DP590雙相鋼/6061鋁合金激光熔釬焊工藝特性研究

鄧楓昱 ，檀財旺 ，，孟圣昊 ，李國新 ，趙洪運 ，馮吉才

（1.哈爾濱工業(yè)大學（威海）山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海 264209；2.哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；3.昆山寶錦激光拼焊有限公司，寶錦激光-哈工大先進焊接與連接技術聯合研發(fā)中心，江蘇昆山215324）

DP590雙相鋼/6061鋁合金激光熔釬焊工藝特性研究

鄧楓昱 1，檀財旺 1，2，孟圣昊 1，李國新 3，趙洪運 1，馮吉才 2

（1.哈爾濱工業(yè)大學（威海）山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海 264209；2.哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；3.昆山寶錦激光拼焊有限公司，寶錦激光-哈工大先進焊接與連接技術聯合研發(fā)中心，江蘇昆山215324）

采用1.2 mm厚雙相冷軋鋼板DP590、1.5 mm厚鋁合金6061和藥芯焊絲Zn-2%Al進行了鋁/鋼光纖激光熔釬焊接特性研究，分析了對接間隙和光束偏移量對接頭顯微組織和力學性能的影響。結果表明，不開坡口，采用間隙1 mm、光束零偏移，或采用間隙0.75 mm、光束向鋁側偏移小于1.2 mm，都可獲得強度較高的接頭，最大抗拉強度可達275.7 MPa，達到鋁母材強度的88.37%,斷裂于鋁母材熱影響區(qū)。激光光束偏向鋁側1.2 mm以內，獲得的接頭強度均在220 MPa以上。本實驗中最佳接頭界面化合物層厚度在1 μm以下。

鋁/鋼接頭；激光熔釬焊；工藝特性；力學性能

0 前言

鋁/鋼異種材料結構質量輕、強度高，具有良好的導熱導電性能和良好的經濟效益，在汽車制造、航空航天、船舶等領域具有良好的應用前景。順應節(jié)能減排的趨勢，全球的汽車制造業(yè)將目光投向輕量化制造以減少燃油消耗，將車身部分金屬替換為密度較小的鋁合金、鎂合金[1]。數據顯示，先進高強鋼在整車用材中的比重很高，而其中雙相鋼的比例更高[2]，因此，在制造領域鋁合金和雙相鋼的焊接問題備受關注。然而鋁合金和鋼的物理化學性質差異較大，焊接困難較大，加熱時界面容易產生脆性金屬間化合物，厚度較難控制，容易導致接頭強度不足[3-7]。熔焊是工業(yè)上廣泛采用的焊接方式，但傳統的熔焊方式容易使鋁/鋼接頭界面生成較厚的化合物，難以保證接頭質量。

近年來，激光熔釬焊由于其精確的熱輸入控制能力而備受關注，研究者們?yōu)楦纳平宇^性能進行了大量研究，包括填絲、填粉、添加鍍層、開坡口、改變保護氣成分等一系列方法，獲得了豐富成果[1，8-10]，但在實際應用方面，激光熔釬焊由于其潤濕鋪展困難、穩(wěn)定性欠佳等問題未被廣泛應用[11]。為有效改善鋁/鋼異種金屬接頭的力學性能，幫助提高工業(yè)生產質量與效率，本研究通過更貼近實際工業(yè)生產的方式進行了薄板激光熔釬焊對接實驗，采用不開坡口預留間隙和設置激光束偏移量兩種簡單易行的方法改善了鋁/鋼激光熔釬焊對接接頭的性能，獲得了力學性能較強的接頭，并揭示了工藝參數對接頭界面組織和力學性能的影響規(guī)律。

1 實驗材料和方法

實驗選用的母材為雙向冷軋鋼板DP590，尺寸為 1.2 mm×50 mm×100 mm，鋁合金 6061，尺寸為1.5 mm×50 mm×100 mm，化學成分如表1和表2所示；焊絲為藥芯焊絲Zn-2%Al，直徑1.6 mm，具有較好的焊接工藝性能，穩(wěn)定性強，焊縫成形較好，形成的接頭強度較高。藥芯焊絲Zn-2%Al中釬劑為CsAlF4，釬劑質量百分比為20.8%，合金元素含量如表3所示。

表1 DP590成分（1.2 mm×50 mm×100 mm）%

表2 鋁合金6061（1.5 mm×50 mm×100 mm）成分%

表3 藥芯焊絲Zn-2%Al合金元素含量%

光纖激光填絲熔釬焊過程如圖1所示。采用IPG YLS-6000型6.0kW光纖激光器，六軸KUKA數控系統及平面工作臺。實驗中使用圓形光斑，聚焦直徑為0.2 mm。試件均不開坡口，焊絲從激光光束前方自動送入，氬氣在其后方進行保護。

圖1 激光填絲熔釬焊示意

實驗參數為：功率1 500 W，正離焦量30 mm，焊接速度0.3 m/min，送絲速度2.4 m/min，保護氣（純Ar）流量15 L/min，如表4所示。主要研究參數為間隙大小和光束偏移量，如表5、表6所示。光束與焊絲始終對中，一同移動；規(guī)定光束偏向鋼側為負，偏向鋁側為正，如圖2所示。

表4 固定的工藝參數

表5 間隙實驗參數

表6 偏移量實驗參數

圖2 光斑偏移量示意

焊后采用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）等觀察與分析接頭宏觀成形和微觀組織；采用CSS-3910電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min。試樣拉斷后，采用掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌。

2 結果及分析

2.1 間隙大小對接頭特性的影響

不同間隙大小的宏觀焊縫成形形貌如圖3所示。焊接過程較為穩(wěn)定，焊縫成形連續(xù)且較為細膩。這是由于鋅基焊絲熔點較低，流動性強，熔化后形成的潤濕角較小，鋪展性較好，焊絲的熔滴容易在鋼和鋁合金的表面鋪展。當零間隙時，凝固時形成絲并未下淌；小間隙下的焊縫背面鋪展呈現鋸齒狀，焊趾處出現波動；隨著間隙的增大，接頭潤濕鋪展情況逐漸改善，呈現連續(xù)穩(wěn)定的焊縫成形。

圖3 不同間隙下宏觀焊縫成形形貌

不同間隙下的接頭力學性能見圖4，隨著間隙增大，力學性能逐漸升高。當間隙為0 mm、0.5 mm、0.75 mm時，接頭斷裂于焊縫，呈現脆性斷裂；當間隙達到1 mm時，接頭強度達到258.6 MPa，為鋁母材強度的82.88%；接頭斷裂于鋁母材熱影響區(qū)，呈現韌性斷裂，斷裂路徑如圖5所示。

圖4 不同間隙下接頭力學性能

圖5 1 mm間隙時的接頭斷裂路徑

2.2 光束偏移量對接頭特性的影響

2.2.1 光束偏移量對界面化合物的影響

0.75 mm間隙更能體現光斑偏移量給接頭特性帶來的影響，故采用0.75mm間隙研究光斑偏移量。不同偏移量下的宏觀焊縫形貌如圖6所示。

圖6 偏移量實驗焊縫成形狀況

光斑偏向鋼側時，焊縫背面鋪展呈現鋸齒狀，焊趾處出現波動；隨著光斑逐漸向鋁側移動，焊縫成形逐漸趨于連續(xù)穩(wěn)定；當光斑偏向鋁側1.2mm時，由于偏移量過大，焊絲熔化后下淌不良，焊縫成形變差。

接頭宏觀截面形貌和微觀形貌如圖7所示。由于藥芯焊絲Zn-2%Al的鋅含量比例很高，熔點較低，低功率（1 500 W）下就能形成良好接頭，鋁合金側的熔焊接頭并不明顯；由于焊絲中鋅的蒸氣壓很高，使得焊接過程中鋅部分蒸發(fā)成氣體而來不及逸出，留存在焊縫中形成微小氣孔[12]，但接頭力學性能測試結果表明，氣孔的存在并未明顯降低焊縫性能。

圖7 偏移量實驗接頭截面形貌及不同區(qū)域SEM圖像

圖7所示位置的EDS分析結果及其可能相如表7所示。在激光光束偏向鋼側0.3 mm時，上界面（d）化合物層約 7～8 μm，緊貼鋼側的界面組織（P2）包括的主要元素有 w（Al）=60.69%，w（Fe）=18.79%，w（Zn）=20.52%，呈枝晶狀，推測為脆性三元化合物Fe2Al5-Znx；靠近焊縫的界面組織（P1）包括的主要元素有 w（Al）=62.25%，w（Fe）=20.87%，w（Zn）=16.88%，呈絮狀，推測為脆性三元化合物Fe3Al14-Znx[14]，與Fe2Al5-Znx連成一片，在SEM圖像中不易區(qū)分。這兩種三元化合物是由焊絲中的Zn在界面區(qū)溶解，與Fe2Al5和Fe3Al14反應生成的。研究表明，Zn與鐵鋁二元化合物的反應會降低化合物體系能量，更加穩(wěn)定[13]。

表7 圖7所示位置的EDS分析結果及其可能相

在激光光束偏移量為0時，上界面化合物層（g）厚度減小至3～5 μm，其相成分與前方相似，界面附近有連續(xù)的滴狀氣孔[12]（P5）。

在激光光束偏向鋁側0.6 mm時，上界面化合物層（j）厚度在1 μm以下，界面附近存在少量細小分散的氣孔，這些氣孔在細小且分散的狀態(tài)下并未降低接頭的力學性能。

下界面化合物層（f，i，l）的變化規(guī)律與上界面化合物層（d，g，j）相似，但由于熱量分配比上界面少，導致下界面化合物層比上界面??；而中界面化合物層（e，h，k）始終近似為零。

焊縫位置中，淺色島狀富鋅相即鋅鋁固溶體[15]（P3），其含鋅量為90%～100%，分布于島狀富鋅相之間的層片狀組織為鋅鋁共晶體（P4），其含鋅量為50%～90%。

由圖8可知，線掃2號線界面處的元素富集區(qū)域明顯窄于線掃1號線，而線掃3號線界面處元素富集趨勢不明顯。隨著光斑偏向鋁側，界面層元素富集趨勢越來越弱。分析認為，隨著激光光束逐步遠離鋼側，熱量分配的降低使鐵元素的擴散速率減緩，擴散量明顯減少，上界面反應層厚度由7～8 μm（由枝晶狀脆性三元化合物Fe2Al5-Znx和絮狀Fe3Al14-Znx組成[12]）逐步減小到1μm以下，光束偏移有效控制了界面脆性化合物的厚度，顯著提高接頭性能。

圖8 圖7所示的EDS線掃結果

2.2.2 光束偏移量對力學性能的影響

光束偏移量對接頭力學性能的影響如圖9所示，由圖9可知，接頭強度對偏移量參數有較大的敏感性，激光光束偏向鋁側1.2 mm以內，獲得的接頭強度均大于220 MPa。當激光光束偏向鋼側至0.6 mm，偏向鋁側至1.5 mm時，接頭自行斷裂，未形成有效連接；當光斑偏向鋁側至0.6 mm時，接頭在拉伸測試時斷裂于鋁母材熱影響區(qū)，為韌性斷裂，強度達到275.7 MPa，為鋁母材強度的88.37%；其余接頭皆斷裂于焊縫或接頭界面處，為脆性斷裂。

圖9 光斑偏移量對力學性能的影響

圖10為偏移量為-0.3 mm，0 mm，+0.6 mm的斷口及斷裂路徑。偏移量為-0.3 mm時，接頭斷裂于靠近界面的焊縫中，斷口主要為鋅鋁固溶體和鋅鋁共晶體，呈脆性斷裂；偏移量為0 mm時，接頭斷裂于接頭界面處，呈脆性斷裂；偏移量為+0.6 mm時，接頭斷裂于鋁母材熱影響區(qū)，呈韌性斷裂，接頭界面不再是接頭最薄弱的部分。0 mm接頭強度優(yōu)于-0.3 mm的主要原因是接頭成形的改善；而+0.6 mm接頭強度的顯著改善是其界面化合物層較薄和焊縫成形優(yōu)良的綜合效果。

圖10 斷裂路徑及斷口圖像

3 結論

（1）本實驗中，不開坡口預留1 mm間隙即可使1.2 mm厚雙相冷軋鋼板和DP590/1.5 mm厚鋁合金6061對接激光熔釬焊接頭強度達到258.6 MPa，為鋁母材強度的82.88%。藥芯焊絲Zn-2%Al潤濕鋪展性強，可在較低功率下獲得連續(xù)穩(wěn)定的焊縫成形和良好的接頭強度。

（2）接頭強度對激光光束偏移量較為敏感，光束偏向鋼側時容易導致界面化合物層較厚，接頭強度較低；在一定范圍內，光束偏向鋁側時更易獲得良好的焊縫成形和較薄的界面化合物層，光束偏向鋁側0.6 mm時接頭強度高達275.7 MPa，達到鋁母材強度的88.37%。

（3）接頭界面化合物主要由靠近鋼側的枝晶狀三元化合物Fe2Al5-Znx和靠近焊縫側的絮狀三元化合物Fe3Al14-Znx組成，其厚度隨著光束逐漸向鋁側偏移而降低，本實驗中最佳接頭的界面化合物厚度低于1 μm。

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Laser welding-brazing characteristics of dual-phase steel DP590/Al alloy 6061

DENG Fengyu1，TAN Caiwang1，2，MENG Shenghao1，LI Guoxin3，ZHAO Hongyun1，Feng Jicai2
（1.Shandong Provincial Laboratory of Special Welding Technology，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China；2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；3.Kunshan Baojin Laser Welding Co.，Ltd.，Kunshan 215324，China）

Fiber laser welding-brazing of 1.2 mm-thick cold-rolled dual-phase steel DP590 and 1.5 mm-thick Al alloy 6061 with fluxcored wire Zn-2%Al was performed in butt configuration.Effects of welding parameters such as bridge gap and laser beam offset on the microstructure and properties of joints were investigated.The results indicated that the suitable process parameters were the bridge gap of 1mm with no offset of laser beam and bridge gap of 0.75 mm with offset toward Al alloy within 1.2 mm.The maximum tensile strength could reach 275.7 MPa，88.37%of that of the base metal Al alloy.Fracture location was in heat affected zone of Al alloy in this case.The tensile strength could always surpass 220 MPa with offset toward Al alloy within 1.2 mm.And the thick of the intermetallic of best joints in this research was below 1μm.

Al-steel joint；laser welding-brazing；welding characteristics；mechanical properties

TG456.7

A

1001-2303（2017）09-0012-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.03

本文參考文獻引用格式：鄧楓昱，檀財旺，孟圣昊，等.DP590雙相鋼/6061鋁合金激光熔釬焊工藝特性研究[J].電焊機，2017，47（09）：12-17.

2017-05-16

國家自然科學基金資助項目（51504074）；昆山市科技計劃（訂制儲備一批科技成果KD1050）

鄧楓昱（1995—），女，學士，主要從事鋁鋼異種材料激光焊接的研究工作。E-mail：15933281069@163.com。