，無鈍邊，鋁合金板試樣的坡口面角度為30°，鋼板試樣的坡口面角度分別為30°和60°。焊前使用砂紙打磨母材試樣，并用丙酮清洗，以除去氧化膜和油脂。采用IPG YLS-10000型光纖維激光器進行激光熔釬焊，由Fronius Trans Plus Synergic 5000型焊機完成送絲工序。如圖1所示：焊絲位于激光頭前部，與激光束移動方向一致；保護氣體為氬氣，分別進行側吹和背吹；為了提升焊絲與鋁合金母材的冶金連接效果，將激光聚焦于鋁合金板坡口面上。焊接時的激光功率為5.2 kW，光斑直徑為1.21.5 mm，焊接速度為0.8 m·min-1，送絲速度為9.7 m·min-1，氬氣流量分別為20 L·min-1(側吹)和5 L·min-1(背吹)。將鋼板坡口面角度分別為30°和60°條件下制備的接頭分別簡稱為30°坡口面接頭和60°坡口面接頭。

圖1 激光熔釬焊示意Fig.1 Schematic of laser fusion brazing

1.2 試驗方法

在焊接接頭上垂直于焊接方向線切割取樣，用環氧樹脂制成鑲塊金相試樣，分別用砂紙和二氧化硅膠體溶液研磨和拋光后，先用Keller試劑(1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O，體積分數)腐蝕焊縫和鋁合金板母材(時間3 s)，再用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕鋼板母材，采用Olympus SZ61型立體光學顯微鏡(OM)觀察截面低倍組織，利用JSM-7600F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鋼板和焊縫界面處的截面顯微組織和形貌，使用附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。

以焊縫為中心，垂直于焊接方向截取尺寸如圖2所示的拉伸試樣，試樣厚度為3 mm，在Zwick-T1-FR020TN-A50型標準拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為0.5 mm·min-1。使用JSM-7600F型掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫表面和橫截面宏觀形貌

由圖3可以看出,焊接接頭焊縫表面光滑平整，無明顯飛濺物,鋁合金/焊縫界面呈現波浪狀。在焊根處，熔體會從V型坡口底部向鋼板背部流淌，形成背面焊縫，如圖中區域A和區域G所示；超出母材表面的熔體會鋪展到鋼板上表面，如圖中區域F和區域L所示。

圖3 不同坡口面角度鋼板/鋁合金板焊接接頭焊縫表面和橫截面宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of weld surface (a-b)and cross-section (c-d)of welded joints of different-bevel-angle steel plate/aluminum alloy plate

在激光熔釬焊過程中，鋼板表面鍍鋅層的熔點較低(419.5 ℃)，受熱后熔化并與由鋁合金焊絲和鋁合金母材熔化形成的熔池混合；進入熔池的鋅元素能夠降低熔池金屬的表面張力，有助于熔池金屬在鋼板表面的鋪展[11-12]，同時還能夠破壞氧化層，抑制鋁元素氧化，從而進一步促進熔池在鋼板表面的鋪展[13]。

2.2 界面顯微組織

采用鋁合金焊絲激光熔釬焊鋁合金/鋼接頭時，其鋼/焊縫界面處會形成Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等5種金屬間化合物，其中最常見的是Fe2Al5和FeAl3，Fe2Al5通常在鋼側形成，FeAl3在焊縫側形成[2,14]。通過EDS測定微區成分，再結合Fe-Al相圖及相關研究結果，可以定性推斷Fe-Al金屬間化合物的大致種類[10]。

由圖4和表2分析可知，在60°坡口面接頭中，鋼板母材沒有明顯的熔化跡象，靠近鋼/焊縫界面的焊縫組織主要為枝晶組織。焊根(區域A和區域B)和焊趾(區域F)處存在一些微米級的孔洞，未見連續的界面層；區域A(位置1，2)、區域B(位置3)和區域F(位置6，7)均主要由鋁元素和鋅元素組成，均為富鋅區，推測形成了以α-Al為基體相的α-Al+β-Zn雙相組織[2]。在激光熔釬焊過程中，熔池金屬鋪展至鋼板上表面時，前端部分會與熔化的鍍鋅層混合，其中一部分鋅會溶入熔池中，另一部分會形成鋅蒸氣而從熔池逃逸至最前端。鋅元素與鋁元素的親和力大于其與鐵元素[2],因此熔池中的鋅元素傾向于與鋁元素結合，形成α-Al+β-Zn雙相組織;同時，由于熔池凝固速率過快，部分鋅蒸氣未能完全逃逸而留在焊縫中形成微氣孔[2]。區域C、區域D和區域E都形成了連續的釬焊界面層。其中：區域C的釬焊界面層厚度約為4 μm，主要由鋁、鐵、硅3種元素組成(位置4)，原子比約為12.7…4.3…1，推測形成了Fe2Al5和FeAl3金屬間化合物，硅元素應是來自ER4043鋁合金焊絲，取代鋁元素而固溶于Fe2Al5和FeAl3中[2,14]；焊縫側的金屬間化合物層呈鋸齒狀伸入焊縫中，表明焊接過程中金屬間化合物由鋼側向液態熔池中生長。區域D和區域E的釬焊界面層厚度約為2 μm，焊縫側不均勻分布著一些針狀結構；區域D處的界面層主要由鋁、鐵、硅和少量鋅元素組成(位置5)，前3種元素的原子比約為26.4…4.6…1，推測主要形成了α-Al及Fe2Al5和FeAl3金屬間化合物，硅元素固溶于金屬間化合物。區域C、區域D和區域E處的鋼板母材坡口面沒有鍍鋅層，鋼直接與熔池金屬接觸，通過反應擴散形成金屬間化合物。激光束直接聚焦于鋁合金板坡口面，鋼板母材中區域C最靠近熱源，溫度較高，元素擴散較快，金屬間化合物形核和生長的能量較充足，因此此區域的金屬間化合物層較厚[15]。

圖4 60°坡口面接頭截面不同區域(如圖3所示)的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of different zones (shown in Fig.3)on cross-section of 60°-bevel-angle joint:(a)zone A;(b)zone B;(c)zone C;(d)zone D;(e)zone E and (f)zone F

表2 圖4中不同位置EDS分析結果Table 2 EDS analysis results at different spots in Fig.4 %

由圖5和表3分析可知,在30°坡口面接頭中，鋼板母材沒有明顯的熔化跡象，界面所有區域都形成了連續的金屬間化合物層。焊根(區域G)處鋼側金屬間化合物層主要由鋁和鐵元素組成，從母材向焊縫方向鋁鐵原子比依次為1.26…1(位置1)，1.86…1(位置2)，2.49…1(位置3)，推測依次為FeAl、Fe2Al5和FeAl3相；焊縫側金屬間化合物層呈層片狀，暗色相(位置4)的主要成分(原子分數)為75.84%Al，23.36%Fe，推測形成了FeAl3相，白色相(位置5)主要成分為鋁，應為α-Al相，鋁含量沿ab線發生顯著波動，這與由不同相組成的層片狀結構吻合。焊根區域的鋅含量很低，與60°坡口面接頭焊根區域的差異很大，推測是由于坡口面較陡以及激光束對熔池的擾動，使得熔池金屬流淌到鋼板背面時先將液態鋅推開，直接與鋼發生反應擴散形成金屬間化合物層，并且因冷卻速率過快而與液態鋅熔合很少。區域H的金屬間化合物層厚度約為16.5 μm，近焊縫側金屬間化合物層中存在許多粗大針狀組織。區域I的金屬間化合物層厚度約為14.0 μm，金屬間化合物層比較平整，主要由鋁和鐵元素組成，硅和鋅元素含量較低，從鋼向焊縫方向鋁鐵原子比依次為1.92…1(位置6)，2.83…1(位置7)，3.19…1(位置8)，推測主要形成了Fe2Al5和FeAl3相。區域J和區域K的金屬間化合物層厚度分別約為5.0，4.6 μm，金屬間化合物層在靠近焊縫側都形成了針狀組織。區域J處的金屬間化合物層也主要由鋁和鐵元素組成，從鋼向焊縫方向，鋁鐵原子比依次為3.26…1(位置9)，3.24…1(位置10)，推測主要形成了Fe2Al5和FeAl3相。焊趾(區域L)處與金屬間化合物層相鄰的焊縫區域主要由鋁和鋅元素組成，原子比為8.99…1(位置11)，17.14…1(位置12)，推測形成了以α-Al為基體的α-Al+β-Zn雙相組織；該金屬間化合物層厚度約為2 μm，界面呈鋸齒狀，其主要元素鋁、鐵、硅的原子比約為13.82…4.40…1(位置13)，推測主要形成了Fe2Al5相，硅元素固溶于該相。

圖5 30°坡口面接頭截面不同區域(如圖3所示)的微觀形貌及區域G線掃描結果Fig.5 Micromorphology of different zones (shown in Fig.3)(a-b,d-h)and element linear scanning results in zone G (c)on cross-section of 30°-bevel-angle joint:(a)zone G,on steel side;(b)zone G,on weld side;(d)zone H;(e)zone I;(f)zone J;(g)zone K and (h)zone L

表3 圖5中不同位置的EDS分析結果Table 3 EDS analysis results at different spots in Fig.5 %

在激光熔釬焊過程中，熔池金屬鋪展至鋼板上表面并與液態鋅混合，進而與鋼板接觸。進入熔池的鋅元素傾向于與鋁元素形成α-Al+β-Zn雙相組織，而抑制鐵元素擴散進熔池與鋁元素反應，同時鐵原子從鋼板/熔池界面逐漸擴散到熔池中，當界面處鐵元素的含量達到一定值時，就會滿足Fe-Al金屬間化合物形核和生長的一個必要條件。與60°坡口面接頭相比，30°坡口面接頭的坡口面較陡，使得焊趾區域(區域L)更靠近熱源中心，從而加速鐵元素的擴散，并為金屬間化合物形成提供更多能量。推測30°坡口面接頭釬焊界面滿足金屬間化合物形核和生長的條件，形成了連續的金屬間化合物層，而60°坡口面接頭釬焊界面部分區域未滿足金屬間化合物形核和生長條件。

30°坡口面接頭鋼/焊縫界面的金屬間化合物層厚度明顯大于60°坡口面接頭。這是由于30°坡口面接頭中鋼板的坡口角度較小，一方面使鋼板坡口面更靠近熱源中心，增大了熱輸入，另一方面大幅減小了焊縫容積，提高了熱傳導效率，更利于金屬間化合物的形核和生長。

2.3 拉伸性能

在拉伸試驗中，2種接頭均在鋼板側釬焊界面處發生斷裂，如圖6所示。2種接頭的拉伸斷口均呈現臺階和河流狀花紋特征，還出現了撕裂棱，如圖7所示，說明接頭發生了典型的解理脆性斷裂。測得60°坡口面接頭的平均抗拉強度達到151.7 MPa，高于30°坡口面接頭的120.3 MPa。

圖6 60°和30°坡口面接頭的拉伸斷裂照片Fig.6 Images of 60°-bevel-angle and 30°-bevel-angle joints after tensile fracture

圖7 不同坡口面角度鋼板/鋁合金板焊接接頭拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology of welded joints of different-bevel-angle steel plate/aluminum alloy plate:(a,c)at steel plate side and (b,d)at weld side

2種接頭鋼板側的釬焊界面處均形成了Al-Fe金屬間化合物層，這種金屬間化合物層對接頭力學性能影響較大[1-2]；金屬間化合物層厚度過大易導致脆斷，過薄則會造成結合不良[16]。30°坡口面接頭釬焊界面局部區域的金屬間化合物層厚度超過10 μm，而60°坡口面接頭釬焊界面的金屬間化合物層厚度控制較好，因此后者的抗拉強度更高。此外，坡口面角度增大還可以增加釬焊界面的連接面積，從而增強接頭的強度[10]。

3 結 論

(1)采用ER4043鋁合金焊絲對坡口面角度為30°的鋁合金板和坡口面角度分別為30°和60°的鍍鋅鋼板進行激光熔釬對接焊，所得接頭焊縫成形良好，表面無明顯飛濺物，截面未見明顯缺陷。

(2)60°坡口面接頭在焊趾和焊根處的鋼/焊縫界面處均形成富鋅區，并出現微孔洞，其他區域界面處形成了連續的金屬間化合物層；30°坡口面接頭僅在焊趾處形成富鋅區，并且整個鋼/焊縫界面處均形成了連續的金屬間化合物層；2種接頭中，鋼板坡口面下部區域的金屬間化合物層厚度較大，上部區域的金屬間化合物層厚度較小，并且30°坡口面接頭鋼側釬焊界面的金屬間化合物層厚度大于60°坡口面接頭。

(3)30°坡口面接頭和60°坡口面接頭的平均抗拉強度分別為120.3，151.7 MPa，拉伸斷裂均發生在鋼/焊縫界面處，斷口均呈典型的解理斷裂特征。