焊接電流對(duì)鋁/鋼電弧熔釬焊接頭組織及性能的影響

譚 攀，韓世偉，蔣 曉，許惠斌

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)金屬的復(fù)合型應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中鋁合金占有很大比例。鋁合金具有加工性能好、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1-4]。尤其是在汽車(chē)輕量化方向，鋁合金有不可替代的優(yōu)勢(shì)，為此也帶來(lái)了新的技術(shù)難題，即是鋁/鋼異材金屬的連接。由于鋁和鋼的化學(xué)性能、物理性能相差巨大，兩者實(shí)現(xiàn)直接連接非常困難，并且兩者焊接時(shí)極易生成大量脆性的金屬間化合物。針對(duì)這一難點(diǎn)，學(xué)術(shù)界開(kāi)展了大量的研究，開(kāi)發(fā)出了包括壓力焊、熔焊、釬焊和攪拌摩擦焊等新型的鋁/鋼連接方法[5-9]。采用上述的焊接方法可以有效的連接鋁/鋼，但是受限于技術(shù)和成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化相對(duì)困難。

鋁/鋼異種金屬的連接很困難，而電弧熔釬焊可用其連接，其優(yōu)點(diǎn)在于焊接溫度在高熔點(diǎn)母材和低熔點(diǎn)母材熔點(diǎn)區(qū)間內(nèi)，可形成釬焊和熔焊接頭。電弧熔釬焊同時(shí)具備了釬焊和熔焊的特征。前期的研究表明：鋁/鋼電弧熔釬焊的難點(diǎn)在于焊接熱輸入影響IMC層的生長(zhǎng)厚度，提高接頭性能的關(guān)鍵在于控制IMC層的生長(zhǎng)。石巖等[10]選用ST07Z鍍鋅鋼板和5052鋁合金作為試驗(yàn)?zāi)覆模捎脽o(wú)釬劑條件下激光熔釬焊方法實(shí)現(xiàn)焊接，發(fā)現(xiàn)激光功率是影響接頭質(zhì)量的主要原因。結(jié)果證明：焊接熱輸入大小可以直接影響電弧熔釬焊接頭的力學(xué)性能，為了提高接頭的強(qiáng)度要選用合理的焊接熱輸入。崔佃忠等[11]選用CMT熔釬焊對(duì)5052鋁合金和Q235鍍鋅鋼進(jìn)行焊接發(fā)現(xiàn)，焊接熱輸入較低時(shí)，界面層的IMC主要是由Fe2Al5、FeAl3組成，焊接熱輸入增大后，IMC種類(lèi)增加，降低了接頭強(qiáng)度。張滿等[12]對(duì)Zn-Al釬料在鋁/鋼焊接中的鋪展?jié)櫇裥缘冗M(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在鋁含量15%時(shí)，母材表面的潤(rùn)濕鋪展面積最大，降低了鋁/鋼異種金屬焊接的難度。

從焊接熱輸入角度考慮，焊接時(shí)電流的大小直接影響焊接熱輸入，從而影響接頭界面反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生。因此，選用合適的焊接電流有望提高鋁/鋼異材電弧熔釬焊接頭的力學(xué)性能。鑒于此，選用不同焊接電流對(duì)5052鋁合金、Q235低碳鋼板和Zn-15%Al焊絲的電弧熔釬焊進(jìn)行初步探索，以期為鋁/鋼電弧熔釬焊工藝的進(jìn)一步研究提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用Q235鋼板和5052鋁合金板，加工成尺寸均為60 mm×50 mm×3 mm板進(jìn)行焊接，其主要的化學(xué)成分見(jiàn)表1。選用Zn-15%Al焊絲作填充金屬，Zn-15%Al焊絲的化學(xué)成分如表2所示。接頭的剪切試樣和剪切夾具如圖1所示，剪切試樣的尺寸為3 mm×8 mm× 20 mm。剪切位置選擇在鋼側(cè)界面。電弧熔釬焊實(shí)驗(yàn)選在焊接電源Panasonic YC-300WX TIG焊機(jī)、優(yōu)歐冷卻水箱和自動(dòng)送絲機(jī)自主研制的焊接平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。

表1 5052鋁合金及Q235低碳鋼板的化學(xué)成分(wt.%)

表2 Zn-15%Al焊絲化學(xué)成分(wt.%)

圖1 剪切試樣和剪切夾具示意圖

焊前用砂紙去除母材表面的氧化膜；用加有無(wú)水乙醇超聲波清洗儀對(duì)母材表面進(jìn)行去油污等去雜質(zhì)處理；然后采用對(duì)接方式將母材固定于實(shí)焊平臺(tái)上進(jìn)行焊接。采用氬氣進(jìn)行保護(hù)，固定氣體流量(10 L/min)，焊接速度(44 mm/min)，送絲速度(720 mm/min)等工藝參數(shù)。在不同焊接電流(80 A、90 A、100 A)條件下研究Zn-15%Al焊絲對(duì)鋁/鋼異種金屬電弧熔釬焊接頭的性能及組織的影響。

對(duì)不同參數(shù)獲得的焊件制取金相試樣，金相選用位置均為中部。砂紙打磨、拋光、腐蝕(硝酸酒精4%)接頭。用XJP-6A型正立智能數(shù)字光學(xué)顯微鏡與JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)觀察接頭的顯微組織；根據(jù)GB/T 6400—2007標(biāo)準(zhǔn)制取不同焊接電流條件下的剪切試樣并去除焊縫余高，在WDW-E200型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速率為2 mm/min，每組參數(shù)焊件進(jìn)行不少于3次的剪切試驗(yàn)，求其平均剪切強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀形貌

電弧熔釬焊是一種連接鋁/鋼異種金屬材料的新型方法，鋁側(cè)呈現(xiàn)熔焊接頭，鋼側(cè)呈現(xiàn)釬焊接頭。焊接過(guò)程中焊絲受到電弧加熱融化與母材進(jìn)行連接，在其上表面會(huì)形成焊絲余高，其背部成形明顯。圖2、圖3、圖4是在固定部分參數(shù)條件下(焊接速度44 mm/min、送絲速度720 mm/min)不同的焊接電流條件下焊接接頭的宏觀和橫截面形貌。

圖2 在80 A焊接電流條件下接頭形貌

圖3 在90 A焊接電流條件下接頭形貌

圖4 在100 A焊接電流條件下接頭形貌

結(jié)果表明：得到的接頭焊縫成形完整，上表面余高成形呈現(xiàn)兩邊延展的趨勢(shì)且隨著焊接電流的增加余高逐漸出現(xiàn)高低起伏的現(xiàn)象。造成余高延展和高低起伏的原因是，焊接電流的增加導(dǎo)致焊接熱輸入逐漸增加，對(duì)焊絲的熔化程度越高，焊絲融化后形成的熔滴速度增加；并對(duì)母材造成了一定的軟化，導(dǎo)致焊絲在母材上表面向兩邊延展和余高的高低起伏現(xiàn)象。背部成形高度逐漸增加，從圖2可以看出，焊接電流是80 A時(shí)，Zn-15%Al焊絲在焊縫背面未出現(xiàn)明顯的潤(rùn)濕現(xiàn)象和包覆鋼側(cè)等現(xiàn)象；從圖3觀察到焊接電流增加到90 A時(shí)，其接頭的背面成形凹凸不平，并且背面都出現(xiàn)了焊絲擴(kuò)散包覆鋼的區(qū)域；造成背面凹凸不平的原因是，Zn-15%Al焊絲中的Zn元素熔點(diǎn)較低，在90 A條件下，出現(xiàn)了元素?fù)]發(fā)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致焊縫宏觀表面成形凹凸不平的現(xiàn)象；造成鋼側(cè)包覆現(xiàn)象的原因是，隨著焊接電流的增加，Zn-15%Al焊絲的鋪展?jié)櫇裥灾饾u增加，并在鋼側(cè)背面出現(xiàn)了良好的鋪展?jié)櫇瘳F(xiàn)象，有助于提高接頭的整體力學(xué)性能。當(dāng)焊接電流達(dá)到100 A時(shí)，如圖4可以發(fā)現(xiàn)Zn-15%Al焊絲的流動(dòng)性能和鋪展?jié)櫇裥宰兊煤芎茫谠嚰砻驿佌節(jié)櫇駞^(qū)域很大，形成良好外觀的接頭。僅從外觀形貌來(lái)看，隨著焊接電流的增加，焊絲在鋼側(cè)形成的包覆區(qū)域逐漸增加，接頭的質(zhì)量明顯高于低電流條件下得到的接頭。

2.2 熔焊接頭顯微分析

圖5為Zn-15%Al焊絲在不同焊接電流條件下5052鋁合金/Q235冷軋鋼對(duì)接焊的鋁側(cè)接頭(熔焊區(qū))的顯微組織，通過(guò)EDS分析(表3)再結(jié)合Zn-Al相圖分析，焊縫中的白色組織(1點(diǎn)EDS分析)是Zn基固溶體；灰白色的組織(2點(diǎn)EDS分析)是Zn基與Al基固溶體的混合物；灰黑色(3點(diǎn)EDS分析)是Al基與Zn基固溶體的混合物，Al基固溶體含量偏多。并且從圖5中可以看出，Al側(cè)焊接熔合區(qū)域明顯，以Zn-15%Al焊絲和鋁合金結(jié)合區(qū)為基體形核、長(zhǎng)大，隨著焊縫區(qū)域的快速冷卻，最終形成垂直于熔合線取向的粗大樹(shù)枝晶或柱狀晶組織。焊接熱輸入隨著焊接電流的增加而增大，焊縫區(qū)域中的鋅基固溶體組織逐漸減少，鋁基固溶體和鋅基固溶體組織的顆粒逐漸減小并細(xì)化熔合，形成微小孔洞。分析認(rèn)為，在焊接電流80 A時(shí)，焊接熱輸入低，Zn元素?cái)U(kuò)散少，易形成Zn的聚集或偏析等現(xiàn)象；在焊接電流100 A時(shí)，焊接熱輸入過(guò)大，使大量的Zn元素蒸發(fā)，溶入焊縫形成孔洞，從而影響焊接接頭的強(qiáng)度。

圖5 不同焊接電流下鋁側(cè)熔合區(qū)組織

表3 圖3(b)中各微區(qū)EDS分析的化學(xué)成分(wt.%)

2.3 釬焊接頭顯微分析

圖6為不同焊接電流條件下的鋼側(cè)接頭的顯微組織(釬焊區(qū))，結(jié)合Zn-Al相圖、Fe-Al相圖和EDS分析結(jié)果(如表4所示)，發(fā)現(xiàn)由Fe4Al13和Fe2Al5等組成的Fe-Al系IMC層在Q235鋼與Zn-15%Al焊絲連接界面區(qū)域生成[13]。釬焊區(qū)的IMC層厚度隨著焊接電流的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，焊接電流從80 A增加到100 A其IMC層厚度從13.4 μm逐漸增加到22.9 μm。分析可知，隨著焊接電流的增加，焊接熱輸入也隨著增大，F(xiàn)e原子與Al原子反應(yīng)進(jìn)程加劇，導(dǎo)致IMC層生長(zhǎng)過(guò)快，最終大熱輸入條件下獲得的IMC層厚度未能得到有效控制；其Fe2Al5金屬化合物與焊縫中的金屬存在較大的差異，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，降低了焊接接頭的性能。圖6(a)中發(fā)現(xiàn)在界面處存在孔洞等缺陷。分析原因是，在焊接電流80 A條件下，焊接熱輸入較低，Zn-15%Al焊絲與鋼側(cè)界面的IMC層性能相差較大，形成孔洞等缺陷，降低了接頭性能。在圖6(c)焊接電流100 A條件下，焊接熱輸入過(guò)大，易形成微裂紋，大大降低了接頭強(qiáng)度。不同焊接電流下接頭IMC層的平均厚度如圖7所示。

圖6 不同焊接電流下鋼側(cè)界面組織

圖7 不同焊接電流下接頭IMC層的平均厚度

通過(guò)表4中EDS結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在焊接電流較小時(shí)，Zn-15%Al焊絲與鋼側(cè)界面區(qū)域除發(fā)現(xiàn)Fe-Al系金屬間化合物，還發(fā)現(xiàn)界面層生成了Fe-Al-Zn金屬間化合物(15.33～22.99 wt.% Fe，62.46～ 67.25wt.% Al，9.76～ 22.21wt.% Zn，見(jiàn)表4)，組織結(jié)構(gòu)分別是Fe2Al5-Znx和Fe4Al13-Znx，Zn元素固溶進(jìn)Fe-Al相中形成了一種Fe-Al-Zn三相，可以有效提高接頭的塑韌性和抗裂能力[14-16]。但當(dāng)焊接電流達(dá)到100 A后Fe2Al5-Znx和Fe4Al13-Znx兩相金屬間化合物減少，且產(chǎn)生了微裂紋；分析原因是，當(dāng)焊接電流從80 A逐漸增加到100 A，焊接熱輸入逐漸增大，Zn元素逐漸揮發(fā)，焊縫中的白色富鋅組織逐漸減少，且在焊縫中由Zn元素?fù)]發(fā)形成的孔洞尺寸也逐漸增加，并且產(chǎn)生了明顯的微裂紋，導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能下降。

表4 圖6中各微區(qū)EDS 分析的化學(xué)成分(wt.%)

2.4 接頭力學(xué)性能測(cè)試

圖8為在不同焊接電流條件下接頭的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，在不同焊接流條件下得到的接頭的平均剪切強(qiáng)度隨焊接電流增加呈先增加后下降的趨勢(shì)。在焊接電流80 A得到的接頭剪切平均強(qiáng)度僅為56.8 MPa；在90 A達(dá)到了最大的99.8 MPa；增加到100 A時(shí)，接頭平均剪切強(qiáng)度只有12.2 MPa，其原因是，焊接電流增加到100 A后，焊接熱輸入過(guò)大，導(dǎo)致Zn元素?fù)]發(fā)形成的孔洞尺寸增加，并且在鋼側(cè)界面出現(xiàn)了明顯的微裂紋，大大降低了焊接接頭的性能。

圖8 不同焊接電流下鋼側(cè)界面剪切強(qiáng)度

2.5 斷口分析

通過(guò)SEM和XRD對(duì)剪切實(shí)驗(yàn)得到的接頭斷口進(jìn)行分析觀察，可以有效反應(yīng)接頭斷面的組織和宏觀微觀變化。圖9是在焊接電流90 A條件下剪切得到的斷口和XRD分析結(jié)果。

圖9 焊接電流90 A下鋼側(cè)界面斷口及XRD分析

由圖9(a)斷口的SEM圖可以看出，表面呈現(xiàn)晶粒多邊的層狀花樣，并且顆粒具有極強(qiáng)的立體感，發(fā)現(xiàn)斷面為脆性斷裂，且存在明顯的塑性斷裂；進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在斷口多邊層狀花樣表面出現(xiàn)有白色的微小組織，這些是塑性斷裂后形成的，增加了接頭的塑性，提高了接頭的性能。圖9(b)中XRD分析結(jié)果表明，在焊接接頭斷口存在Fe4Al13、Fe2O3等化合物和氧化物，結(jié)合斷口形貌發(fā)現(xiàn)，斷面組織均勻，未見(jiàn)粗大的晶粒，進(jìn)一步提高了接頭的性能。

3 結(jié)論

1)采用電弧熔釬焊技術(shù)能夠獲得完整的鋁/鋼接頭，焊接電流的大小對(duì)焊絲的鋪展?jié)櫇裥杂休^大的影響，隨著焊接電流的增加，鋼側(cè)表面的焊絲鋪展區(qū)域隨之增大，提高了接頭性能。

2)釬焊界面區(qū)生成的IMC層隨著焊接電流的增加，厚度隨之增加，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，裂紋容易在IMC層內(nèi)萌生及擴(kuò)展，惡化了接頭的力學(xué)性能。Fe2Al5-Znx和Fe4Al13-Znx能夠提高接頭的塑韌性和抗裂能力。

3)隨焊接電流增加，獲得的接頭平均剪切強(qiáng)度呈先增加后下降的趨勢(shì)；在焊接電流90 A下得到最優(yōu)接頭，為99.8 MPa。