鋁合金與鋼的異種材料離焦激光焊研究現(xiàn)狀

尹丹青 ，邱然鋒 ，王楠楠 ，石紅信，張柯柯

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471003）

0 前言

近年來，為了提高燃料利用率、減少CO2氣體排放量以盡可能降低對環(huán)境的污染，使得汽車工業(yè)在追求高安全性、外觀靚麗、乘用舒適型車身設(shè)計的同時將關(guān)注的目光投向了車身輕量化?，F(xiàn)在，輕快、安全與舒適已成為汽車車身設(shè)計的主題。為了既能實現(xiàn)車身輕量化又能保證其安全性系數(shù)，“混合材料型車身結(jié)構(gòu)”越來越受到汽車工業(yè)的青睞[1]。在這種車身結(jié)構(gòu)里，承重部位及加強零件使用傳統(tǒng)的鋼材或超高強度鋼以確保安全性，其余部位則采用鋁合金、鎂合金等輕材料以實現(xiàn)車身整體輕量化[2]。因此，在焊裝這種車身結(jié)構(gòu)時，將必然涉及到鋁合金和鋼之間的異種材料連接。但是鋼與鋁合金的熱物理、冶金性能差異很大，焊接時不僅容易形成裂紋、未熔合等缺陷，且在接合界面極易生成金屬間化合物硬脆相，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能降低[3-4]。因此鋁合金與鋼異種金屬的優(yōu)質(zhì)、高效焊接是材料制造領(lǐng)域的一項技術(shù)難題。近年來，國內(nèi)外研究者采用多種固相焊方法研究鋼與鋁的焊接，如采用摩擦焊[5]、擴散焊[6]、攪拌摩擦焊[7]等。雖然采用固相焊接技術(shù)焊接異種材料能夠抑制界面金屬金屬間化合物的形成，可以提高接頭性能，但是其應(yīng)用受到焊件形狀、尺存和設(shè)備容量的限制。為了解決鋁合金與鋼異種金屬連接技術(shù)難題，探討、開發(fā)新型異種材料焊接技術(shù)是非常必要的。

激光焊接是一種高能密度熔焊方法，具有效率高、變形小、接頭質(zhì)量高的優(yōu)點，可實現(xiàn)深熔焊、高速焊及遠程焊，是將來可取代電阻點焊用于汽車車身焊裝的一種焊接方法。與傳統(tǒng)熔化焊一樣，采用小孔激光焊焊接鋁合金與鋼時，由于冶金反應(yīng)是發(fā)生在液態(tài)鋁合金與液態(tài)鋼之間，在接合界面生成大量脆性相并有裂紋產(chǎn)生致使接頭性能不高[8-9]。最近，在激光熱傳導(dǎo)焊接方法基礎(chǔ)之上研發(fā)出了一種名為“離焦激光焊”的新型焊接技術(shù)。采用這種新型焊接方法焊接鋁合金與鋼時界面反應(yīng)發(fā)生在液態(tài)鋁合金和固態(tài)鋼之間，從而抑制了界面金屬件化合物的生長，進而改善了接頭性能。在此介紹這一新型焊接技術(shù)，并就其在鋁合金/鋼異種材料接合上的應(yīng)用進行分析和探討。

1 鋼/鋁焊接存在的難點

鋼/鋁焊接存在一定困難，兩者焊接難以獲得優(yōu)良焊縫，其根源主要是鋼、鋁及鋁合金材料中的主要元素Fe和Al的物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、晶格參數(shù)、組織結(jié)構(gòu)相差甚遠。兩者在密度、熔沸點、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等物理參數(shù)上相差懸殊，如表1所示[10]。懸殊較大的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)使焊接過程中接頭處變形嚴重，并且存在很大的焊接應(yīng)力，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；Fe、Al晶格結(jié)構(gòu)上存在較大差異，如表2所示[11]。Fe與Al之間相互固溶能力差，易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金屬間化合物，導(dǎo)致焊接接頭塑韌性降低。另外，焊接過程中Al母材表面形成難熔的Al2O3氧化膜，并且熔池溫度越高，表面氧化膜越厚。這種氧化膜既能形成焊縫夾渣，又直接影響焊縫金屬的熔合，導(dǎo)致焊縫塑性差、承載能力低、抗沖擊能力差。

2 鋁合金與鋼的離焦激光焊技術(shù)

激光焊接是利用具有高能量密度的激光照射于待焊接的部位，通過工件吸收激光獲得能量來加熱材料至熔化，待材料在液態(tài)下相互混合、冷卻凝固后形成熔合焊縫。根據(jù)材料表面被照射的光功率密度或材料中是否形成小孔，將激光焊接分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊接。激光熱傳導(dǎo)焊接是金屬表面受激光照射并吸收能量后局部升溫形成溫度場，熱量按照固體材料的熱傳導(dǎo)學(xué)理論向材料內(nèi)部擴散，以此來熔化被焊接的兩構(gòu)件。

表1 Fe、Al的物理化學(xué)性能參數(shù)

表2 Fe、Al的晶格常數(shù)

界面金屬間化合物的生長與原子在界面的擴散有關(guān)[12-13]。鑒于原子在液/液界面的擴散速率大于固/液界面的[14]，在激光熱傳導(dǎo)焊接基礎(chǔ)之上研發(fā)出了離焦激光焊。離焦激光焊是利用鋁合金和鋼熔點的差異，通過調(diào)整離焦量對焊接熱輸入進行精確控制，保證高熔點的鋼在不發(fā)生熔化的前提下使低熔點的鋁合金熔化，熔化的鋁合金與固態(tài)的鋼發(fā)生固液界面反應(yīng)，實現(xiàn)連接。

鋁合金與鋼異種材料離焦激光焊接時，將高熔點的鋼置于低熔點的鋁合金之上進行搭接（見圖1a），激光束對鋼板照射。通過調(diào)整離焦量df，控制界面溫度使靠近界面的鋼不發(fā)生熔化，而靠近界面的鋁合金利用傳導(dǎo)熱發(fā)生熔化，達到圖1b所示的固液界面反應(yīng)，凝固后實現(xiàn)連接。

3 鋁合金與鋼的離焦激光焊研究現(xiàn)狀

日本長崗技術(shù)科學(xué)大學(xué)的宮下幸雄等人基于非定常熱傳導(dǎo)利用境界要素法對鋁合金與鋼異種材料激光焊接合界面溫度分布進行了解析，解析結(jié)果如圖2所示[15]。由圖2可知，在不同激光輸出功率條件下界面附近溫度分布與焊接速度有關(guān)。通過調(diào)整焊接速度改變界面溫度，以致界面溫度達到鋁合金和鋼兩種材料熔點之間（圖2兩條虛線之間），從而使界面冶金反應(yīng)為固/液反應(yīng)，以實現(xiàn)控制界面脆性相的生成和提高接頭性能。研究結(jié)果為高鋁合金與鋼異種材料離焦激光焊提供了理論依據(jù)。

圖1 鋁合金/鋼離焦激光焊原理示意和斷面示意

圖2 鋁合金/鋼激光焊界面溫度分布解析結(jié)果

為了進一步改善鋁合金/鋼離焦激光焊接頭性能，可以通過選用不同材質(zhì)的墊砧來改變熱流方向，進而優(yōu)化界面特性。Ti、S45C鋼、Cu墊砧以及不采用墊砧焊接獲得鋁合金/鋼接頭界面反應(yīng)層厚度如圖3所示。結(jié)果顯示采用導(dǎo)熱性高的Cu墊砧獲得接頭界面反應(yīng)層厚度較薄[14]。

圖3 鋁合金/鋼離焦激光焊接頭界面反應(yīng)層厚度與焊接速度、墊砧材質(zhì)的關(guān)系

采用導(dǎo)熱性高的材質(zhì)作為墊砧雖然能夠增加冷卻速度、抑制界面反應(yīng)層生長、改善接頭性能，但是由于冷卻速度過大、熱流改變太過靈敏，采用Cu質(zhì)墊砧時鋁合金與鋼異種材料離焦激光焊的可焊范圍較窄、焊接窗口較?。ń馕鼋Y(jié)果如圖4所示）。因此，有關(guān)界面反應(yīng)層的抑制與可焊范圍之間平衡協(xié)調(diào)還需進一步工藝實驗驗證。

圖4 采用不同材質(zhì)墊砧時鋁合金與鋼離焦激光焊焊接窗口

東京工業(yè)大學(xué)的熊井等人通過工藝性實驗，對1.2 mm厚的鋁合金A6111與1.0 mm厚的低碳鋼SPCC的離焦激光焊接頭界面微觀特性和力學(xué)性能進行了詳細的研究[16-17]。研究結(jié)果顯示，通過調(diào)整離焦量不僅能夠控制鋁合金、鋼側(cè)兩個熔池尺度，還可抑制界面反應(yīng)層的生長。如表3所示，增大離焦量可以抑制界面反應(yīng)層的生長，這是由于離焦量的增大致使激光能量密度減小。但是增大離焦量也會導(dǎo)致光斑直徑增大，進而造成鋼、鋁合金側(cè)熔池寬度增大；雖然鋼側(cè)熔池最大深度沒有變化，仍能保證界面反應(yīng)處于液固反應(yīng)，但鋁合金側(cè)熔池最大深度卻急劇增大，甚至熔透。離焦量變化所致的熔池尺度變化對接頭性能影響仍有待進一步深入研究。

表3 A6111/SPCC離焦激光焊接頭熔池及界面反應(yīng)層厚度與離焦量的關(guān)系

調(diào)整工藝參數(shù)能夠獲得厚度不同的界面反應(yīng)層。反應(yīng)層厚度、寬度與接頭強度關(guān)系如圖5所示[16]。從中可知，只有獲得薄而窄的界面反應(yīng)層才能改善接頭強度。這一成果給今后研究提供了參考。

圖5 工藝參數(shù)對接頭性能的影響

4 結(jié)論

鋼與鋁焊接的主要問題是兩者熔點差異大、熱物理性能差異大。焊接區(qū)極易生成金屬間化合物脆硬相，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能降低。離焦激光焊焊接過程通過調(diào)整焊接速度、輸出功率、墊砧材質(zhì)以及離焦量精密控制熱輸入使靠近界面的鋁合金熔化、而靠近界面的鋼則仍保持固態(tài)，保證界面反應(yīng)為液固反應(yīng)，可以獲得可靠的鋼與鋁接頭性能。與其他焊接方法相比，離焦激光焊具有高效節(jié)能、靈活方便的特點將會受到越來越多的重視。

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