激光膠接焊鍍鋅鋼/鋁合金的顯微組織與性能

周惦武，戴 婷，徐少華，劉金水

(湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

隨著現(xiàn)代交通運輸工具輕量化戰(zhàn)略的實施，鋼/鋁復合結構件發(fā)揮兩種材料性能優(yōu)勢、減輕質量，在汽車、高速列車、船舶等行業(yè)有良好應用前景，然而異種金屬的優(yōu)質高效連接是制約鋼/鋁復合結構件在工程中推廣應用的最大技術瓶頸[1-2]。實現(xiàn)鋼/鋁連接的方法主要有粘接、機械連接和焊接。粘接得到連接接頭的力學性能有限，只能應用在一些性能要求較低的場合。機械連接雖得到較高性能的連接接頭，但接頭的氣密性無法保證，接頭質量大。激光焊用激光束作焊接熱源，具有能量密度高、熱輸入量小、熱量集中、熱源易控制、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接變形小以及高效高自動化等諸多優(yōu)點[3-5]，此外，焊接中加入膠層可增加金屬板材對激光能量吸收，改變熔池流動性，避免熔池區(qū)母材熔入，獲得良好連接性能，因此，激光膠接焊有望成為鋼/鋁一種新的連接方法[6-10]。鍍鋅鋼中鍍鋅層可通過陰極保護及生成的腐蝕產物對鋼基材起防護作用，因此，鍍鋅鋼板成為目前使用范圍最廣的車身材料。為探索連接接頭缺陷少、力學和耐腐蝕綜合性能優(yōu)良的鋼/鋁異種金屬一種新的連接方法，本文作者以1.4 mm厚的DC56D+ZF鍍鋅鋼和1.2 mm厚的6016鋁合金平板試件作為研究對象，進行有無膠層加入的激光搭接焊和耐蝕性實驗，利用臥式金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、微機控制電子萬能試驗機等手段，分析膠層加入前后焊接接頭的金相組織、斷口形貌、界面元素、腐蝕速度、腐蝕產物形貌與成分以及接頭力學性能，探討膠層影響鋼/鋁焊接試樣耐腐蝕性能的作用機制，研究結果期望為鋼/鋁異種金屬結構件激光焊接的推廣應用提供重要理論和試驗基礎。

1 實驗

激光膠接焊實驗采用光纖激光器作為焊接熱源，激光器型號為YLS-4000-CL，最大輸出功率為4.0 kW，激光波長為1.070 μm；連續(xù)輸出的激光模式為TEM00，拋物反射鏡聚焦，焦距鏡長200 mm；焦斑直徑為0.4 mm；光束發(fā)散角α＜0.15 rad。實驗材料為DC56D+ZF鍍鋅鋼和6016鋁合金，鍍鋅鋼板的化學成分(質量分數(shù)，%)為：C 0.014，Si 0.008，Mn 0.118，S 0.030，P 0.014，F(xiàn)e余量，6016鋁合金的化學成分為：Si 1-1.3，Cu 0.2, Mn 0.2, Mg 0.3-0.5, Fe 0.5, Al余量。鍍鋅鋼和鋁合金的板料尺寸分別為1.4 mm×100 mm×30 mm和1.2 mm×100 mm×30 mm。焊接前用丙酮清洗試樣以去除表面油污，用砂紙打磨以去除鋁合金表面的氧化層，然后在搭接長度為30 mm的區(qū)域內涂上自制厚度約為0.1 mm的膠層，對板材試樣施以一定的壓力，在室溫下自然固化24 h。焊接時，考慮到鋁合金反射率高，采用鍍鋅鋼板置于鋁合金上側的搭接形式，采用氬氣為保護氣體，激光膠接焊實驗示意圖如圖1所示。實驗以獲得優(yōu)良焊縫表面成形性和較大焊縫熔深為目標，確定最佳優(yōu)化焊接工藝參數(shù)為：激光功率1650 W，焊接速度35 mm/s，離焦量＋3.0 mm，Ar氣為保護氣體且流量為20 L/min。分析膠層加入對焊接接頭組織與力學性能的影響時，未加入膠層的焊接工藝條件與加入膠層時的相同。

耐蝕性實驗采用質量損失法來衡量膠層加入前后鋼/鋁焊接試樣的腐蝕速度，即用腐蝕前后試樣質量的變化來評定，腐蝕前后的試樣均使用分辨率為0.1 mg的電子天平稱取質量。腐蝕速度的計算公式如下：式中：v為腐蝕速度(g/(m2h))；m0為式樣腐蝕前的質量(g)；m1為試樣清除腐蝕產物后的質量(g)；S為試樣表面積(m2)；t為腐蝕時間(h)。

圖1 鋼/鋁激光膠接焊示意圖Fig. 1 Schematic diagram of steel/aluminum laser-adhesive hybrid bonding: 1—Galvanized steel; 2—Laser beam; 3—Blowing side protective gas; 4—Adhesive layer; 5—Aluminum alloy

腐蝕試樣制備時，先用金相砂紙打磨樣品表面，露出基體，再用丙酮清洗多次，并在蒸餾水中超聲清洗15 min，取出烘干；接著稱取NaCl，加蒸餾水，配制質量分數(shù)為3%的NaCl水溶液，pH值為7.0；采用懸掛的方式把制備的樣品浸泡到鹽水溶液中，浸泡時間為240 h；取出樣品進行耐蝕性分析時，用蒸餾水洗凈表面，并進行烘干。

利用體式顯微鏡觀察試樣正面焊縫的表面形貌和腐蝕后樣品宏觀形貌；利用臥式金相顯微鏡觀察試樣橫截面焊縫的微觀組織；利用微機控制電子萬能試驗機測試焊接試件的抗剪強度與平均剪切力；采用配能譜儀的掃描電鏡FEI 2000 Quanta200對試樣斷口形貌、焊縫界面與腐蝕產物的微觀形貌與成分進行分析；采用D500 X射線衍射儀分析腐蝕試樣的主要物相。

2 結果與討論

2.1 焊縫顯微組織分析

圖2所示為最佳優(yōu)化焊接工藝參數(shù)條件下鋼/鋁和鋼/膠層/鋁焊縫的微觀形貌。未加入膠層時，焊縫熔深為0.4 mm(見圖2(a))，加入膠層后，焊縫熔深為0.5 mm(見圖2(b))。由于膠層的加入，使上下板緊密連接，減弱了由于板間間隙而導致熱量傳遞受阻現(xiàn)象，一定程度上提高了下側未融化鋁合金板的表面溫度[11-12]，故加入膠層后焊縫熔深增加。圖2(c)和(d)所示分別為焊接試樣加入膠層前后焊縫區(qū)的顯微組織。發(fā)現(xiàn)晶粒均為柱狀晶，與未加入膠層相比，加入膠層后，無夾雜、裂紋、氣孔等明顯缺陷。

2.2 焊縫界面微觀形貌與成分分析

圖2 鋼/鋁合金和鋼/膠層/鋁合金焊接接頭的顯微組織Fig. 2 Microstructures of steel/Al joint (a), steel/adhesive layer/Al alloy joint (b), weld zone of steel/Al alloy (c) and weld zone of steel/adhesive layer/Al alloy (d)

圖3 鋼/鋁合金和鋼/膠層/鋁合金界面層的SEM像Fig. 3 SEM images of steel/Al and steel/adhesive layer/Al alloy interface layer: (a) Steel/Al alloy joint; (b) Steel/adhesive layer/Al alloy joint; (c) Enlarged view of Fig. 3(a); (d) Enlarged view of Fig. 3(b)

表1 鋼/鋁和鋼/膠層/鋁焊接接頭不同區(qū)域的EDS分析Table 1 EDS analysis results of steel / Al and steel/adhesive layer/Al weld joint shown in Fig. 3

圖3所示為加入膠層前后焊縫界面附近的SEM像。發(fā)現(xiàn)未加入膠層時，熔池底部鋼/鋁界面分界線連續(xù)(見圖3(a))，而加入膠層后，兩種金屬互相嵌入(見圖3(b))。對界面層的底部進行放大觀察(圖3(c)和圖3(d)，對微區(qū)進行能譜分析，結果如表1所列。可見未加入膠層時，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域主要為富Al的Fe-Al金屬間化合物，其中Ⅰ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:2，Ⅱ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:3，從Fe-Al二元相圖推測來看，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域分別為FeAl2和FeAl3金屬間化合物。Ⅰ、Ⅱ區(qū)域還含有Mg和Zn元素，可能是焊接過程中鋅蒸氣和鎂蒸氣沒有完全逸出而殘留在焊縫中；加入膠層后，Ⅲ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:1，表明生成了FeAl金屬間化合物；Ⅳ區(qū)域的主要成分為Al；Ⅴ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:3，表明生成了FeAl3金屬間化合物。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)域均發(fā)現(xiàn)含有少量Mg元素，而未發(fā)現(xiàn)Zn、C、O元素，說明加入膠層后，在焊接過程中，膠層由于沸點較低受熱汽化后連同分解的產物隨金屬蒸氣一同逸出熔池外，鋅蒸氣也充分逸出，而鎂蒸氣未完全逸出。加入膠層后，氣化更劇烈，使熔池中下部的攪拌更加充分和均勻，產生的金屬蒸氣在熔池的攪拌中被充分排出，因而焊縫中未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等焊接缺陷的產生(見圖2(d))。此外，鋁的熔點比鋼的熔點低，膠層受激光作用分解，由于在下側鋁合金表面形成一層很薄的氣體和固體殘留物，明顯改變鋁合金表面高反射率的狀況，加大鋁合金對激光能量的吸收，因而熔融金屬冷卻后互相嵌入，與未加入膠層相比，鋼/鋁界面分界線變得不十分連續(xù)(見圖3(b))。

2.3 力學性能與斷口形貌

未加入膠層試樣的平均剪切力為1.05 kN，抗剪強度為42.15 MPa，加入膠層試樣的平均剪切力為1.04 kN，抗剪強度為41.45 MPa，與未加入膠層相比，發(fā)現(xiàn)試樣的力學性能并沒有因為膠層的加入而減弱(見圖4)。圖5所示為加入膠層鋼/鋁激光焊接頭斷裂后的剪切試樣和斷口處的微觀形貌。由圖5可以看出，斷口表面具有一些淺而小的韌窩(見圖5(b)和(d))，斷面上有較短、不連續(xù)、匯合特征不明顯的河流狀花樣(見圖5(c))；焊縫區(qū)斷裂形貌表現(xiàn)為韌性斷裂與準解理斷裂的混合形貌[13]。

2.4 腐蝕速度

圖4 焊接接頭的抗剪強度與剪切力Fig. 4 Shear strength and shear force of laser weld joint

表2所列為腐蝕前后焊接試樣的質量變化和腐蝕速率。其中1、4號對應最佳優(yōu)化焊接工藝條件下未加膠層、加入膠層的試樣樣品，為分析膠層加入對焊接試樣腐蝕速率影響，還將如下兩種焊接試樣腐蝕前后質量變化和腐蝕速率一并列于表2中，即激光功率1650 W，焊接速度35 mm/s，離焦量+2.0 mm，加膠層，對應2號樣品；激光功率1600 W，焊接速度32 mm/s，離焦量+3.0 mm，加膠層，對應3號樣品；結果發(fā)現(xiàn)，1、2、3、4號試樣樣品腐蝕速度分別為0.4、0.18、0.29和0.27 g/(m2h)，其中1號樣品的的腐蝕速率最大，而2、3、4號樣品的腐蝕速率較小，表明同等腐蝕條件下，與未加入膠層相比，加入膠層焊接試樣的腐蝕速度明顯減慢。

表2 腐蝕前后質量變化和腐蝕速率Table 2 Quality change and corrosion rate before and after corrosion

2.5 腐蝕形貌

圖5 鋼/鋁激光膠接焊接頭的剪切斷裂試樣和斷口微觀形貌Fig. 5 Failure adhesive bonded joint in tensile shear test (a) and different multiples of SEM images of laser weld bonding steel/Al joint fracture: (a) Failure adhesive bonded joint; (b) Shallow dimple; (c) River pattern; (d) Small dimple

圖6 焊接試樣上表面腐蝕產物的SEM像Fig. 6 SEM images of welding specimen surface corrosion products of samples 1 (a), 2 (b), 3 (c) and 4 (d) after corrosion

圖6所示分別為表2中1、2、3、4號樣品在浸泡實驗結束后主要腐蝕產物的的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)1號樣品表面形成了大量細小的顆粒狀腐蝕產物；2號樣品腐蝕過程中產生了大量的絲狀腐蝕產物，由顆粒狀腐蝕產物聚集構成；3號和4號樣品表面腐蝕產物主要為針狀和絲狀腐蝕產物。通過腐蝕產物初期生長規(guī)律的觀察發(fā)現(xiàn)，經過48 h的腐蝕浸泡實驗，4個樣品表面均沒有明顯腐蝕產物生成，經過56 h的浸泡實驗，1、2、3號樣品局部區(qū)域出現(xiàn)尺寸較小的點狀腐蝕產物，而4號樣品生成點狀腐蝕產物；經過120 h的浸泡實驗，樣品表面圍繞先期生成的點狀腐蝕產物形成了不規(guī)則的團狀腐蝕產物，其中1號樣品表面腐蝕產物呈灰黑色，其他樣品表面腐蝕產物均為白色，隨著浸泡時間的增加，直至浸泡實驗結束，腐蝕試樣表面的團狀腐蝕產物邊緣向外延伸，形成絲狀腐蝕產物。

圖7所示分別為表2中1、2、3、4號樣品采用超聲清洗方法去除腐蝕試樣表面腐蝕產物的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)1號樣品腐蝕產物呈塊狀脫落，出現(xiàn)剝層腐蝕現(xiàn)象；2、3號樣品出現(xiàn)了密集的細小點蝕坑，有輕微的剝層腐蝕發(fā)生；4號樣品表面沒有出現(xiàn)點蝕坑?？煽闯觯?號樣品腐蝕最嚴重；2、3號樣品出現(xiàn)一些細小的點蝕坑，腐蝕較輕微；4號樣品基體表面良好，腐蝕產物只附著在樣品表面。表明加入膠層焊接試樣的耐腐蝕性能優(yōu)越于未加入膠層焊接試樣的。

2.6 腐蝕產物及耐腐蝕性能作用機制分析

表3所列為1、2、3、4號樣品腐蝕產物能譜及X射線衍射儀的分析結果。發(fā)現(xiàn)所有樣品腐蝕產物主要成分均含有O、Fe和Zn元素，但2、3、4號樣品Zn元素相對含量比1號樣品多，可見膠層的存在，減輕了鍍鋅鋼中鍍鋅層的腐蝕，對鋼基材能起防護作用。

本研究的耐蝕性實驗結果表明：同等腐蝕條件下，未加膠層激光焊接試樣比加入膠層激光焊接試樣腐蝕快。由于實驗腐蝕環(huán)境為質量分數(shù)為3%的NaCl水溶液，腐蝕初期階段，NaCl的存在，在鋼表面形成了無數(shù)個腐蝕微電池，隨著反應的進行，Na+、Fe+向陰極區(qū)域移動，OH-、Cl-向陽極溶解區(qū)移動，在活性陽極區(qū)形成Fe(OH)2。但Fe (OH)2腐蝕產物膜并不穩(wěn)定，會分解為FeO或與溶解于液體中的O2氧化成FeOOH(注：反應進行過程如式(2)和(3))，因此，未加入膠層的1號樣品腐蝕產物主要為表3所列的Fe3O4和Fe6(OH)12CO3。

加入膠層的2號、3號樣品腐蝕產物除了Fe2O3、Fe(OH)3外，還生成Zn5(OH)8Cl2H2O(如表3所列)，主要是微電池反應中，隨著反應的進行，Zn+向陰極區(qū)域移動，OH-、Cl-向陽極溶解區(qū)移動。其腐蝕過程包括氧化物或氫氧化物的形成、Cl-的腐蝕和腐蝕產物的形成過程；4號樣品腐蝕產物主要為Fe2O3、FeO(OH)、Fe6(OH)12CO3，但能譜分析結果中出現(xiàn)了Zn元素，主要是腐蝕樣品從鹽水溶液中取出后保存方式造成的，Cl-的存在會造成鋅的氫氧化物的局部溶解，故XRD檢測未發(fā)現(xiàn)含鋅腐蝕產物的存在。

圖7 去除腐蝕產物后表面SEM像Fig. 7 SEM images of surface of samples 1 (a), 2 (b), 3 (c) and 4 (d) by removing corrosion products after corrosion

表3 腐蝕產物能譜及X射線衍射儀分析結果Table 3 Corrosion analysis results of spectrum and X ray diffraction

通常情況下，異種金屬在同一電解液中直接接觸會構成電偶電池。電位較負的金屬腐蝕速率快，而電位較正的金屬腐蝕速率慢。對鍍鋅鋼/鋁合金激光焊接試樣而言，構成電偶電池為鍍鋅鋼板上的鋅和鐵以及鐵和鋁。由于鋅的電位較鐵更負，電偶腐蝕中，首先腐蝕的是鋅層，雖然鍍鋅層對鋼板有保護作用，但隨著腐蝕時間的增長，鋅層會被腐蝕掉而露出鋼板，此時鋼板就與鋁板接觸構成電偶電池，由于鐵的電位較鋁負，故鋼板先腐蝕，鋁板后腐蝕。加入膠層，由于膠層具有絕緣性，可抑制陽極和陰極之間的電子交換，減緩電偶腐蝕作用，因此，加入膠層可提高鋼/鋁焊接試樣的耐腐蝕性能[14-15]。

3 結論

1) 激光功率1650 W，焊接速度35 m/s，離焦量+3.0 mm，Ar為保護氣體且流量為20 L/min的最佳工藝條件下，加入膠層后，焊接試樣正面焊縫均勻連續(xù)，無氣孔、裂紋等缺陷。

2) 膠層的加入改善了搭接焊中因間隙而產生的熱傳遞受阻現(xiàn)象，與未加膠層相比，橫截面金屬平板試件間隙減少，熔深值增大；膠層受激光作用分解形成氣體和固體微粒殘留物，改變鋁合金表面高反射率狀況，加大鋁合金對激光能量吸收，鋼/鋁熔融金屬冷卻后互相嵌入，與未加入膠層相比，鋼/鋁界面分界線不十分連續(xù)。

3) 激光焊接中加入膠層，焊接接頭抗剪強度與平均剪切力分別為41.45 MPa和1.04 kN，力學性能并沒有因為膠層的加入而減弱；同等腐蝕條件下，焊接試樣腐蝕方式為電偶腐蝕，腐蝕產物主要為Fe2O3、FeO(OH)、Fe6(OH)12CO3，與未加入膠層相比，焊接試樣腐蝕速度減慢，耐蝕性明顯提高；

4) 由于膠層具有絕緣性，抑制陽極和陰極之間的電子交換，減緩電偶腐蝕作用，加入膠層，提高了鋼/鋁焊接試樣的耐腐蝕性能。

[1] 吳 軍, 李 亮. 激光焊接工藝對鋁-鋼焊接質量影響研究[J].焊接技術, 2000, 29(5): 19-21 WU Jun, LI Liang. Investigation on laser welding quality of Steel-Al[J]. Welding Technology, 2000, 29(5): 19-21.

[2] 雷 振, 秦國梁, 林尚揚, 王旭友. 基于激光-MIG復合熱源的5A02鋁合金/鍍鋅鋼熔-釬焊[J]. 機械工程學報, 2009,45(3): 94-98 LEI Zhen, QIN Guo-liang, LIN Shang-yang, WANG Xu-you.Fusion-brazing joining for dissimilar metals between 5A02 aluminium alloy and zinc-coated steel based on laser-MIG hybrid welding[J]. Journal of Mechenical Engineering, 2009,45(3): 94-98

[3] 彭 利, 周惦武, 徐少華, 彭 平, 劉金水. 鍍Zn鋼-6016鋁合金激光焊接組織性能與第一原理計算[J]. 中國有色金屬學報, 2012, 22(1): 230-238.PENG Li, ZHOU Dian-wu, XU Shao-hua, PENG Ping, LIU Jin-shui. Laser lap welding structural properties and first-principle computation of zinc-coated steel and 6016 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2012, 22(1): 230-238.

[4] BRETZ T, LAZARZ, BLANCHARD H J. Adhesive bonding and corrosion protection of a die cast magnesium automotive door[J].Magnesium Technology, 2004: 113-119.

[5] QI X, SONG G. Interfacial structure of the joints between magnesium alloy and mild steel with nickel as interlayer by hybrid laser-TIG welding[J]. Mater Des, 2010, 31: 605-609.

[6] LIU X J,HUANG R S,WANG H Y. Improvement of TIG lap weldability of dissimilar metals of Al and Mg[J]. Science &Technology of Welding & Joining, 2007, 12: 258.

[7] ZHAO L M, ZHANG Z D. Effect of Zn alloy interlayer on interface on microstructure and strength of diffusion-bonded Mg-Al joints[J]. Scripta Materialia, 2008, 58: 83.

[8] 王紅陽, 張兆棟, 劉黎明. 膠層對鎂鋁異種金屬激光膠接焊過程中熱量傳遞的影響[C]//輕金屬與高強材料焊接國際論壇,北京: 機械工業(yè)出版社, 2008: 94-99.WANG Hong-yang, ZHANG Zhao-dong, LIU Li-ming. The effect of the adhesive on the thermal conduction in laser welded bonding Mg to Al process[C]//International Form on Light Metals and High Strength Material, Welding. Beijing: China Machine Press, 2008: 94-99.

[9] 劉黎明, 王紅陽, 王 恒, 宋 剛. 鎂合金激光膠接焊接頭微觀及力學性能[J]. 中國機械工程, 2007, 18(3): 352-356.LIU Li-ming, WANG Hong-yang, WANG Heng, SONG Gang.Microstructural characteristics and mechanical properties of laser weld bonded joints in magnesium alloy[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(3): 352-356.

[10] 任大鑫, 劉黎明, 鎂合金激光膠接焊膠層作用分析[J]. 機械工程學報, 2009, 45(8): 266-270.REN Da-xin, LIU Li-ming. Analysis of the adhesive layer of laser weld bonding joints in magnesium alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(8): 266-270.

[11] CHEN W C, ACKERSON P, MOLIAN P. CO2laser welding of galvanized steel sheets using went holes[J]. Materials and Design, 2009, 30: 245-251.

[12] 陳武柱. 激光焊接與切割質量控制[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010: 34-40.CHEN Wu-zhu. Laser welding and cutting quality control[M].Beijing: China Machine Press, 2010: 34-40.

[13] LIU L M, WANG H Y .The effect of the adhesive on the microcracks in the laser welded bonding Mg to Al joint[J].Materials Science and Engineering A, 2009, 507A: 22-28.

[14] 林玉珍, 楊德鈞. 腐蝕和腐蝕控制原理[M]. 北京: 中國石化出版社, 2007: 8-11.LIN Yu-zhen, YANG De-jun. Corrosion and corrosion control principle[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2007: 8-11.

[15] 劉秀晨, 安成強. 金屬腐蝕學[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,2002: 148-149.LIU Xiu-chen, AN Cheng-qiang. Metal corrosion science[M].Beijing: National Defence Industry Press, 2002: 148-149.