鎂合金/鋼異種材料激光熔釬焊接頭組織及成形調控

戎 易，李海濤，熊震宇，程東海，陳益平，胡德安，王 德，劉釗澤，李文杰

(南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063)

鎂合金與鋼的連接在航空、航天、汽車等領域應用十分廣泛，由于鎂合金密度小，與鋼連接時能實現結構的輕量化設計與節能減排[1]。目前，實現鎂/鋼異種材料的高質量連接存在較多的問題，主要體現在Mg與Fe物化性能差異大、Fe與Mg之間不互溶也不產生金屬間化合物這兩個方面[2]。

目前，為解決鎂合金與鋼之間不互溶也不產生金屬間化合物的問題，學者們通過外加Ni，Cu，Ag，Zn，Sn，Cu-Zn和Zn-xAl中間層或鍍層促進界面化合物的生成[3-10]，焊接后接頭獲得較高力學性能。在激光焊接過程中交變磁場與感應電流作用產生電磁力，交變電磁力，促使熔池產生正反兩個方向的旋轉運動，加劇熔池中的對流運動[11]。Avilov等[12]對2205雙相鋼板進行了激光全熔透對接實驗。在熔池采用一種非接觸式交流感應電磁系統來防止焊根因重力下垂，從而提高焊接質量。劉洪喜等[13]利用交變磁場輔助激光熔覆實驗，研究發現外加磁場后熔池金屬液表面產生趨膚效應和交變電磁力，使熔覆層頂部組織由樹枝晶向等軸晶轉變，緩解了熔覆層裂紋、氣孔等缺陷。Zhang等[14]通過數值模擬研究了鋁合金全熔透激光焊接中交變磁場對熱流體流動和抑制焊根駝峰的機理。研究發現周期性變化的電磁力對熔池施加向上支撐，使熔池流動更加穩定。丁浩等[15]在DC51D+AZ鍍鋅鋼/6061鋁合金激光對接焊接實驗中外加交變磁場。結果表明，磁場的攪拌作用能改善焊縫的形貌，減少焊縫中的氣孔，細化針狀FeAl3相，抑制脆性Fe/Al化合物的生長，接頭的力學性能得到有效提高。由此可見，目前國內外學者對外加交變磁場輔助同種或異種材料激光焊已有一定研究。通過研究發現外加交變磁場輔助激光焊接能改變熔池運動，優化焊縫成形，提高焊接接頭的力學性能。

Ni在凝固時能夠與Mg，Fe元素分別形成金屬間化合物和固溶體，添加Ni中間層可以實現鎂/鋼異種材料的冶金連接。同時，在交變磁場的作用下優化搭接接頭的焊縫成形，從而達到提升接頭力學性能的效果。故本工作運用交變磁場輔助鎂/鋼異種金屬激光熔釬焊搭接實驗，分析不同磁場強度下添加Ni中間層的鎂/鋼接頭的微觀組織、焊縫成形和力學性能，為改善外加交變磁場輔助鎂合金與鋼異種金屬的連接提供相關數據支撐。

1 實驗材料與方法

本實驗的母材為120 mm×60 mm×1 mm的AZ31B鎂合金(Mg-3Al-1Zn-0.2Mn-0.1Si，質量分數/%，下同)和Q235低碳鋼(Fe-0.7Mn-0.3Si-0.2C)。中間層為60 mm×10 mm×0.1 mm的N6鎳片。實驗的主要設備是YLS-6000CUT型光纖激光器。焊接時，試樣的頂部表面用純度99%的氬氣以15 L/min的速度通過16 mm直徑的噴嘴保護。用夾具將AZ31B鎂合金搭接在Q235低碳鋼上，并在兩者之間夾入0.1 mm厚的鎳片進行固定。外加交變磁場鎂/鋼搭接激光焊的結構示意圖如圖1所示。將焊后試樣用線切割機沿垂直于焊縫方向截取，采用XQ-1型熱鑲嵌機制作成鑲嵌塊，對其進行打磨、拋光。經過預實驗后，無中間層鎂/鋼搭接激光焊選定焊接工藝參數為：激光功率P=600～800 W(每50 W為一個遞增單位)，焊接速度v=20 mm·s-1。添加Ni中間層鎂/鋼搭接激光焊選定焊接工藝參數為：P=1100～1350 W(每50 W為一個遞增單位)，v=20 mm·s-1。外加交變磁場激光焊接工藝參數為：P=1250 W，v=20 mm·s-1，選定交流磁場參數為：磁場強度B=0～20 mT(每5 mT為一個遞增單位)，磁場頻率f=35 Hz。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)研究外加縱向交變磁場后的界面金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)層，使用WDW-100型電子萬能拉伸試驗機對接頭進行拉剪實驗研究接頭力學性能，拉伸速率為0.5 mm/min，拉剪試樣尺寸如圖2所示，每組參數拉剪3組試樣，求其平均值，算出對應的接頭拉剪線載荷F。

圖1 外加交變磁場焊接裝置示意圖

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結果與分析

2.1 接頭橫截面與微觀組織分析

對AZ31B鎂合金與Q235鋼直接進行激光熔釬焊搭接實驗。圖3(a)為P=650 W，v=20 mm·s-1時，鎂/鋼激光熔釬焊接頭橫截面形貌。觀察可知，在激光的作用下，由于鎂合金與鋼的熔點差異，上方的鎂合金熔化，下方的鋼板微量熔化。圖中接頭由鎂側焊縫、鎂/鋼界面、鋼母材組成。根據二元合金相圖發現，由于鎂與鐵不固溶也不產生金屬間化合物，激光的攪拌作用將微量熔化的鋼帶入鎂側焊縫中，界面連接依靠鎂合金與鋼的機械結合。

為達到鎂/鋼接頭的冶金結合，在鎂合金與鋼的界面中添加Ni中間層。圖3(b)為P=1250 W，v=20 mm·s-1時添加Ni中間層鎂/鋼熔釬焊接頭橫截面形貌，可知圖中接頭由5部分組成，其中包括鎂側焊縫、Ni中間層、金屬間化合物層、鋼側焊縫、鋼母材。對圖3(b)進行SEM觀察可知，IMC層可分為兩個區域，兩側未熔化的Ni中間層與鎂合金液態金屬反應形成類似釬焊的區域,中間熔化的Ni與鎂合金液態金屬反應和微量熔化的鋼固溶形成類似熔焊的區域。進一步對圖中紅色區域進行SEM觀察與EDS分析，結合圖4(b)與表1中E點的EDS分析結果發現，熔化的鎳片向下與微量熔化的鋼形成Fe-Ni固溶體，Fe-Ni固溶體與鎂側焊縫之間存在類熔焊區IMC層。拉剪實驗后的試樣發現Ni片粘連在鎂合金側，說明拉剪實驗后接頭沿著鋼與鎳片之間的間隙與類熔焊區IMC層斷裂。由于類熔焊區IMC層面積較小，容易導致應力集中，類熔焊區IMC層是接頭的薄弱區域。結合圖4(b)與D點的能譜結果發現類熔焊區IMC層由樹枝狀聚集的AlNi相組成。通過上述觀察與分析可知，加入Ni中間層后界面存在IMC層，接頭達到冶金連接。由于接頭為搭接形式，Fe-Ni固溶體在鋼側熔池底部凝固，在接頭的斷裂過程中，接頭在Fe-Ni固溶體上方斷裂，導致有效熔深的下降，界面實際的連接長度下降，導致接頭連接強度有待近一步提高。

表1 鎂/鋼接頭不同位置EDS分析

圖4 較大放大倍數下IMC層類熔焊區SEM照片

為解決添加Ni中間層后由于固溶體在熔池底部堆積導致界面實際連接長度下降，利用交變磁場輔助激光焊接。觀察圖3(c)～(e)可知，當磁場強度B=5 mT時，少量塊狀Fe-Ni固溶體被攪拌到鎂側焊縫內部，凝固后Fe-Ni固溶體在熔池底部分布相對較少，厚度減小。當B=10 mT時，Fe-Ni固溶體厚度進一步減小且延伸進鎂側焊縫中，溝壑狀的Fe-Ni固溶體增加了界面的結合面積。當B=20 mT時，大塊Fe-Ni固溶體堆積在熔池中。

圖4(c)～(e)分別為當P=1250 W，v=20 mm·s-1，f=35 Hz時，交變磁場強度B=5，10，20 mT下接頭焊縫橫截面的SEM圖片。其中方框內為相似位置的類熔焊區IMC層區域，觀察圖4并結合EDS結果發現，當外加B=5 mT的交變磁場時，類熔焊區IMC層由樹枝狀聚集AlNi相與部分連續的納米級AlNi層組成。當B=10 mT時，類熔焊區IMC層樹枝狀AlNi相消失，形成連續的納米級AlNi層。當B=20 mT時，類熔焊區IMC層微觀組織情況與無磁場類似，類熔焊區IMC層樹枝狀聚集AlNi相重新出現。外加交變磁場后，接頭類熔焊區IMC層均有AlNi相組成，界面化合物形貌存在差異。在類熔焊區界面處一部分Ni元素與Fe元素形成混合液態Fe和Ni，當Fe-Ni溫度降至凝固點附近時，形成Fe-Ni固溶體，由于AlNi化合物的熔點明顯高于Fe-Ni固溶體的熔點[16]，因此，在Fe-Ni固溶體凝固前，部分Ni原子與鎂合金溶池中Al發生反應，優先形成AlNi化合物。無磁場作用下，類熔焊區生成樹枝狀的聚集AlNi相。在交變磁場的作用下，Ni原子擴散范圍更廣，導致未生成樹枝狀的聚集AlNi，類熔焊區形成一層連續的納米級AlNi層。在不同磁場強度的交變磁場輔下接頭類熔焊區IMC層由聚集樹枝狀或連續納米級層狀AlNi相組成，接頭實現冶金結合。

2.2 接頭焊縫成形與力學性能分析

為進一步研究接頭焊縫成形與力學性能的關系，對試樣進行拉伸實驗。圖5(a)為拉剪實驗斷裂后的試樣，觀察發現接頭斷裂后Ni中間層粘連在鎂合金側，接頭實際的斷裂位置在類熔焊區IMC層處，斷裂路徑詳見圖5(b)黑色虛線處。引用界面實際連接長度L分析接頭焊縫成形，測量方法如圖5(b)紅色虛線處，L通過CAD軟件對接頭三處微觀橫截面進行測量求平均值得出。同時，接頭在拉伸后基本無變形，將接頭拉剪后的線載荷定義為拉剪線載荷。

圖5 接頭斷裂位置宏觀形貌與放大示意圖

圖6為不同磁場強度下鎂/鋼接頭界面實際連接長度與拉剪線載荷。由圖可知，外加交變磁場后接頭的拉剪線載荷均大于未外加磁場的拉剪線載荷。這主要是由于外加交變磁場后，在交變間歇的磁場電磁力作用下熔池中的液態金屬被正反向攪拌，導致熔池中元素擴散發生變化，影響Fe-Ni固溶體在熔池底部分布，從而影響界面實際連接長度。其次，由于外加交變磁場后鎂合金汽化的金屬蒸氣電離產生的光致等離子體受到磁場產生的洛倫茲力的作用，因而會偏離熔池上方，金屬蒸氣與等離子體的屏蔽效應下降，這會促進金屬板材對激光能量的吸收增加且作用面積集中，使得激光熔釬接頭窄而深，增加界面實際連接長度，焊縫成形良好，導致外加交變磁場后接頭的拉剪線載荷均大于未外加磁場的拉剪線載荷。

圖6 不同磁場強度下鎂/鋼接頭界面實際連接長度與拉剪線載荷

隨著磁場強度的增加，接頭的界面實際連接長度和拉剪線載荷呈現先增加后減小的趨勢。接頭的界面實際連接長度是影響接頭拉剪線載荷的主要因素。在激光焊接過程中外加交變間歇磁場進行焊接，當磁場強度B=5 mT時，首先由于磁場強度相對較小，熔池中受到的電磁力較小，少量塊狀Fe-Ni固溶體被攪拌到鎂側焊縫內部，導致凝固后Fe-Ni固溶體在熔池底部分布相對較少。同時，母材上方的小部分光致等離子體偏離熔池上方，金屬蒸氣與等離子體的屏蔽效應下降，這導致鎂側熔池加深，界面實際連接長度增加。所以，與無磁場相比拉剪強度提升，但提升效果相對不明顯。隨著磁場強度繼續增至20 mT，這時由于磁場強度過大，雖然等離子體的屏蔽效應下降，但是熔池的攪拌作用過強使得大塊Fe-Ni固溶體堆積在熔池中，在斷裂時，堆積的Fe-Ni固溶體導致應力集中發生斷裂，界面實際連接長度大大減小，接頭拉剪強度減小。隨著磁場強度的增加，接頭的界面實際連接長度和拉剪線載荷的趨勢相同，接頭的界面實際連接長度是影響接頭拉剪線載荷的主要因素。

當P=1250 W，v=20 mm·s-1，B=10 mT，f=35 Hz時，F達到最大值163 N/mm。添加Ni中間層協調鎂合金與鋼的冶金連接，當外加B=10 mT的縱向交變磁場時，在磁場的作用下，等離子體的屏蔽效應下降。同時，觀察上圖3(d)可知，熔池中液態金屬對流使得Fe-Ni固溶體延伸進鎂側焊縫中，這些溝壑狀的Fe-Ni固溶體增加了界面的結合面積，產生了機械咬合的作用，使得界面實際連接長度達到最大值1885 μm，接頭力學性能提高。

綜上所述，通過添加Ni中間層協調鎂合金與鋼的冶金連接，施加不同磁場強度的縱向交變磁場，增加金屬板材對激光能量的吸收，特別是通過調控Fe-Ni固溶體的形貌，增加界面實際連接長度，使得接頭焊縫成形優化，接頭力學性能提高。

3 結論

(1)添加Ni中間層鎂/鋼熔釬焊接頭由鎂側焊縫、Ni中間層、金屬間化合物(IMC)層、鋼側焊縫、鋼母材組成。交變磁場輔助的接頭類熔焊區IMC層由樹枝狀或連續納米級層狀AlNi相組成，接頭實現冶金連接。

(2)外加交變磁場后Fe-Ni固溶體厚度減小且延伸進鎂側焊縫中，溝壑狀的Fe-Ni固溶體增加了界面的結合面積。通過測量發現接頭實際界面連接長度與拉剪線載荷有很大的聯系，激光熔釬焊接頭實際界面連接長度與拉剪線載荷隨著磁場強度的增加呈現先增大后減小的趨勢。

(3)當P=1250 W，v=20 mm·s-1，B=10 mT，f=35 Hz時，添加Ni中間層協調鎂合金與鋼的冶金連接，外加縱向交變磁場優化接頭焊縫成形，接頭拉剪線載荷最高，達到163 N/mm。