鎳中間層對304/5052激光-MIG復合焊接頭組織與力學性能的影響*

彭聰， 劉桂謙， 劉秀航， 張南峰， 高向東

(廣東工業大學，廣東省焊接工程技術研究中心，廣州 510006)

0 前言

將鋼材與輕合金進行有效連接，可以得到金屬復合結構。良好的金屬復合結構可以擁有鋼材高強度與高硬度的優點，又具備輕合金密度小、質量輕的優勢，是節能環保的重要手段之一，常用于汽車制造與船舶制造[1-2]。其中，不銹鋼和鋁合金都是常用且具備良好耐腐蝕性的金屬材料[3-4]，但由于鋼/鋁存在明顯的物理性質和化學性能的差異以及在焊接過程中Fe和Al相互作用，產生脆性相的鐵鋁金屬間化合物，所以鋼/鋁焊接性較差，難以高效獲得良好的鋼/鋁接頭[5-7]。通過改變鋼/鋁接頭中的元素組成和分布情況，可以有效改變鋼/鋁接頭的微觀組織和力學性能，例如改變焊絲的化學成分[8]、添加中間層等方式[9]。

激光-電弧復合焊利用激光和電弧作為復合熱源，可具兩者優勢，也可互補兩者劣勢，從而達到1+1>2的效果。但是，新的技術會帶來新的難題，由于激光-電弧復合焊接過程中使用復合熱源，所以其焊接過程難以預測，其焊接成形效果和機理還需要研究[10-11]。借助激光-電弧復合焊系統、光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析儀及萬能測試機，研究了鎳中間層對不同熔深條件下304不銹鋼/5052鋁合金激光-MIG深熔搭接焊的影響規律，從而為鋼/鋁激光-MIG深熔焊提供試驗依據。

1 試驗方法

試驗材料采用304不銹鋼和5052鋁合金作為母材，純鎳片為中間層，304不銹鋼的尺寸為150 mm×110 mm×3 mm，5052鋁合金的尺寸為150 mm×110 mm×1.5 mm，鎳片的尺寸為160 mm×20 mm×0.1 mm。采用不銹鋼板材在上、鎳片在中、鋁合金板材在下的擺放方式。焊絲采用直徑1 mm的ER308。采用混合保護氣(98%Ar+2%CO2)作為焊接保護氣體，焊接過程中保護氣體與電弧焊絲同軸輸出。試驗采用激光在前、電弧在后模式進行，光絲間距為2 mm，激光離焦量為0 mm，激光傾角為0°，電弧焊槍傾角為45°。使用厚度為0.1 mm的純銅片作為散熱輔助工具，放置于壓板和不銹鋼板材之間。母材擺放方式如圖1所示。焊接工藝參數見表1。對焊件進行線切割，制作金相樣件和拉伸樣件。使用光學顯微鏡對304/5052接頭截面進行宏觀觀察。采用掃描電鏡對界面進行觀察，使用能譜分析儀對界面層微觀組織進行元素組成及含量的檢測分析。使用萬能測試機對拉伸樣件進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。拉伸樣件尺寸如圖2所示。為表征304/5052接頭的力學性能，以抗拉力作為拉伸測試的結果，抗拉力取3個拉伸樣件所得數據的平均值。

圖1 鋼/鋁復合焊母材擺放方式

圖2 304/5052復合焊拉伸樣件尺寸

表1 304/5052復合焊工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫成形

圖3為304/5052復合焊接頭橫截面形貌。圖3a～圖3f分別為激光功率為2 600 W，2 800 W和3 000 W條件下分別在未添加鎳中間層和添加鎳中間層條件下的304/5052復合焊接頭宏觀形貌。從圖中可知，當激光功率為2 600 W，添加鎳中間層時，由于焊接功率不足，所以熔池未能穿透鎳片，形成獨特的三明治結構，形成弱連接。鎳片分別與304不銹鋼和5052鋁合金產生少量連接，對接頭的力學性能產生了嚴重的不良影響；當激光功率增加至2 800 W，添加鎳中間層時，熔池穿透鎳片，焊縫與鋁合金接觸，產生有效連接。在形貌尺寸方面，添加鎳中間層的接頭形貌尺寸與未添加鎳中間層的接頭形貌尺寸相近，無明顯變化；當激光功率增加至3 000 W時，相對于未添加中間層的接頭，添加鎳中間層的接頭熔深明顯加大，與5052鋁合金的有效連接面積增加，對接頭的力學性能產生良好的影響。 通過觀察6個接頭截面圖，可以發現，焊縫內部均出現了大小不一、形狀不一的氣孔，且氣孔形狀均不為圓形，即氣孔不是加工工藝型氣孔而是缺陷型氣孔。

圖3 304/5052復合焊接頭截面形貌

2.2 接頭顯微組織與形貌

圖4為304/5052復合焊接頭界面層微觀組織。圖4a～圖4f分別為激光功率為2 600 W，2 800 W和3 000 W條件下分別在未添加鎳中間層和添加鎳中間層條件下的304/5052復合焊接頭界面層微觀組織形貌。如圖4b所示，當激光功率為2 600 W時，接頭呈現“三明治”狀態，焊縫并未直接與鋁合金產生連接，而是熔化部分鎳片后，與鎳片相連接。同時，靠近鋁合金處的鎳片部分熔化，與鋁合金產生一定面積的連接，但其連接面積相對于焊縫和鎳片的連接面積較小。在鎳片與鋁合金接觸處，可以發現少量金屬間化合物。相對于一般狀態為針狀或塊狀的亮白色鐵鋁金屬間化合物，鎳鋁接觸處的金屬間化合物顏色較暗，呈現于淡灰色；其狀態也不同，在化合物密集處，化合物以類粒狀的形式進行堆積，在化合物稀少處，化合物以類樹根狀的形式出現。但是這2種化合物都符合遠離鋁合金處密集堆積特性，在靠近鋁合金處稀疏產生、化合物均在鋁側生成這2種形態。由于鎳片是純鎳，焊縫未能與鋁合金接觸，所以判斷這些金屬間化合物應為Al-Ni金屬間化合物(IMCs)。在焊縫內部發現一個明顯的缺陷型氣孔，接頭整體是一個弱連接狀態。

圖4 304/5052復合焊接頭界面顯微組織

當激光功率為2 800 W時，由于激光功率增加，熔池穿透鎳片，與鋁合金產生有效連接，界面處無明顯裂紋和氣孔。鋁側分布少量小面積島狀金屬。界面處產生了中量的金屬間化合物，包括Fe-Al IMCs和Al-Ni IMCs。在島狀金屬周圍，產生了大量的金屬間化合物，以Fe-Al IMCs為主。

當激光功率增加至3 000 W，焊縫的熔深和有效連接面積加大。鋁側分布中量大面積島狀金屬。界面處產生中量的IMCs，包括Fe-Al IMCs和Al-Ni IMCs，Al-Ni IMCs增加而Fe-Al IMCs減少。由于焊接能量過高，與未添加鎳中間層的接頭類似，界面處出現裂紋，對接頭產生一定的不利影響。但是添加鎳中間層后，界面層出現的裂紋尺寸均明顯小于未添加鎳中間層界面層出現的裂紋。鎳中間層的添加，減少裂紋尺寸，改善接頭的力學性能。

對P=3 000 W的2個接頭界面進行EDS測量。按照IMCs的密集程度分為高、中、低3個級別，分別在每個界面選取3個點進行測量和統計，6個點的序號分別為A1，A2，A3，B1，B2，B3。在島狀金屬分別選擇2個點進行測量，分別是A4，B4。圖5為鋼/鋁復合焊接頭界面層EDS測試點位圖。圖5a是激光功率為3 000 W的未添加鎳中間層接頭，圖5b是激光功率為3 000 W的添加鎳中間層接頭。表2為304/5052復合焊接頭界面層的EDS結果。

圖5 304/5052復合焊接頭界面層EDS測試點

表2 304/5052復合焊接頭界面層EDS結果(原子分數，%)

通過分析圖表，結合Fe-Al二元相圖和Al-Ni二元相圖，圖中金屬間化合物層主要由Al單質、Fe2Al5，FeAl3和Al3Ni組成。在未添加鎳中間層的界面，隨著金屬間化合物密集程度的降低，Al/Fe的比值分別為2.02，4.19和8.13，逐漸上升，同時，Ni的原子占比也在降低，分別為5.4%，3.22%和2.8%。可知，A1的主要相為少量的Fe，Fe2Al5和少量的Al3Ni；A2的主要相為FeAl3和中量的Al；A3的主要相為大量的Al和FeAl3。

在添加鎳中間層的界面，隨著金屬間化合物密集程度的降低，Al/Fe的比值分別為2.51，4.34和6.72，逐漸上升，同時，Ni的原子占比也在降低，分別為9.52%,5.81%和5.12%。可知，B1的主要相為大量Fe2Al5和中量的Al3Ni；B2的主要相為大量的FeAl3和少量的Al3Ni；B3的主要相為大量的FeAl3、少量的Al3Ni和大量的Al。相對未添加鎳中間層的界面，添加鎳后，界面金屬間化合物的形貌發生改變，其組成也發生較大的變化。隨著界面處Ni元素的濃度提升，Al3Ni的生成量增加，而Fe2Al5和FeAl3的產生減少，Fe-Al IMCs的厚度降低，對接頭的力學性能產生了有利的影響。

針對島狀金屬間化合物進行分析，對比A4和B4這2個點的EDS結果，可知，添加鎳中間層可以提升島狀金屬間化合物中Ni元素的濃度，但提升效果不如界面的金屬間化合物處。其中，A4的主要相為大量的Fe2Al5和中量的Fe；B4的主要相為大量的FeAl3、少量的Al3Ni和少量的Al。

2.3接頭力學性能分析

圖6為在不同激光功率、是否添加鎳中間層的條件下304不銹鋼/5052鋁合金激光-MIG深熔搭接焊抗拉力對比圖。拉伸樣件斷裂位置均位于界面層，且斷裂方式均為脆性斷裂。拉伸樣件斷裂后，鎳中間層粘附于304不銹鋼表面。

圖6 304/5052復合焊抗拉力對比

當激光功率為2 600 W時，相對于未添加鎳的接頭，添加鎳后，接頭的力學性能反而下降，這是因為添加中間層后，激光在低功率狀態下無法接觸鋁合金板，最終導致了接頭的有效連接區域僅有鎳片與鋁合金板的小面積熔化部分。對比未添加鎳中間層的接頭和添加鎳中間層的接頭，當激光功率為2 800 W或3 000 W時，鎳中間層對接頭的力學性能起改善效果。其中，當激光功率為3 000 W時，鎳中間層對接頭的抗拉力提升率更高，達到36%(由1 507 N提升到2 050 N)。這是因為，在室溫狀態下，金屬間化合物Al3Ni的韌性優于金屬間化合物Fe2Al5和FeAl3，所以Al3Ni的增加可以提高鋼/鋁接頭的韌性，從而提高接頭的抗拉力，最終改善接頭的力學性能。同時，鎳中間層的添加，不只是增加了Al3Ni的產生量，還抑制了Fe2Al5和FeAl3的產生，減少了脆性化合物層的厚度，在另外一個方面改善了接頭力學性能。當激光功率從2 800 W增加至3 000 W時，焊接能量增加，激光的攪拌作用加強，鎳元素的分布更加均勻，界面處Al3Ni的產生量增多，同時對Fe-Al IMCs的抑制作用加強，最終使得接頭的抗拉力提高效果更好。

3 結論

(1)在較低激光功率的條件下，由于鋼/鋁接頭形成了類似三明治的結構，所以在較低的熔深條件下，鎳中間層反而對鋼/鋁接頭的力學性能產生不利影響。

(2)當激光功率達到3 000 W時，與不加Ni的304/5052復合焊接頭抗拉力(1 507.56 N)相比，添加Ni后接頭抗拉力達到2 050.19 N，力學性能提高效果達到36%。在施加較高激光功率后，添加鎳中間層可有效減小接頭界面金屬間化合物層的熱裂紋。

(3)在施加適宜激光功率的條件下，一方面添加Ni可以增加Al3Ni的產生量，提高接頭的韌性，改善接頭的力學性能；另一方面，使用鎳作為中間層可以抑制Fe-Al金屬間化合物的生長，降低Fe-Al IMCs的厚度，從而降低接頭界面的脆性，最終改善接頭的力學性能。