激光深熔釬焊車用鋁／鋼異種金屬試驗(yàn)研究

宋新華，金湘中，袁 江，張明軍，宋 斌，馮斌華

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，張家界427000；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082）

激光深熔釬焊車用鋁／鋼異種金屬試驗(yàn)研究

宋新華1，2，金湘中2*，袁 江1，2，張明軍2，宋 斌1，馮斌華1

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，張家界427000；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082）

為了實(shí)現(xiàn)車用鋁／鋼異種金屬良好連接，采用光纖激光對(duì)車用鋁合金與鍍鋅鋼對(duì)接接頭進(jìn)行了激光深熔填絲釬焊工藝試驗(yàn)，并對(duì)焊縫接頭的成形、界面金屬間化合物層，以及力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，鋁合金一側(cè)是激光深熔焊接接頭，而鍍鋅鋼一側(cè)是釬焊接頭；在鍍鋅鋼與釬焊縫中間界面存在金屬間化合物層，厚度小于10μm；金屬間化合物主要為Al7.2Fe2Si和（Al，Si）13Fe4；拉伸試樣主要斷裂于鋁合金熱影響區(qū)處，平均抗拉強(qiáng)度為145MPa；接頭的斷裂方式主要是韌窩斷裂。

激光技術(shù)；激光深熔釬焊；鋁合金；鍍鋅鋼；金屬間化合物

引 言

由于各項(xiàng)節(jié)能減排政策的出臺(tái)，汽車制造商必將減低汽車車身燃油消耗，車身輕量化可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。采用鋁合金材料代替鋼材是汽車車身輕量化的重要途徑之一。然而，鋁合金與鋼材異種金屬的連接仍是一大技術(shù)難題。這是由于鋁合金與鋼兩者的物理性能（如熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等）相差懸殊，更重要的是，在室溫下鐵在鋁中的溶解度幾乎為0，從而導(dǎo)致脆性Fe-Al金屬間化合物的產(chǎn)生［1］。

常用鋁／鋼異種金屬連接方法有固相連接、反應(yīng)濕潤(rùn)連接或激光焊接。其中固相連接包括擴(kuò)散焊、摩擦焊和攪拌摩擦焊，連接過(guò)程中鋁合金和鋼都處于固態(tài)，避免了鋁與鋼直接混合，有效抑制了Fe-Al金屬間化合物的形成［2］。典型焊接方法如弧焊、電阻電焊和釬焊，用來(lái)固態(tài)鋼與液態(tài)鋁的連接。由于激光焊接具有極高的能量密度、焊接速率快和加熱時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)［3］，因此，鋁／鋼異種金屬激光焊接工藝成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)［4-12］。鋁／鋼異種金屬激光焊接工藝主要包括激光深熔焊接［3-7］、激光深熔釬焊［8-9］和激光熔釬焊接［10-12］。單純激光深熔焊接時(shí)液態(tài)鋼與液態(tài)鋁的混合短時(shí)間難以精確控制，容易產(chǎn)生Fe-Al金屬間化合物［3］；激光深熔釬焊由于沒有填充釬焊材料，工業(yè)上難以獲得均勻的熔釬焊縫且對(duì)接間隙難以精確保證；激光熔釬焊接往往需要開設(shè)一定形狀的坡口，方可獲得成形良好的焊縫［12］。

本文中采用激光深熔填絲釬焊方法，實(shí)現(xiàn)了車用鋁合金和鍍鋅鋼異種金屬對(duì)接接頭的優(yōu)質(zhì)連接，并對(duì)焊縫的成形、界面金屬間化合物層，以及力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為車用6016鋁合金和H220YD＋ZF鍍鋅鋼板，厚度分別為1.15mm和1.2mm，鍍鋅鋼板雙面鍍鋅層厚度各約為10μm；填充焊絲為ER4043，直徑為1.2mm，熔點(diǎn)為650℃。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)中采用IPG光子公司生產(chǎn)的YLR-4000光纖激光器，操作光纖芯徑為300μm，準(zhǔn)直焦距為150mm，聚焦焦距為200mm，獲得聚焦光斑直徑為0.4mm。試驗(yàn)時(shí)將激光束沿焊接方向前傾10°入射，送絲角度為35°，同軸保護(hù)氣體為氬氣，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。試驗(yàn)前用細(xì)砂紙打磨去除鋁合金表面氧化膜，并用丙酮去除表面的油污，在鍍鋅鋼對(duì)接邊及上下表面涂覆一層薄的KAlF4焊劑。試驗(yàn)工藝參量規(guī)范為：激光功率為2600W，焊接速率為1m／min，送絲速率為2.22m／min，離焦量為5mm，同軸Ar保護(hù)氣流量為16L／min。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB228-2002，采用線切割方法將已焊試件切割成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，如圖2所示（圖中R為曲率半徑，F(xiàn)為拉伸時(shí)的拉力）。打磨線切割邊后，在WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉力加載速率為1.0mm／min。同時(shí)，用砂紙對(duì)線切割所得焊縫橫截面進(jìn)行打磨與拋光處理，然后分別用凱勒試劑和硝酸酒精溶液對(duì)鋁合金和鍍鋅鋼進(jìn)行腐蝕處理，在XTZ-10ST視頻顯微鏡下觀察焊縫橫截面；采用MM-6臥式金相顯微鏡對(duì)接頭進(jìn)行金相組織觀察分析；采用QUANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡（environment scanning electron microscope，ESEM）及其配備的能譜儀（energy disperse spectroscopy，EDS）和Bruker D8 ADVANCE X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）對(duì)接頭顯微結(jié)構(gòu)和界面層化學(xué)成分進(jìn)行分析；采用HXD-10007顯微硬度計(jì)，對(duì)焊縫接頭的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試。

Table1 Chemical compositions of galvanized steel，aluminum and fillerwire

Fig.1 Schematic illustration experimental set-up

Fig.2 Schematic illustration of tensile testing sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形特點(diǎn)

采用激光深熔填絲釬焊方法可以實(shí)現(xiàn)鋁合金與鍍鋅鋼對(duì)接接頭熔釬焊連接。圖3為鋁合金與鍍鋅鋼板激光深熔填絲釬焊對(duì)接接頭成形照片。由右圖可知，在鋁合金一側(cè)獲得了成形飽滿的激光深熔焊接頭，主要由熔焊焊縫、熱影響區(qū)及鋁合金母材組成；在鍍鋅鋼一側(cè)，填充焊絲釬料在鍍鋅鋼對(duì)接端面和上下表面實(shí)現(xiàn)了良好的鋪展浸潤(rùn)效應(yīng)，獲得了上下均勻連接的釬焊接頭，主要由釬焊縫、連接界面以及鍍鋅鋼母材組成。

Fig.3 Cross-section of laser deep penetration welding-brazing Al／steel joint

2.2 界面金屬間化合物層顯微結(jié)構(gòu)與成分分析

圖4為鍍鋅鋼與釬焊縫界面層的SEM背散射電子圖像，其中圖4a～圖4d分別對(duì)應(yīng)圖3中方框標(biāo)示的A～D區(qū)域。由圖4可知，每個(gè)釬焊界面都有一層薄的中間金屬間化合物層，厚度各不相同。鍍鋅鋼上表面與釬焊縫界面層厚度較均勻，厚度約為2.5μm，如圖4a所示；鍍鋅鋼對(duì)接表面與釬焊縫界面層上部，靠近上表面界面層較厚，厚度約為10μm，如圖4b所示；靠近焊縫下表面，鍍鋅鋼與釬料界面擴(kuò)散效應(yīng)較均勻，界面層厚度也較均勻一致，厚度約為5μm，如圖4c所示。液態(tài)釬料在鍍鋅鋼下表面的鋪展浸潤(rùn)也較均勻，且界面層厚度較上表面的薄，厚度約1.5μm。相關(guān)研究表明，接頭中Fe-Al金屬間化合物層厚度的臨界值為10μm［13］。顯然，對(duì)于鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔填絲熔釬焊接頭，釬焊界面處生成的Fe-Al金屬間化合物層厚度可以控制在10μm以內(nèi)，以致對(duì)接頭力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

為了獲得鋁合金與鍍鋅鋼深熔釬焊接頭釬焊界面處金屬化合物層的元素組分和物相組成，對(duì)接頭釬焊界面進(jìn)行了EDS點(diǎn)掃描分析和XRD檢測(cè)分析。表2所示為圖4a～圖4d中所標(biāo)示的各點(diǎn)的EDS分析結(jié)果。由表2可知，Al元素和Fe元素在鍍鋅鋼與釬焊縫界面處有一個(gè)漸變過(guò)程，這是熔釬焊過(guò)程中兩種元素相互擴(kuò)散的結(jié)果。根據(jù)各元素成分的比例，可以推測(cè)靠近釬焊縫處可能存在τ5-Al7.2Fe2Si，這是由于填充焊絲中存在一定量的Si元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05），且Al-Fe-Si三元合金較Al-Fe二元合金生長(zhǎng)能量小［14］，從而τ5-Al7.2Fe2Si最先在釬焊界面形成。初生相τ5-Al7.2Fe2Si的形成一定程度上防止了液態(tài)鋁與固態(tài)鋼的直接接觸反應(yīng)。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，高溫液態(tài)釬料侵蝕初生相層，最終Al原子擴(kuò)散到微量熔化的Fe基體而形成Fe-Al金屬間化合物。根據(jù)EDS分析可以初步確定θ-（Al，Si）13Fe4在鍍鋅鋼與釬焊縫界面生成。

Fig.4 Backscatter electron imaging of galvanized steel／brazing seam interfacial layer in Fig.3a—A zone b—B zone c—C zone d—D zone

圖5 為斷裂發(fā)生在釬焊界面的斷裂面XRD檢測(cè)分析結(jié)果，由圖中的衍射峰可以看出，接頭釬焊界面Al-Fe金屬間化合物相主要有θ-（Al，Si）13Fe4和τ5-Al7.2Fe2Si兩種。

Table 2 EDS analysis results of interfacial layer pointed in Fig.4

Fig.5 X-ray diffraction profile of the fracture plane in steel side

2.3 接頭的力學(xué)性能

取相同參量下鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔釬焊試件5組，先后測(cè)試焊縫接頭鍍鋅鋼與釬焊縫界面處的顯微硬度，加載載荷為300mN，保持時(shí)間為15s，其平均顯微硬度值分布曲線如圖6所示。由圖可知，釬焊縫和鍍鋅鋼基體的顯微硬度分別為53.5HV和480HV。然而，釬焊縫和鍍鋅鋼界面處顯微硬度值陡然增大，這是由于界面處生成了硬度極大的金屬間化合物。具體地，靠近釬焊縫的平均顯微硬度值為1030HV～1080HV，對(duì)應(yīng)于τ5-Al7.2Fe2Si相金屬間化合物；靠近鍍鋅鋼一側(cè)平均顯微硬度值為800HV～830HV，對(duì)應(yīng)于θ-（Al，Si）13Fe4相金屬間化合物［15］。

Fig.6 Microhardness distribution across the interface between galvanized steel and brazing seam

Fig.7 Tensile specimen fractured at heat affected zone of aluminum alloya—macroscopic view b—SEM fractography

取相同參量下鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔釬焊試件5組，先后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣主要斷裂于鋁合金熱影響區(qū)處，可見較明顯的“縮頸”現(xiàn)象，如圖7a所示。平均抗拉強(qiáng)度為145MPa。圖7b所示SEM觀察拉伸斷口形貌顯示，斷口主要以韌窩狀微觀形貌為主，屬于韌窩斷裂。

3 結(jié) 論

（1）采用激光深熔填絲釬焊方法實(shí)現(xiàn)了車用鋁合金與鍍鋅鋼對(duì)接焊接，鍍鋅鋼一側(cè)釬焊縫成形均勻。

（2）鍍鋅鋼與釬焊縫中間接合界面存在金屬間化合物層，填充焊絲中Si元素在一定程度上限制了金屬間化合物的生長(zhǎng)，金屬間化合物層厚度小于10μm。

（3）鍍鋅鋼與釬焊縫界面形成的金屬間化合物主要為Al7.2Fe2Si和（Al，Si）13Fe4。

（4）鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔填絲釬接頭拉伸試樣主要斷裂于鋁合金熱影響區(qū)處，平均抗拉強(qiáng)度為145MPa；拉伸斷裂方式主要是韌窩斷裂。

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Experimental investigation of laser deep penetration welding-brazing of automotive alum inum／steel galvanized metal

SONG Xinhua1，2，JIN Xiangzhong2，YUAN Jiang1，2，ZHANGMingjun2，SONG Bin1，F(xiàn)ENG Binhua1
（1.Department of Aerospace Engineering，Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering，Zhangjiajie 427000，China；2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

In order to achieve good automotive joining of aluminum／steel dissimilar metals，the experiments of butt joining aluminum alloy to galvanized steelwere carried outby laser deep penetration welding-brazingwith a fiber laser.The seam appearance，the intermetallic composition layer as well as themechanical properties of the jointswere analyzed.The results show that a typical deep penetration welding seam is formed on the aluminum alloy side，while a brazed seam is generated on the solid galvanized steel side.There is a thin layer of the intermetallic composition on the interface between the galvanized steel and the brazed seam，which is less than 10μm.Themain intermetallic compositions were Al7.2Fe2Si and（Al，Si）13Fe4.The tensile sampleswere fractured at the heat affected zone of the aluminum alloy.The average tensile strength of the joint is 145MPa.The fracturemode of the joint is ductile fracture.

laser technique；laser deep penetration welding-brazing；aluminum alloy；galvanized steel；intermetallic composition

TG456.7

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.012

1001-3806（2014）03-0342-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50875079）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（09JJ3088）

宋新華（1980-），男，碩士，研究方向?yàn)榧す夂附蛹夹g(shù)。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：jin9000xz＠hotmail.com

2013-08-16；

2013-09-02