噴丸預處理對鋁合金與鋼TIG熔-釬焊的影響

安 琦，袁新建，張文龍，臧若錦

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400030）

噴丸預處理對鋁合金與鋼TIG熔-釬焊的影響

安 琦，袁新建，張文龍，臧若錦

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400030）

為了使鋁合金與鋼的連接更加牢固，以Al-Si（6%～8%）為釬料，采用TIG熔-釬焊對5052鋁合金和鍍鋅鋼板進行連接，并對鋁合金板的熔-焊區(qū)進行表面噴丸預處理，研究了表面噴丸對接頭界面組織及力學性能的影響.研究表明：噴丸預處理能細化接頭熔焊區(qū)柱狀晶晶粒并使其分布更均勻，促進鋼/熔池金屬間的界面反應；表面噴丸明顯改變了鋼/鋁擴散層厚度，厚度由6.0 μm增加到9.5 μm.力學性能測試結果表明，表面噴丸顯著改善了連接質量，接頭拉剪強度達到238.6 N/mm.

鋁合金；鍍鋅鋼；熔-釬焊；噴丸處理；顯微組織；力學性能

用輕質鋁合金代替車身用鋼是實現(xiàn)汽車車身輕量化和節(jié)能減排的有效手段.由于其本身性能的限制，鋁合金還不能完全取代高性能鋼材作為汽車車身結構，因而在采用鋁合金作為車身時不可避免地要涉及鋁合金與鋼的焊接.但由于鋁合金與鋼物理性能差異較大，且冶金兼容性較差，采用傳統(tǒng)熔焊方法難以實現(xiàn)二者的連接.因此，國內(nèi)外學者采用激光焊［1-3］，爆炸焊［4-6］，摩擦焊［7-8］，攪拌摩擦焊［7-8］，電阻點焊［9-10］等多種方法試圖實現(xiàn)鋁-鋼的可靠連接.盡管通過以上方法可以實現(xiàn)鋁-鋼的連接，但這些單一的連接方法很難獲得滿意的組織結構和高效高強的性能，且難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用.

近年來，國內(nèi)外學者針對鋁合金與鋼的復合焊接開展了相關研究工作，TIG熔-釬焊以其獨特的優(yōu)勢受到人們的重視，具有焊接熱影響區(qū)小、對表面光潔度要求不高、節(jié)能高效、易實現(xiàn)自動化、焊接性能好的優(yōu)點.在作者的前期工作中，采用TIG熔-釬焊已成功實現(xiàn)了Ti與Mg的連接［11］.文獻［12-16］針對鋁合金與鋼開展了熔-釬焊的研究工作［12-13］以及鍍鋅層所發(fā)揮的作用［14］，獲得了較好的焊接效果和焊接質量.但即使采用復合焊接方法，鋁基體的表面氧化膜仍難以避免，合金表面在空氣中極易形成致密的氧化層（Al2O3），氧化膜的性質與鋁基體截然不同，氧化膜的熔點達到了2 050℃，而鋁基體熔點僅為660℃，二者熔點相差1 390℃，這些差異對基體的焊接產(chǎn)生極大影響.焊接溫度介于鋁基體與鋼基體熔點之間無法熔化氧化鋁，因此，只能依靠溶解和TIG電弧清理的方式清除氧化膜，由于焊接持續(xù)時間短，致密的氧化膜不易被清除，嚴重影響液態(tài)鋁合金在鋼表面的鋪展，且溶解到焊縫中的大尺寸氧化物形成夾渣對焊接性能也極其不利［15］.鋁基體表面氧化膜在熔-釬焊中的溶解消除問題已嚴重制約了鋁合金與鋼的焊接性能.

目前，尚未見將表面機械研磨處理應用于TIG熔-釬焊的報道.而機械研磨處理在熱處理及擴散中的研究表明，表面機械研磨處理可以顯著細化晶粒［16］.MHAEDE等認為鋁合金經(jīng)噴丸處理后表面形貌發(fā)生了顯著改變［17］，此外，表面噴丸處理可顯著去除零件表面氧化膜，克服了傳統(tǒng)化學方法費用高周期長的缺點［18］.更進一步的研究表明，由于形成納米晶層，表面高能噴丸處理會顯著改變材料表面的擴散和冶金反應動力學特征［19］.因而可以預見，在鋼-鋁的連接中，對鋁合金進行表面高能噴丸，由于其表面氧化膜的大部分清除使得氧化物夾雜減少以及表面層擴散反應特征的改變，可能對連接接頭冶金反應和界面組織產(chǎn)生影響.而界面組織直接決定了接頭連接質量，因而有必要探明表面噴丸對接頭組織和性能的影響規(guī)律，以合理利用表面噴丸來達到改善接頭強度的目的.為此，本文將研究以TIG電弧為熱源氬氣作為保護氣體情況下，對比分析鋁母材熔焊區(qū)表面在未噴丸處理和噴丸處理后的條件下，鋁合金與鋼進行TIG熔-釬焊焊接得到的接頭組織與力學性能，探究噴丸預處理對接頭的顯微組織和力學性能的影響.

1 試 驗

試驗母材是鍍鋅鋼板和軋制態(tài)5052鋁合金板，尺寸均是80 mm×50 mm×1.5 mm，以Al-Si （6%～8%）焊絲作為釬料采用搭接的方式進行熔-釬焊；鍍鋅鋼板焊接前采用乙醇清洗表面油污和雜質，用乙醇清洗母材并吹干；焊接工藝參數(shù)為焊絲直徑1.0 mm，氬氣流量10 L/min，鎢極直徑1.6 mm，鎢極下端距離母材的高度是2.5 mm，鎢極偏離豎直方向的角度為15°～20°，送絲速度19.0 mm/s，焊接速度2.8 mm/s.鋁板的待焊區(qū)及附近表面預處理在噴丸機上進行雙面噴丸，對焊后的接頭剖面，在鋁合金一側通過金相腐蝕的方法觀測熔焊區(qū)的組織；在鋁-鋼界面，采用帶EDS 的SEM分析界面組織和反應產(chǎn)物.為測定接頭力學性能，將焊件切割為寬度15 mm的標準樣，在萬能拉伸試驗機上測定其拉剪強度，每個參數(shù)采用3個標準樣測試，取其平均值作為最后結果.采用SEM觀察拉伸斷口形貌，通過拉伸后試樣剖面金相觀察判定拉伸斷裂位置.

2 結果與分析

2.1 焊接電流的選擇

試驗前通過一系列未噴丸的對比實驗，采用單位長度所能承受的最高拉力表征接頭的拉剪強度得到接頭強度和熱輸入量的關系如表1所示.由表1可以看到，隨著焊接電流的變化，接頭的拉剪強度先增加而后減??；本試驗中材料尺寸采用90 A焊接電流獲得接頭力學性能最好.因此，采用90 A作為本次試驗的焊接電流，比較有無噴丸預處理的焊接試樣在顯微組織和力學性能上的差異.

表1 焊接電流與接頭拉剪強度的關系

2.2 焊接接頭的分析

圖1是在90 A的焊接電流下得到的焊縫宏觀形貌，可以看到，經(jīng)過噴丸預處理后焊縫鋪展更均勻，焊縫寬度有所增加，這是因為經(jīng)過表面噴丸處理后鋁母材組織細化，受熱更均勻.

圖1 焊縫的宏觀形貌

圖2為在90 A焊接電流下經(jīng)過噴丸預處理后得到的搭接接頭的宏觀形貌照片，圖3則是焊縫與鋁母材的連接界面金相圖.在該區(qū)域觀察到柱狀晶，代表熔焊界面，是明顯的鑄態(tài)組織；同時發(fā)現(xiàn)，柱狀晶界面的雜質偏聚較其他地方富集，是脆弱結合面，力學性能不夠高，因此，常常是拉伸測試微裂紋的萌發(fā)區(qū)，最終在附近區(qū)域發(fā)生斷裂.通過二者金相照片可以看出，經(jīng)過噴丸預處理后熔焊區(qū)柱狀晶晶粒尺寸減小且組織更均勻，這是由于鋁母材經(jīng)噴丸處理后組織細化受熱更均勻，而柱狀晶在未融化晶粒的基礎上形核長大，因此，鋁母材與熔焊區(qū)相鄰組織的大小直接決定了熔焊區(qū)柱狀晶的大小.同時晶界的增多可以為熱傳導和原子擴散提供更多通道，并有利于雜質的均勻分布，對于提升力學性能是有顯著作用的.

圖4是90 A電流時焊接接頭焊縫與鋼母材釬焊界面處的SEM以及線掃描能譜圖.

圖2 搭接接頭宏觀形貌

圖3 焊接接頭處熔焊區(qū)金相照片

圖4 焊接接頭界面SEM及線掃描能譜圖

從圖4可知：未噴丸預處理的接頭處界面層分布均勻性相對較差，經(jīng)過噴丸預處理的界面層分布均勻；并可以觀察到釬焊界面層實質上是擴散形成的，焊接過程中鋼母材的Fe元素向焊縫擴散，同時焊縫熔池中的Al元素也向鋼母材中擴散，擴散界面層主要靠金屬鍵和化學鍵結合，結合強度高.對二者界面層進行點掃描后發(fā)現(xiàn)，未噴丸時Fe和Al的原子分數(shù)為19.6%和80.4%，而經(jīng)過噴丸預處理后Fe和Al的原子分數(shù)為27.4%和72.6%，說明噴丸預處理后釬焊界面層Fe原子比例增加；同時對腐蝕后的焊縫進行能譜打點分析，基體為α-Al，發(fā)現(xiàn)少量的Si元素，這些Si來自于釬料偏聚在晶界處形成Al-Si脆性相，對接頭的力學性能不利.

從線掃描能譜圖可以得到經(jīng)過噴丸預處理的界面擴散層厚度約為9.5 μm，而未噴丸的界面擴散層厚度約為6.0 μm，說明表面噴丸預處理使界面擴散層的厚度增加，而鋼鋁熔-釬焊接頭的力學性能隨界面層厚度的增加先增加后減?。?0］，噴丸預處理可以優(yōu)化力學性能.

噴丸預處理對釬焊界面層存在上述影響的主要原因是噴丸引起的鋁母材晶粒細化有效減小熱阻，促進了傳熱［21-22］，有助于擴散的進行，使得界面層金屬化合物的Fe原子比例增加，擴散層的厚度也有所提升.但如果僅提高焊接電流則會由于鍍鋅層的劇烈蒸發(fā)使得電弧邊緣上翹，減小電弧與工件接觸面積，反而降低了熱輸入量［14］.

2.3 試樣力學性能和拉伸斷口分析

對試樣進行拉伸測試，圖5是拉伸試樣的宏觀斷裂位置圖像，從宏觀上觀察到兩者的斷裂位置均是熔焊區(qū)域附近.

圖5 斷裂位置

圖6是噴丸預處理后接頭鋁母材一側斷口金相圖，觀察到噴丸處理后斷裂發(fā)生在柱狀晶區(qū)，此斷裂位置所對應的焊接接頭力學性能較好，經(jīng)過噴丸預處理后的焊接接頭拉剪強度達到了238.6 N/mm，而未噴丸試樣拉剪強度為216.09 N/mm，熔焊區(qū)柱狀晶晶粒細化且分布更均勻是拉剪強度得到提高的主要原因.

圖7是試樣拉伸性能測試的斷口電子掃描圖像，可以看到，未噴丸接頭的斷口屬于脆性的解理斷口，存在明顯尺寸較小的解理平臺，接頭總體呈現(xiàn)脆性特征；噴丸后的斷口形貌呈韌窩特征，但這些韌窩也是一些細小Al-Si相脆性斷裂形成的解理平臺，并不是一般韌性材料斷裂斷口常見的韌窩，韌窩特征是由于這些脆性相的彌散均勻分布造成的.

圖6 噴丸預處理后接頭鋁母材一側斷口金相照片

圖7 斷口形貌

進一步對斷口放大觀察，如圖7（c）、（d）所示，發(fā)現(xiàn)二者斷口表面存在韌性斷裂特征的撕裂棱，比較發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噴丸預處理后的斷口撕裂棱更加明顯且數(shù)量更多，說明經(jīng)過噴丸預處理后接頭的韌性得到改善，力學性能得到了提升；韌窩底部點能譜分析顯示元素的組成是大量的Al與少量的Si（質量分數(shù)2%～6%），Si來自于釬料偏聚在晶界處形成脆性Al-Si相，韌窩底部的解理平臺正是由于該Al-Si相的脆性斷裂所致.可以看到噴丸預處理后接頭韌性增強，力學性能更好.

3 結 論

1）表面噴丸預處理可以細化鋁母材從而促進傳熱，有利于鋼與熔池金屬的相互擴散，適當增加擴散層的厚度（由6.0 μm增加到9.5 μm），并增加了釬焊界面處Fe原子比例.

2）未噴丸的接頭拉剪強度隨熱輸入量的增加先增大后減小，90 A的焊接電流得到的拉剪強度最高（216.09 N/mm）；鋁母材熔焊區(qū)表面噴丸預處理，可以使熔焊區(qū)柱狀晶晶粒細化且分布更均勻，導致接頭斷口表面的撕裂棱增加，韌性得到提升，拉剪強度達到238.6 N/mm.

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（編輯 呂雪梅）

Effect of shot-peening pre-treatment on TIG-welding braze aluminum alloy to steel

AN Qi，YUAN Xinjian，ZHANG Wenlong，ZANG Ruojin

（School of Materials Science&Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

To firmly bond aluminum with steel，TIG-welding braze of Zn-coated steel to 5052 aluminum alloy was carried out using Al-Si（6%～8%）filler.A shot-peening pre-treatment of the 5052 aluminum plate was performed to investigate its effect on the interfacial microstructure and mechanical properties of the resultant joint.It was found that the grains of fusion welding columnar crystal at the joint are uniformly distributed with the help of shot-peeing to promote the reaction between steel and welded metal.At the same time，the thickness of diffusion layer increased form 6.0 μm to 9.5 μm with shot-peening pre-treatment.Further，the mechanical properties of the surface peening significantly improved quality of jiont to achieve a joint tensileshear strength of 238.6 N/mm.

aluminum alloy；Zn-coated steel；TIG-welding brazing；shot-peening；microstructure；shear strength

TG113.26

A

1005-0299（2015）06-0077-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150614

2014-06-12.

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目（CDJZR13130040）.

安 琦（1993—），男，學士.

袁新建，E-mail：xinjianyuan@yahoo.com.