鋁/鍍鋅鋼薄板異種金屬CMT熔釬焊接頭組織與力學(xué)性能

余 剛 曹 睿 陳劍虹

蘭州理工大學(xué)有色金屬新材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州，730050

0 引言

為了減少污染、節(jié)約能源，汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)廣泛采用輕量化的鋁合金［1］。鋁合金和鍍鋅鋼板的熱物理性能存在巨大的差異，采用常規(guī)的熔化焊焊接時(shí)，焊接性較差，易萌生裂紋，焊接接頭組織不均勻，存在較大的殘余應(yīng)力，且焊縫中易生成大量硬而脆的Al－Fe金屬間化合物［2］，嚴(yán)重影響了接頭的力學(xué)性能和使用性能。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼薄板的連接進(jìn)行了探索性的研究，其方法主要是熔釬焊連接。焊接過(guò)程中，低熔點(diǎn)的鋁合金薄板熔化，同時(shí)鍍鋅鋼板保持固態(tài)，通過(guò)熔融狀態(tài)的鋁合金在鍍鋅鋼板表面潤(rùn)濕鋪展形成搭接接頭，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接。

冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer，CMT)技術(shù)作為一種新型的異種金屬焊接方法，具有焊接質(zhì)量好、焊接熱輸入低、無(wú)飛濺起弧、焊接變形小、無(wú)焊后清理工作等優(yōu)點(diǎn)，良好的搭橋能力使得焊接過(guò)程操作容易，其特殊的熔滴過(guò)渡形式使得其在異種金屬焊接中體現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)［3］。筆者采用CMT焊接方法對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究鋁合金和鍍鋅鋼板的熔釬焊工藝、焊接頭組織特征、焊接缺陷及力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為變形鋁合金6061和冷軋熱鍍鋅鋼板HDG60，其物理性能如表1所示。焊接試板變形鋁合金和鍍鋅鋼板的尺寸均為200mm×100mm×1mm，焊接時(shí)選用的焊絲為直徑1.2mm的ER4043(AlSi5)。

表1 鋁合金、鍍鋅鋼板的物理性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)中對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼板進(jìn)行搭接焊所采用的試驗(yàn)設(shè)備為Fronius公司生產(chǎn)的 TPS3200系列數(shù)字化CMT焊機(jī)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

焊前，先用砂紙和鋼絲刷將鋁合金試件表面的氧化膜去除，再用丙酮去除鋁合金和鍍鋅鋼板上的水漬和油污，最后對(duì)清洗后的鋁合金進(jìn)行堿洗和酸洗。將表面處理干凈的試板組合成搭接接頭(鋁合金板在上，鍍鋅鋼板在下)。焊槍施焊方式為“前推”(前進(jìn)方向與傾角相反)方式，夾角為135°，焊接形式如圖1所示。焊接過(guò)程中，焊接電流為 45A，電弧電壓為 10V，送絲速度為 3.0 m/min，焊接速度為5.14mm/min，焊接起始電流為55A，收弧電流為40A，采用氬氣保護(hù)，氬氣流量為20L/min。

圖1 焊接示意圖

焊后切取鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊接頭橫截面，用不同腐蝕劑分別對(duì)鍍鋅鋼的一側(cè)和鋁合金焊縫一側(cè)進(jìn)行腐蝕。采用OLYMPUS GX51金相顯微鏡、JSF－6700F型掃描電鏡(SEM)及能譜分析(EDAX)對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊接頭的顯微組織進(jìn)行觀察和分析。

同時(shí)為了檢測(cè)鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬熔釬焊接頭的力學(xué)性能，室溫(20℃)環(huán)境下，在WDW－100D的微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，測(cè)量接頭的抗拉強(qiáng)度。焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)按照GBT2651－2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，焊件接頭上沿垂直焊縫方向切取拉伸試樣，保證焊縫處于試樣中部。拉伸速度為1mm/min，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫成形與接頭形貌

通過(guò)焊接參數(shù)的優(yōu)化，得到了成形美觀的焊縫。焊接試樣的焊縫表面成形如圖3所示，接頭的正面成形美觀，接頭表面形成連續(xù)均勻、無(wú)飛濺、窄而低的魚(yú)鱗狀焊縫，從焊接接頭的背面可以看到鍍鋅鋼板顏色略有變化，這表明其鍍鋅層燒損較少，有利于保持鍍鋅鋼板的抗腐蝕性。

采用金相顯微鏡和SEM對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊接頭橫截面進(jìn)行觀察，如圖4所示(由于顯微鏡鏡頭所限，圖4由3張照片拼接而成)。試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭形貌為典型的搭接接頭。據(jù)熔釬焊接方法的特點(diǎn)，由于6061鋁合金的熔點(diǎn)僅為610℃，而鍍鋅鋼板的熔點(diǎn)為1535℃，所以在電弧的作用下只有上層金屬(鋁合金)熔化，而下層金屬(鍍鋅鋼板)沒(méi)有熔化或只有微熔。接頭由釬焊接頭和熔焊接頭組成。釬焊接頭是實(shí)現(xiàn)鋁鋼釬焊連接的主要部分，主要由中心界面區(qū)、過(guò)渡界面區(qū)、富鋅區(qū)，以及與焊縫形成釬焊連接的鍍鋅鋼母材組成。熔焊接頭由焊縫(熔化區(qū))、焊接熱影響區(qū)及6061鋁合金母材組成。

圖3 焊縫的宏觀成形

圖4 接頭橫截面宏觀形貌

2.2 界面區(qū)顯微組織特征

在CMT熔釬焊過(guò)程中，由于Al－Si釬料的熔點(diǎn)較低(為577℃)，釬料在電弧溫度下將迅速達(dá)到熔點(diǎn)。當(dāng)溫度高于鋁合金的熔點(diǎn)時(shí)，固態(tài)鍍鋅鋼板和液態(tài)鋁合金相互作用。鐵與鋁形成金屬間化合物的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體鋁合金向鍍鋅鋼板表面擴(kuò)散的速度及金屬間化合物的溶解速度，所以鋁鐵擴(kuò)散過(guò)程以反應(yīng)擴(kuò)散為主［4］。根據(jù) Fe－Al二元合金相圖，鐵鋁相互作用可形成α－Fe、α － Al固溶體及 Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3及FeAl6等一系列金屬間化合物，其中，F(xiàn)e3Al基合金和FeAl基合金有著優(yōu)異的抗氧化、抗硫化性能以及較高的比強(qiáng)度和中溫強(qiáng)度［5］。由于鐵鋁金屬間化合物的生長(zhǎng)系數(shù)的不同，在電弧釬焊的作用下，并不是所有的金屬間化合物均能形成和長(zhǎng)大。

2.2.1 中心界面區(qū)組織

對(duì)焊后接頭的中心界面區(qū)反應(yīng)層進(jìn)行組織觀察和能譜分析，對(duì)結(jié)合面不同部位進(jìn)行線(xiàn)掃描和點(diǎn)分析，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊后接頭界面形成了一種亮灰色的致密新相，其平均厚度為3～5μm，形貌與母材大不相同。新相厚度小于文獻(xiàn)所講的臨界厚10μm［6］。且該新相沿著熔化區(qū)呈針狀生長(zhǎng)?？拷磻?yīng)層的鍍鋅鋼板一側(cè)，晶粒得到了一定的細(xì)化，這是由焊接熱輸入量不是很大造成的。從圖5可以觀察到Fe、Al元素從鍍鋅鋼板→釬接界面區(qū)→熔焊焊縫金屬有一個(gè)明顯的漸變過(guò)程，分別呈下降和上升的趨勢(shì)，而其他元素基本保持不變。這是Fe、Al元素向?qū)Ψ交w母材擴(kuò)散的結(jié)果，其中，Al元素向鍍鋅鋼板一側(cè)擴(kuò)散更為明顯。在根據(jù)Fe－Al二元合金相圖和表2可知，鍍鋅鋼板母材Mn含量較高;靠近鍍鋅鋼板一側(cè)生成的鋁鐵金屬間化合物為Fe3Al;近熔化區(qū)一側(cè)生成的金屬間化合物為FeAl3;中間區(qū)的金屬間化合物為Fe2Al5;熔化區(qū)下部靠近釬焊結(jié)合面的亮白色的為固溶體;焊縫熔化區(qū)主要為α－Al在熔池金屬凝固過(guò)程中，達(dá)到共晶溫度時(shí)，熔池金屬發(fā)生共晶反應(yīng)并在枝晶邊界生成細(xì)密的(α－Al+Si)共晶，新生成的(α－Al+Si)共晶體附著在熔化區(qū)的鋁基體上。另外，通過(guò)能譜發(fā)現(xiàn)，界面區(qū)沒(méi)有Zn元素，這是由于電弧的溫度較高，而Zn的揮發(fā)溫度僅有906℃，所以在接頭形成過(guò)程中鍍鋅鋼板上的Zn主要起穩(wěn)定電弧、潤(rùn)濕鋪展、引領(lǐng)焊縫成形的作用，最后大量的鋅形成富鋅區(qū)，使得結(jié)合界面區(qū)基本上不含Zn元素。整體而言，由圖5和表2可知，沿著鍍鋅鋼板→釬焊結(jié)合面→焊縫熔化區(qū)這條路徑上，相分布變化趨勢(shì)為α － Fe 固溶體、Fe3Al、FeAl3、Fe2Al5金屬間化合物、α －Al+Si共晶。

圖5 中心界面區(qū)組織和元素線(xiàn)掃描

表2 中心界面區(qū)組織成分分析(原子百分比)%

2.2.2 過(guò)渡界面區(qū)組織

從圖6可以觀察到，焊接接頭過(guò)渡界面的反應(yīng)層為2～3μm的致密生成相，這是因?yàn)檫@一區(qū)域電弧的加熱溫度有所降低，從而使得過(guò)渡界面區(qū)反應(yīng)層的平均厚度小于中心界面區(qū)的平均厚度。通過(guò)能譜發(fā)現(xiàn)，如表3所示，靠近鋼一側(cè)的亮灰色的化合物層為FeAl2，中間層灰色的化合物為FeAl3，靠近熔化區(qū)的化合物為富鋁的化合物。

圖6 過(guò)渡界面區(qū)的組織特征

表3 過(guò)渡界面區(qū)組織成分分析(原子百分比)%

2.2.3 富鋅區(qū)組織

焊接過(guò)程中，由于電弧邊緣溫度較低，焊縫中只發(fā)生熔化沒(méi)有揮發(fā)的鋅以及鍍鋅鋼板上的鋅被保留下來(lái)。保留下來(lái)的鋅引導(dǎo)熔融的焊絲和部分熔化的鋁合金母材在鍍鋅板表面鋪展，在熔化的鋁合金的推動(dòng)下，在接頭的一側(cè)富集形成富鋅區(qū)，如圖7所示。富鋅區(qū)是由亮灰色樹(shù)枝狀晶體和枝晶間的黑色物質(zhì)組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于鋅原子的半徑比鋁原子的半徑小，故在一定程度上阻止了鐵鋁間相互作用，并且由于電弧邊緣溫度較低，在富鋅區(qū)與鋼之間幾乎沒(méi)有反應(yīng)層，如圖7所示。鐵鋁間不能生成致密的化合物層，而是生成了絮狀的結(jié)構(gòu)，根據(jù)能譜分析結(jié)果(表4)，該絮狀結(jié)構(gòu)為Fe－Al－Zn三元化合物相;由鋁鋅二元合金相圖可知，亮白色的為鋁鋅α固溶體，圖7b中亮白色規(guī)則的幾何形狀相為Al－Si固溶體。

圖7 富鋅區(qū)的組織特征

表4 富鋅區(qū)組織成分分析(原子百分比)%

2.3 焊接接頭缺陷及形成

鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊焊接接頭的缺陷主要為氣孔和縮孔，并且這些缺陷主要集中于焊縫熔化區(qū)上部，如圖8所示。氣孔大多數(shù)集中在熔化區(qū)的上部及其邊角區(qū)域，氣孔的直徑一般約為50μm。氣孔形成的原因可能有兩個(gè):一是，鋁合金母材和焊絲表面的氧化膜焊前清理不徹底，導(dǎo)致焊件表面容易吸附水分、油脂等污染物，焊接過(guò)程中該污染物受熱分解產(chǎn)生氣體(氫氣、氧氣等)，焊縫冷卻過(guò)程中沒(méi)有及時(shí)逸出而形成了氣孔;二是，由于鋅的熔、沸點(diǎn)較低，高溫電弧使得中心部分的鋅揮發(fā)，而CMT焊接方法焊接過(guò)程中熱輸入量較低，焊縫的形成時(shí)間短，不足以使全部的鋅蒸汽從焊縫中逸出而形成了氣孔。

在焊接過(guò)程中，靠近熔化區(qū)一側(cè)的近熱影響區(qū)中的低熔強(qiáng)化相受熱熔化，液態(tài)的低熔強(qiáng)化相在晶界處聚集，隨后冷卻析出。而在冷卻的過(guò)程中，若液態(tài)的強(qiáng)化相在晶界處填充不充足，則在焊后熱影響區(qū)很容易形成“縮孔”。

圖8 鋁合金和鍍鋅鋼板熔釬焊接頭組織中的缺陷

綜上所述，在鋁合金和鍍鋅鋼板CMT法的焊接接頭中存在氣孔、縮孔等焊接缺陷，但由于這些焊接缺陷主要存在于熔化區(qū)的上部，所以對(duì)焊接接頭的性能影響較小。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

由接頭力學(xué)性能試驗(yàn)可知:焊縫的拉伸試樣斷在熱影響區(qū)，斷后的試樣宏觀形貌如圖9所示。焊接接頭的最大承載力為5.13kN，抗拉強(qiáng)度可達(dá)204MPa，其載荷位移曲線(xiàn)如圖10所示。

圖9 斷后試樣宏觀形貌

圖10 鋁合金和鍍鋅鋼板焊接接頭載荷-位移曲線(xiàn)

3 結(jié)論

(1)焊接接頭由釬焊接頭和熔焊接頭兩部分組成。釬焊接頭主要由中心界面區(qū)、過(guò)渡界面區(qū)、富鋅區(qū)以及與焊縫形成釬焊連接的鍍鋅鋼板母材組成;熔焊接頭主要由熔焊接頭焊縫、焊接熱影響區(qū)及鋁合金母材組成。

(2)CMT熔釬焊接頭中心界面區(qū)化合物層的寬度大約為3～5μm，反應(yīng)層為致密的Fe2Al5金屬間化合物層;過(guò)渡界面區(qū)反應(yīng)層的寬度為2～3 μm，在靠近熔化區(qū)的一側(cè)有灰色的絮狀物，其成分為富鋁的固溶體，在靠近鋼一側(cè)致密的灰色物質(zhì)為FeAl2金屬間化合物層;富鋅區(qū)是由樹(shù)枝狀晶的鋁鋅α固溶體和枝晶間的殘留鋁所組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，斷裂部分有頸縮現(xiàn)象，焊接接頭的抗拉剪強(qiáng)度為204MPa。

［1］Zhang H T，F(xiàn)eng J C，He P，et al.The Arc Characteristics and Metal Transfer Behavior of Cold Metal Transfer and Its Use in Joining Aluminum to Zinc－coated Steel［J］.Materials Science and Engineering A，2009，499(1/2):111-113.

［2］劉中青，劉凱.異種金屬焊接技術(shù)指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［3］楊修榮.超薄板的MIG/MAG焊——CMT冷金屬過(guò)渡技術(shù)［J］.電焊機(jī)，2006，36(6):5-7.

［4］石常亮，何鵬，馮吉才，等.鋁/鍍鋅鋼板CMT熔釬焊界面區(qū)組織與接頭性能［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27(12):61-64.

［5］楊思一，呂廣庶，陳惠民，等.Fe3Al金屬間化合物性能特點(diǎn)及熔制工藝研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2000，8(3):340-343.

［6］Schubert E，Klassen M，Zerner I，et al.Light－ weight Structures Produced by Laser Beam Joining for Future Applications in Automobile and Aerospace Industry［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，115(1):2-8.