鋁合金/鋼異種金屬激光熔釬焊技術研究進展

董 顯，董博文，程亞芳，郭艷紅，李 永

鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

0 前言

鋼鐵材料和鋁合金材料具有強度高、成形性能優異等特點，是目前工業應用最為廣泛的兩種金屬材料[1]。但無論是鋼鐵材料還是鋁合金材料，單一金屬材料在物理、化學和力學性能等方面總是存在一定的局限性[2-4]。而鋁鋼異種金屬連接可以發揮各自的優良性能，滿足交通工具行業輕量化、高性能化和低成本化發展趨勢要求。但鋁與鋼兩種金屬之間的固溶度較低，晶體結構、熱物理及力學性能差異大[5]，熔化焊過程中極易在接頭內生成大量硬脆的Fe-Al 金屬間化合物[6]，嚴重惡化接頭的力學性能。為了抑制焊接過程中Fe-Al金屬間化合物的生成，學者們開發了焊接溫度較低的釬焊工藝，但大量應用研究表明，盡管釬焊方法能夠得到優質的鋁合金與鍍鋅鋼焊接接頭，但容易受焊件結構形狀尺寸的限制，并且傳統釬焊存在效率低、柔性差、能源浪費嚴重的問題，因而在大批量實際生產應用中受到一定限制[7]。

為了充分發揮熔化焊和釬焊各自優勢，國內外學者開發出了鋁合金與鋼熔釬焊技術，其是基于二者熔點的差異，通過精確控制焊接熱輸入，在確保高熔點鋼母材不熔化的前提下，使低熔點鋁合金母材熔化并與熔化的填充金屬形成熔焊接頭，液態鋁合金母材與填充金屬在未熔化的鋼表面鋪展并與之形成釬焊接頭，實現鋁合金與鋼的優質高強冶金連接。常用的熔釬焊熱源有電弧、激光及電子束等，激光熱源具有加熱能量密度高、熱影響區小、加熱和冷卻速率快、自動化程度高等特點[8-11]，相較而言更易控制Fe-Al金屬間化合物的生成，是鋁/鋼異種金屬熔釬焊的理想熱源。

近年來，國內外研究人員基于激光熱源進行鋁合金與鋼熔釬焊接工藝的開發，取得了很好的研究成果，概括如下[12]：（1）鋁合金與鋼激光熔釬焊過程中的界面潤濕鋪展，主要集中于研究金屬鍍層、釬劑及母材熱場調控對界面潤濕鋪展的影響；（2）鋁合金與鋼激光熔釬焊過程中的界面微觀調控，主要通過界面熱場、輔助能場、坡口面角度和多組元合金元素進行調控；（3）鋁合金與鋼激光熔釬焊接頭性能評價，主要集中在結合強度、變形能力以及耐腐蝕性能等方面。本文從以上三個方面對國內外鋁合金與鋼熔釬焊技術的研究進展進行了歸納分析，并對以后的研究方向進行了展望，以期為鋁合金與鋼熔釬焊相關領域的技術研究和應用發展提供有參考意義的理論依據。

1 鋁合金/鋼激光熔釬焊過程中的界面潤濕鋪展

1.1 金屬鍍層

金屬鍍層是釬焊技術中常用的表面處理方法，其對釬焊過程中釬料的潤濕性能有重要影響。黃健康等[13]采用激光熔釬焊方法進行5A06鋁合金與鍍鋁鋼、鍍鋁鋅鋼、鍍鋅鋼、鍍鎳鋼的激光熔釬焊焊接，其中5A06鋁合金在鍍鋁鋼上的鋪展效果最佳，鋁合金與鍍鋁鋅鋼熔釬焊的接頭抗拉性能最好，達到母材鋁合金的70%。Gatzen M 等[14]研究了鍍鋅鋼中鋅層的存在對釬料潤濕的作用，如圖1所示，有鍍鋅層鋼板與無鍍鋅層鋼板的潤濕效果存在顯著差異，鍍鋅層處的潤濕角為14°，無鍍鋅層的潤濕角為37°。分析認為鍍鋅鋼表面的鍍鋅層可大大提高激光吸收率，并且鋅蒸發后存在于母材及釬料中，界面的傳質促進了釬料在鋼表面的潤濕鋪展。Peyre P等[15]發現雖然Zn鍍層對于釬料潤濕鋪展有一定的促進作用，但激光的不均勻加熱和冷卻過程使Zn來不及完全蒸發從而導致應力集中現象，釬縫處孔洞和裂紋也不斷出現。

圖1 橫截面宏觀圖[14]Fig.1 Macroscopic cross-sectional view[14]

1.2 釬劑輔助

釬劑在釬焊過程中可以降低界面張力，提高釬料的潤濕能力。林尚揚等[16]發明了一種用于大光斑激光-電弧復合熱源連接異種金屬的釬劑，以KAlF4、CsAlF4為主要載體，以活性金屬Zn、Sn 為主要添加金屬，適當加入Sb 以提高焊縫金屬的強度，適當加入稀有金屬La 改善連接的工藝性，加入K2SiF6改善焊縫金屬的鋪展性，釬劑配合復合熱源能解決普通非鍍層（鋅、錫等）碳鋼或普通非鍍層（鋅、錫等）低合金鋼與有色金屬的優質、高效連接。喻高揚等[17]提出一種氣載釬劑輔助鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊的新方法，采用不銹鋼與5052鋁合金作為母材，分別進行激光填絲與無絲搭接熔釬焊試驗，填絲搭接熔釬焊得到的接頭潤濕角最小值為37°，無絲搭接熔釬焊得到的接頭潤濕角最小值為18.8°。張廣棟等[18]以車用08Al 鋼和鋁合金為試驗對象，研究了添加釬劑對接頭整體成形性能的影響，發現釬劑的添加改善了接頭成形缺陷，提高了焊趾區的潤濕性，如圖2 所示。樊丁等[19]進行了5A06 鋁合金和熱鍍鋅ST04Z 鋼的預置粉末對接熔釬焊工藝試驗，研究了背面填涂釬劑對熔釬焊接頭鋪展寬度的影響，發現背面填涂釬劑可使焊縫潤濕角更小，增大鋪展寬度。

圖2 釬劑在鋁鋼熔釬焊過程的作用[18]Fig.2 Role of brazing agent in aluminum steel brazing process[18]

1.3 溫度場調控

母材表面熱場調控也可以提高釬料在鋼母材上的潤濕性。雷振等[20]采用大光斑激光熔-釬焊技術實現了5A02 鋁合金與鍍鋅鋼板的優化連接試驗，通過適當提高熱輸入和調節光絲間距可改善熔化的母材和填充材料在鋼板表面的潤濕性，抑制局部“未釬合”缺陷，焊縫成形良好。Holger Laukant等[21]采用雙光斑激光束方法焊接鍍鋅鋼板與鋁合金，發現第二激光束對鍍鋅鋼板的預熱作用能夠提高焊接表面潤濕性能，形成規則焊縫，在拉伸試驗中，潤濕寬度大于3.5 mm時，接頭強度與母材相近。樊丁等[22]采用電弧輔助激光熱源改變了焊接過程的溫度場分布，從而促進液態鋁向鋼側的鋪展，所得對接接頭最大抗拉強度可達163 MPa，約為5A06鋁合金母材抗拉強度的74%，是激光焊接接頭強度的1.3倍。

2 鋁合金/鋼激光熔釬焊過程中的界面微觀調控

2.1 界面熱場

界面熱場調控對Fe-Al脆性金屬間化合物的形成有重要影響。雷振等[23]研究了激光電弧復合熱源焊接熱輸入對接頭中Al-Fe金屬間化合物層厚度的影響，發現生成的Al-Fe 金屬間化合物層主要由Fe3Al，FeAl2，Fe2Al5以及FeAl3組成，并且Al-Fe金屬間化合物的生成過程伴隨著Si 元素的富集現象；Al-Fe金屬間化合物層厚度隨焊接熱輸入的增大而增大，但電弧能量對化合物層厚度的影響大于激光能量對化合物層厚度的影響。R. Borrisutthe等[24]通過改變鋁/鋼異種材料激光熔釬焊時的基板來調節界面處IMC 的分布，比較了采用不同導熱系數的Ti、S45C和Cu材料作為底板時界面處IMC的厚度，發現當采用散熱系數較大的Cu底板時，能夠有效地降低界面處IMC 的厚度，從而提高接頭的力學性能，如圖3所示。Wang等[25]通過實驗和數值模擬研究了鍍鋅鋼與6061鋁合金異種接頭微觀組織，發現延長峰值溫度和高溫停留時間（大于660 ℃）會促進Fe 元素和Al 元素反應從而增加鋁-鋼界面處IMC厚度，產生一些新脆性相，從而誘發微裂紋。

圖3 不同散熱底板Al/Fe界面IMC厚度[24]Fig.3 Different heat sink substrates Al/Fe interface IMC thickness[24]

2.2 輔助能場

釬焊中施加輔助能場可以改善異種金屬材料界面金屬間化合物的結構形態，促進填充金屬對母材的潤濕。張佳琪等[26]研究了超聲波功率的變化對鋼/鋁熔釬焊接頭的焊縫組織和界面IMCs 的影響，隨著施加的超聲功率的增加，超聲對熔池的攪拌作用增強，焊縫晶粒明顯細化。超聲作用下熔池的最高溫度降低，溫度梯度減小，使得焊接接頭界面處的IMCs 厚度減小，并且FeAl3相的含量降低；當超聲功率增加到200～210 W 時，IMCs 中僅含Al8Fe2Si 相。當功率為130～140 W 時，接頭抗拉強度可達172 MPa，較未施超聲時增加了12%，如圖4所示。張洋等[27]研究了超聲振動對接頭界面結構、焊縫金屬的晶粒尺寸及力學性能的影響。不施加超聲振動時，在焊縫與鋼的界面熱源中心處形成三層總厚度范圍為8.3～12.3 μm的金屬間化合物，遠離熱源中心處金屬間化合物厚度范圍為1.5～2.6 μm，接頭強度較低且斷裂位于焊縫與鋼的界面處；施加700 W超聲振動后，填充金屬對鋼的潤濕能力增加，焊縫晶粒尺寸由32 μm 降至19 μm，界面處金屬間化合物為0.5～1.0 μm 的θ 相連續薄層，接頭強度是不施加超聲振動時強度的1.6倍。Hu等[28]研究了不同磁場頻率下焊接接頭的界面微觀組織、元素分布和力學性能，與缺乏磁場的激光焊接接頭相比，交變磁場下焊接接頭的拉伸力和伸長率可分別增加126%和144%，接頭性能的顯著改善歸因于Fe2（Al，Zn）5相的沉淀和界面形狀的轉變。

圖4 不同超聲功率下鋼/鋁界面處IMCs的微觀形貌和EDS線掃描分析結果[26]Fig.4 Microstructure and EDS line scan analysis results of IMCs at steel/aluminum interface under different ultrasonic power[26]

2.3 坡口角度

坡口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。楊揚等[29]采用ER4043 焊絲對6061-T6 鋁合金板和AISI 1045鍍鋅鋼板進行激光熔釬焊，鋼板坡口下部區域的金屬間化合物層厚度均較大，并且鋼板坡口角度為30°時接頭中的金屬間化合物層厚度大于60°時的；鋼板坡口角度為30°、60°時，接頭的平均抗拉強度分別為120.3 MPa、151.7 MPa，拉伸斷裂均發生在鋼/焊縫界面處，均為解理斷裂。高偉等[30]采用光纖激光和鋁硅焊絲對2.5 mm厚6013鋁合金和鍍鋅低碳鋼的異種金屬對接接頭進行了激光填絲熔釬焊。研究結果表明，鋼/焊縫界面處主要生成了FeAl2和FeAl3金屬間化合物，隨著熱輸入量的增加，金屬間化合物的厚度隨之增加，焊縫中的組織則為α-Al 基體晶界上均勻分布著條狀Al-Si 共晶組織。在鋼板采用30°坡口時可以獲得的最大抗拉強度為88 MPa，采用45°坡口時強度可以達到135 MPa。

2.4 合金元素

釬縫成分調控也對Fe-Al脆性金屬間化合物的形成有重要影響。于曉全等[31]采用電弧輔助激光熔釬焊方法實現了鋁合金與鍍鋅鋼的對接焊，并在焊接過程中通過填充Al-Mg、Al-Cu 及Al-Si 焊絲對接頭的焊縫及界面進行微觀組織調控。研究發現，填充Al-Mg、Al-Cu焊絲的接頭在界面處生成了Fe2Al5和Fe4Al13兩種金屬間化合物，而填充Al-Si焊絲的界面處生成了Al8Fe2Si和Fe4Al13；填充Al-Si焊絲的接頭可獲得最大抗拉強度176 MPa，高于填充Al-Mg、Al-Cu焊絲的，這是因為Si元素的添加生成的Al-Fe-Si新相可降低不同相的界面能，從而提高接頭強度。李妍等[32]預涂分別富含硅、鎂、錳、硼、鋅元素的五種合金粉后，對不等厚5A06 鋁合金板和ST04Z鍍鋅鋼板進行了激光熔釬對接焊，均在焊縫處發生了以韌性斷裂為主、脆性斷裂為輔的混合斷裂，預涂富含硅的合金粉得到的接頭抗拉強度最大，可達130 MPa，為5A06 鋁合金的60%；鎂、鋅元素合金粉的添加能夠抑制針狀金屬間化合物的生成，而添加富含硼元素的合金粉會增大金屬間化合物層的厚度。Xia 等[33]在激光熔釬焊鋁-鋼對接接頭時，采用合金元素Si 對界面反應進行調控，并在此基礎上采用Miedema 和Toop 模型對界面元素的擴散熱力學進行計算，發現Si在界面IMC處具有更小的化學勢，使得Si 元素更容易向界面擴散和集聚，這些在界面集聚的Si 元素會降低界面Fe 和Al元素的反應速率，減小界面IMC 厚度，甚至改變IMC 的物相，從而提高接頭強度。Chen 等[34]采用單/雙光束激光在具有銅夾層的鋼對鋁重疊配置中對Q235 低碳鋼和5052 鋁合金進行異種金屬焊接，銅中間層與鋁基體之間出現接觸反應區，從而擴大了有效連接區。雙光束激光增強了焊縫的拉伸性能，銅箔中間層的加入可以改善界面反應區的冶金反應，提高焊縫的承載能力。Wen等[35]為改善鋼/鋁異種金屬對接釬焊的界面不均勻溫度分布和焊縫外觀，通過在鋼表面制備鎳/鋅雙金屬涂層，在一定程度上阻礙了液態鋁與固態鋼的界面反應，其界面反應機理如圖5所示，金屬間化合物（IMCs）的厚度顯著減小，界面反應層由靠近鋼側的Fe2Al5和靠近鋁側的Fe4Al13組成，鍍鎳鋼/鋁接頭最大抗拉強度達到112.6 MPa，比裸鋼/鋁焊接頭提高了35%。

圖5 界面反應機理示意[35]Fig.5 Schematic diagram of interface reaction mechanism[35]

3 鋁合金/鋼激光熔釬焊接頭性能評價

鋼鋁異種金屬激光熔釬焊接頭的性能評價也是眾多學者關注的研究焦點。夏鴻博[36]利用SEM原位拉伸方法研究了鋁-鋼激光熔釬焊界面IMC結構與界面結合強度的關系，發現當界面結合的IMC為2～3 μm 的單一τ5-Fe1.8Al7.2Si 相（見圖6）時，界面具有最高的平均抗拉強度（198 MPa）和最大的平均斷裂位移（701 μm），見圖7。Huang 等[37]采用激光焊接釬焊技術連接5A06 鋁合金與ST04Z 鍍鋅鋼，研究了添加純粉末（Si、Mg、Mn 或Zn）對焊接接頭材料性能的影響，焊接接頭的微觀組織、拉伸行為和腐蝕行為取決于焊接用粉末，使用鋅粉的IMC層厚度最小，使用純鎂元素粉末的焊接接頭具有最大的耐腐蝕性。Narsimhachary等[38]研究了鋁-鋼釬焊接頭在不同含氯化鈉電解質中的腐蝕性能。釬焊接頭在浸沒在腐蝕介質中時發生電偶腐蝕，與富鋁相相比，鍍鋅鋼極易腐蝕；與高輸入熱量的接頭相比，低輸入熱量的釬焊試樣具有更好的耐腐蝕性。

圖6 界面τ5-Fe1.8Al7.2Si相形貌[36]Fig.6 τ5-Fe1.8Al7.2Si phase at interface morphology[36]

圖7 界面原位拉伸結果[36]Fig.7 Interface in situ tensile results[36]

4 結語與展望

在“雙碳”目標的推進下，交通工具節能減排帶來的輕量化需求使鋁合金與鋼復合連接結構越來越多，其對接頭的性能要求也越來越高。鋁合金/鋼激光熔釬焊技術可滿足交通工具高效、低排放的要求，是一種具有廣闊應用前景的焊接方法。國內外學者對鋁合金/鋼激光熔釬焊做了大量的研究工作，取得了很多創造性技術成果，但仍然不能滿足優質、高效、高可靠的批量制造應用要求，還有很多問題亟待探索和研究。

（1）鋼母材表面釬料潤濕鋪展的精準可控：開展鍍層、釬劑、熱場、多組分釬料等條件下的潤濕動力學計算，闡明潤濕機制。

（2）鋁合金/鋼激光熔釬焊界面反應的精確可調：開展多能場輔助、多組元合金元素復合調控的固/界面反應的熱力學計算模型及界面化合物生長動力學模型研究。

（3）鋁合金/鋼激光熔釬焊接頭的高強韌設計：建立鋁合金/鋼熔釬焊接頭高強韌設計標準，精確調控界面化合物層尺寸、分布等。

（4）鋁合金/鋼熔釬焊接頭性能的可靠性評價：開展鋁合金/鋼激光熔釬焊接頭靜載、動載及腐蝕性能的研究，闡明面向服役環境的接頭失效機制。