鍍鋅鋼/鋁合金激光熔釬焊接頭組織及力學性能

陳大林，趙青山

蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060

0 前言

鋁合金密度小、質量輕、比強度高、導電導熱性和耐腐蝕性良好，工業上應用廣泛[1]；鋼的塑韌性較好、強度較高、價格較低，是加工性能良好的黑色金屬材料，在裝備制造業中的地位至今無可替代[2-3]，“鋁+鋼”復合結構具有明顯的優勢和廣泛的應用價值.但由于鋁/鋼固溶度低，兩者的物理、化學性能差異明顯，焊接過程中容易出現氧化、焊縫成分不均，焊接變形大，夾渣、氣孔、裂紋等缺陷，并形成大量的FeAl脆性金屬間化合物，從而影響接頭性能。因此，實現鋁/鋼異種金屬焊接是研究的熱點，亦是難點[4-7]。

目前，擴散焊、摩擦焊、爆炸焊、電弧焊、釬焊等均可實現鋁/鋼異種金屬焊接，但也存在焊接效率低、生產成本較高、工件形狀尺寸受限、熱輸入不易控制等問題，限制了鋁/鋼焊接在實際生產中的應用。相比于其他焊接方法，激光焊具有控制熱輸入精準、減少鋁/鋼界面金屬化合物的厚度等優勢，也是鋁/鋼異種金屬焊接研究熱點[8]。國內外學者對鋁/鋼激光焊進行大量的研究。王曉江等[9]采用“鋼上鋁下”的搭接形式獲得了成形良好的異種鋼激光焊接接頭，且添加Fe-B-Si中間層的界面金屬間化合物邊界平整，厚度減小，接頭力學性能提高。陳樹海[10]等采用對鋁/不銹鋼激光焊搭接接頭進行研究，試驗中先后添加Ni箔、AlSi5焊絲，研究焊接熱輸入對焊縫顯微組織及力學性能的影響，結果表明在較低激光功率下得到的焊縫鋁/鋼界面金屬化合物厚度較薄，接頭強度更高。OZAKI等[11]采用激光壓焊實現鋁/鋼的焊接，當金屬間化合物厚度為5 μm時，接頭強度最大。由此可知，鋁/鋼異種金屬焊接接頭界面金屬間化合物厚度對力學性能有重要的影響。

激光熔釬焊是一種使鋁熔化，而鋼母材不熔化或少量熔化，依靠液態鋁在鋼母材上良好的鋪展性與鋼母材實現釬焊連接，從而形成熔釬焊接頭的工藝方法，激光熔釬焊成為抑制或減少FeAl脆性金屬間化合物產生最有效的工藝方法。文中采用激光熔釬焊焊實現了鋁/鋼薄板的有效搭接，得到質量良好的熔釬焊接頭，并進一步分析激光功率對鍍鋅鋼/5052鋁合金熔釬焊搭接接頭組織及力學性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及設備

試驗材料為5052鋁合金和鍍鋅鋼板，板材尺寸均為100 mm×100 mm×2 mm，其化學成分分別如表1、表2所示。試驗主要設備為FANUC M-10iA/12型焊接機器人配套IPG公司的YLR-4000光纖激光器，最大輸出功率4 kW，焦距250 mm。

表1 5052鋁合金化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 5052 aluminum alloy（wt.%）

表2 鍍鋅鋼板化學成分（質量分數，%）Table 2 Chemical composition of galvanized steel sheet（wt.%）

1.2 實驗方法

試驗前，用銼刀對5052鋁合金進行表面機械清理，有效清除鋁合金表面氧化膜并提高對激光的吸收率，再用丙酮清洗鋁合金與鍍鋅鋼板表面油污。試驗采用如圖1所示的“鋁上鋼下”的搭接接頭形式。激光束垂直于試板入射，無填充材料，用99.5%Ar對焊縫金屬進行保護，氣體流量15 L/min，光纖激光器離焦量為0 mm，焊接速度5 mm/s。有文獻提出，激光功率較小時，鋁/鋼之間因焊接熱輸入較小而無法實現較好的連接；激光功率過大則會出現試板燒穿現象，經多次試驗，文中選取激光功率為2 400～2 800 W，最終獲得所需的焊縫。

圖1 鋁/鋼搭接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of aluminum/steel lap joint

焊接完成后，采用電火花線切割將試板加工成金相試樣和拉伸試樣。參照GB11363-2008《釬焊接頭強度試驗方法》，采用SHT4505微機控制電液伺服萬能試驗機在室溫（23±5）℃以0.2 mm/s的拉伸速度進行拉伸測試，拉伸試樣如圖2所示。拉伸力大小取3個試樣的平均值，隨后進行斷口分析；金相試樣經取樣、鑲嵌、磨拋至試樣表面光潔、無明顯劃痕后，用keller試劑腐蝕；采用QUANTA FEG-450掃描電子顯微鏡（SEM）對5052鋁合金和鍍鋅鋼板接頭的顯微組織進行觀察。

圖2 拉伸試樣示意Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen

2 試驗結果及分析

2.1 接頭力學性能

在激光束垂直于試板進行焊接，焊接速度為5 mm/s，保護氣體Ar流量為15 L/min，激光離焦量為0 mm，無填充材料的條件下，采用激光功率為2 400 W，2 500 W，2 600 W，2 700 W，2 800 W進行不同激光功率搭接熔釬焊工藝試驗。當激光功率為2 800 W時試板被燒穿，將其他4種激光功率焊接接頭加工成拉伸試樣后進行抗剪強度測試，結果如圖3所示。

圖3 激光功率與抗剪強度關系曲線Fig.3 Relation curve of laser power and shear strength

當激光功率為2 400 W、2 500 W時，焊縫熱輸入較小，表面成形較差，有未焊透、未熔合等缺陷，焊接接頭性能較差；當激光功率為2 600 W時，熱輸入增加，焊縫熔深增大，表面成形較好，焊接缺陷較少，抗剪強度顯著提高；激光功率增大至2 700 W時，因熱輸入較大，焊接過程中易產生飛濺、下塌、氣孔等缺陷，抗剪強度下降[12]。由此可見，隨著激光功率的增大，焊縫抗剪強度先增大后減小，當激光功率為2 600 W時，抗剪強度達到最大值164.4 MPa。圖4為激光功率為2 600 W時的焊縫宏觀形貌，焊縫無表面缺陷、成形較好。

圖4 焊接接頭外觀形貌（P=2 600 W）Fig.4 Appearance of welded joint

2.2 接頭界面顯微組織

激光功率為2 600 W時焊縫接頭界面微觀形貌如圖5所示。由圖5a可知，整個焊縫熔合良好，因焊接時采用“鋁上鋼下”的搭接接頭，鋁側熱輸入多而鋼側較少，同時考慮兩金屬物理性質差異，表現出以焊縫中心線為對稱中心，左右界面形狀具有一定的對稱性，焊縫-鋁、焊縫-鋼兩界面均呈現出參差不齊的鋸齒狀。由圖5b可知，焊縫兩側緊密結合，組織致密，無明顯內部缺陷，且鋼-焊縫界面寬度不大。

圖5 焊縫接頭界面微觀形貌Fig.5 Microstructure of weld joint interface

圖6為圖5接頭結合界面各元素能譜線掃描照片。由圖6可知，整個界面可分為三個區域，即鋼、鋁、焊縫區。整個界面區域Fe、Al、Zn、Mg原子之間發生了擴散，鍍鋅鋼板表面鋅層中的Zn元素大部分停留在焊縫區位置，也有部分Fe、Al原子擴散到內部，該區域主要為Zn的固溶體。

圖6 接頭界面線掃描Fig.6 Energy spectrum line scanning of elements at joint interface

利用能譜分析（EDS）對鋼、鋁、焊縫區三區域各結合界面組織的特征點進行點掃描分析。圖7對組織特征較明顯的4個點進行能譜分析，表3為特征點的能譜分析結果。

圖7 接頭結合界面點掃描Fig.7 Spot scanning at joint interface

表3 結合界面點分析結果Table 3 Analysis results of spots at joint interface

由表3各元素分析可知，點1主要為Zn和少量的Fe、Al、Mg，該組織為Zn的固溶體；點2主要為Al、Fe，且Fe、Al原子數比例約為2∶5，根據Fe-Al二元相圖可知該組織為金屬間化合物Fe2Al5；點3主要為α-Al基體；點4主要為Fe、Al兩元素，且比例接近1∶1，該組織為金屬間化合物FeAl。由文獻[13]可知，抑制Fe-Al金屬化合物的生成或鋁/鋼界面金屬間化合物厚度≤10 μm，均能提高焊縫接頭力學性能。由圖6可知，整個焊縫區域金屬間化合物厚度不足10 μm。

2.3 斷口分析

對2 600 W拉伸試樣斷口進行掃描，如圖8所示，斷口形貌平整，圖8a斷口為典型的解理斷裂形貌，中心區域有少量韌窩，圖8b斷口形貌未找到明顯的韌窩，只有大面積河流狀和臺階狀的撕裂棱。結合拉伸試樣斷裂位置及解理臺階的形貌，綜合分析斷口為脆性斷裂。

圖8 接頭斷口形貌Fig.8 Appearance of fracture of joint

3 結論

（1）在激光束垂直于試板進行焊接，焊接速度為5 mm/s，保護氣體Ar流量為15 L/min，激光離焦量為0 mm，無填充材料的條件下，隨著激光功率的增大，焊縫抗剪強度先增大后減小，當激光功率為2 600 W時，抗剪強度達到最大值164.4 MPa。

（2）鍍鋅鋼/鋁接頭界面處存在Zn的固溶體、α-Al、Fe2Al5、FeAl等組織。激光功率為2 600 W時，整個焊縫區域金屬間化合物厚度不足10 μm，接頭性能較好。

（3）焊接接頭斷口形貌有大面積河流狀和臺階狀的撕裂棱，中心區域有少量的韌窩，為脆性斷裂。