添加不同合金粉末激光熔釬焊鋁/鋼異種金屬接頭的組織與性能

， ，，

(1.天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，天水 741001；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司，烏魯木齊 830000； 3.蘭州理工大學(xué)，有色金屬合金省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

0 引 言

鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)件具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、汽車(chē)制造等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，顯示出了良好的應(yīng)用前景。鋁和鋼的固溶度小，熱物理性能差異大，在連接過(guò)程中鋁、鐵原子易生成脆性的鋁鐵金屬間化合物，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能的降低。雖然采用摩擦焊、超聲波焊、擴(kuò)散焊、冷壓焊等新型壓焊方法可獲得性能良好的焊接接頭，但是焊接件的形狀受到限制[1-3]。激光焊接具有能量密度高、熱輸入小、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(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，是理想的鋁/鋼異種金屬焊接方法。但激光焊接同樣面臨著在鋁鋼界面處易形成脆性鋁鐵金屬間化合物的問(wèn)題[6-8]。近年來(lái)，研究人員通過(guò)在鋁/鋼激光焊接過(guò)程中添加不同成分的合金粉末來(lái)改變鋁/鋼界面的元素分布和組織形態(tài)，以獲得性能良好的鋁/鋼焊接接頭[9]。

硅、鋅、錳、鎂、硼等合金元素可以改善液態(tài)鋁在鋼表面的浸潤(rùn)鋪展，抑制鋁鐵金屬間化合物的形核生長(zhǎng)，細(xì)化晶粒并形成細(xì)小的金屬間化合物，從而提高鋁/鋼接頭的性能。為了研究化學(xué)成分不同的合金粉末對(duì)激光焊接鋁/鋼接頭性能的影響，作者在鋁粉中添加了不同含量的硅、鋅、錳、鎂、硼粉，配制了五種成分的合金粉，將不同成分的合金粉涂敷在焊道表面，采用高頻橫流激光器對(duì)不等厚ST04Z鍍鋅鋼板和5A06鋁合金進(jìn)行激光熔釬對(duì)接焊，研究了焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，為激光焊接異種金屬提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為ST04Z鍍鋅鋼板，尺寸為150 mm×50 mm×1 mm，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)為0.08C，0.40Mn，≤0.40Si，0.02P，≤0.30S，≤0.15Cu，≤0.15Zn，≤0.15Ni；5A06鋁合金板，尺寸為150 mm×50 mm×2 mm，抗拉強(qiáng)度為219 MPa，其化學(xué)成分為0.40Si，0.40Fe，0.10Cu，0.60Mn，6.80Mg，0.06Ti，0.20Zn，余Al。合金粉為自制，化學(xué)成分如表1所示。鋁氣助熔劑的主要成分為KCl、NaCl、LiCl、NaF等。

采用機(jī)械打磨和化學(xué)法除去5A06鋁合金板表面的氧化膜，用丙酮去除ST04Z鍍鋅鋼板表面的油污。激光熔釬焊接過(guò)程如圖1所示。將鋁合金板和鍍鋅鋼板固定在焊接夾具上，使二者對(duì)接處位于寬1 mm的成形槽上方，中心面處于同一水平位置。將與丙酮混合均勻的鋁氣助溶劑涂敷在焊道表面，待丙酮蒸發(fā)后，再將與丙酮混合均勻的合金粉末涂在鋁氣助熔劑表面，涂敷厚度以遮蓋住鋁合金表面為宜，涂敷寬度為2～4 mm；使用GS-TFL-10K橫流CO2激光器進(jìn)行激光對(duì)接焊，焊接時(shí)激光打在鋁合金上，距鋁合金邊緣0～0.5 mm，激光波長(zhǎng)為10.6 μm，激光功率為1 500 W，焊接模式為多模，焊接速度為15 mm·s-1，散焦距離為0，輔助氣體為由CO2、N2和He組成的混合氣體，三者的體積比為1∶10∶20，保護(hù)氣體為氬氣，純度為99.99%，壓力為0.03 MPa，流量為15 L·min-1。

表1 不同合金粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of different alloypowders (mass) %

圖1 激光熔釬焊示意Fig.1 Diagram of laser fusion brazing

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 2651-2008并考慮接頭尺寸，用線切割機(jī)在焊接接頭上切割出如圖2所示的拉伸試樣，在WDW-300J型微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·s-1。用Phenom ProX型飛納臺(tái)式掃描電子顯微鏡(SEM)觀察接頭截面和拉伸斷口形貌，用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分和截面元素分布。

圖2 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and size of tensile specimen

沿焊縫中心平行于焊接方向截取試樣，通過(guò)電烙鐵將銅導(dǎo)線連接于試樣側(cè)面，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝，工作面尺寸分別為10 mm×2 mm，10 mm×1 mm；工作面經(jīng)金相砂紙粗磨，金剛石研磨膏拋光，丙酮脫脂，無(wú)水乙醇清洗后，吹干放置在干燥容器中，待用。使用PASTAT30型恒電位儀進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為試樣，試驗(yàn)溫度為室溫，腐蝕介質(zhì)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，掃描速率為50 mV·min-1。腐蝕完成后，用Phenom Prox型飛納臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察腐蝕形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

由圖3可見(jiàn)：預(yù)涂1#合金粉焊接時(shí)，接頭背面有部分鋁液向鋼側(cè)發(fā)生了鋪展；預(yù)涂2#，3#，5#合金粉焊接后，接頭背面呈現(xiàn)未焊透狀態(tài)，這應(yīng)是由于部分鎂、鋅、錳燃燒，激光反射比較嚴(yán)重而造成的；預(yù)涂4#合金粉焊接后的焊縫明顯寬于預(yù)涂其他合金粉的，且焊縫背面發(fā)生明顯的塌陷，這是由于4#合金粉中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硼粉，硼粉呈黑色，在激光焊接過(guò)程，硼粉會(huì)增大對(duì)激光的吸收，致使焊接過(guò)程的熱輸入大于預(yù)涂其他合金粉的，導(dǎo)致焊縫的塌陷。

圖3 預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭焊縫的宏觀形貌Fig.3 Weld appearance of joint welded by precoating with different alloy powders: (a) 1# alloy powder; (b) 2# alloy powder;(c) 3# alloy powder; (d) 4# alloy powder and (e) 5# alloy powder

2.2 微觀形貌和化學(xué)成分

由圖4可以看出：預(yù)涂1#，4#合金粉焊接后，焊縫中形成了金屬間化合物層，金屬間化合物向鍍鋅鋼側(cè)呈平面狀生長(zhǎng)，向鋁合金側(cè)呈針狀生長(zhǎng)；預(yù)涂2#，3#，5#合金粉焊接后，金屬間化合物呈舌形向鍍鋅鋼側(cè)生長(zhǎng)，預(yù)涂3#合金粉焊接后,近鋁合金側(cè)針狀金屬間化合物的生長(zhǎng)比較明顯，而預(yù)涂2#，5#合金粉焊接后,鋁合金側(cè)沒(méi)有明顯的針狀物生長(zhǎng)。2#合金粉富含鎂元素，5#合金粉富含鋅元素，因此推測(cè)鎂、鋅元素的添加能夠抑制針狀金屬間化合物的生長(zhǎng)。預(yù)涂1#，2#，3#，5#合金粉焊接后，金屬間化合物層的厚度分別為2～3，6～11，3～6，5～7 μm，預(yù)涂4#合金粉焊接后，金屬間化合物層的厚度為15～35 μm。4#合金粉中富含硼元素，可見(jiàn)添加硼元素會(huì)增大金屬間化合物層的厚度。

由圖5可以看出：從鍍鋅鋼側(cè)到鋁合金側(cè)，隨距離的增加，鋁元素含量增加，鐵元素含量減小，由合金粉引入的其他元素含量變化較??；金屬間化合物層中的鋁、鐵含量較穩(wěn)定，說(shuō)明在鋁/鋼界面處可能形成了某種鋁鐵金屬間化合物。

由表2可知：預(yù)涂1#合金粉焊接后，位置1和位置2處的鋁鐵原子比分別為2.37，2.87，由此可推測(cè)近鍍鋅鋼側(cè)生成的金屬間化合物為呈平面狀生長(zhǎng)的Fe2Al5，近鋁合金側(cè)生成的為針狀的FeAl3；同時(shí)近鋁合金側(cè)硅原子分?jǐn)?shù)為3.58%，由于Fe2Al5相在c軸方向存在大量空位，在焊接過(guò)程中硅原子擴(kuò)散進(jìn)入Fe2Al5晶格中占據(jù)了大量空位，降低了鋁原子向鍍鋅鋼中的擴(kuò)散速率，導(dǎo)致Fe2Al5以層狀形態(tài)向鍍鋅鋼側(cè)生長(zhǎng)。預(yù)涂2#合金粉焊接后，位置1處的鋁鐵原子比接近2.5，位置2處的接近3，說(shuō)明靠近鍍鋅鋼側(cè)呈舌形生長(zhǎng)的為Fe2Al5，靠近鋁合金側(cè)的為FeAl3。預(yù)涂3#，4#，5#合金粉焊接后，在位置1處的鋁鐵原子比分別為2.53，2.39，2.85，位置2處的分別為3.16，3.23，3.42，表明近鍍鋅鋼側(cè)的金屬間化合物為Fe2Al5，近鋁合金側(cè)的為FeAl3。

圖4 預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭的截面形貌Fig.4 Cross section morphology of the joint welded by precoating with different alloy powders: (a) 1# alloy powder; (b) 2# alloy powder;(c) 3# alloy powder; (d) 4# alloy powder and (e) 5# alloy powder

圖5 預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭截面(如圖4所示)的元素線掃描結(jié)果Fig.5 Element linear scanning results on cross section (shown in Fig.4) of the joint welded by precoating with different alloy powders:(a) 1# alloy powder; (b) 2# alloy powder; (c) 3# alloy powder; (d) 4# alloy powder and (e) 5# alloy powder

由表2還可以看出：預(yù)涂1#合金粉焊接后，在位置1和位置2處均測(cè)到一定量的硅元素，說(shuō)明界面處還形成了少量Al-Fe-Si三元化合物，這種化合物會(huì)阻礙鋁原子向鍍鋅鋼側(cè)的擴(kuò)散；預(yù)涂3#合金粉焊接后，位置2處錳的原子分?jǐn)?shù)為2.75%，說(shuō)明錳元素固溶于鋁鐵化合物中；預(yù)涂富含硼元素的4#合金粉焊接后，能譜分析儀未能檢測(cè)到硼元素，這是由于硼原子半徑極小，容易在金屬間化合物的晶界處形成偏聚。硼元素的偏聚會(huì)影響到接頭的結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)硼易于跟鋁、鐵原子生成高熔點(diǎn)化合物，導(dǎo)致形成大量的異質(zhì)形核點(diǎn)，從而細(xì)化晶粒。

表2預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭不同位置(見(jiàn)圖4)的EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù))

Tab.2EDSanalysisresultsofdifferentpositions(showninFig.4)ofthejointweldedbyprecoatingwithdifferentalloypowders(atom) %

2.3 宏觀缺陷

由圖6(a)可以看出，預(yù)涂1#合金粉焊接后，接頭表面區(qū)域出現(xiàn)了大量氣孔，接頭底部可以觀察到鋁合金向鍍鋅鋼側(cè)鋪展的現(xiàn)象。1#合金粉富含硅元素，由此可推測(cè)硅元素可以促進(jìn)鋁合金液在鍍鋅鋼上的浸潤(rùn)鋪展，這有助于鋁/鋼接頭的連接。但是硅元素的添加也使鋁/鋼接頭中產(chǎn)生了大量氣孔，影響了接頭的致密性能，這對(duì)其力學(xué)性能不利。這些氣孔是由于焊接過(guò)程中鍍鋅層受熱蒸發(fā)造成的。

由圖6(b)可以看出，預(yù)涂4#合金粉焊接后，接頭位置B處產(chǎn)生了裂紋。4#合金粉富含硼元素，硼元素的添加不能有效抑制金屬間化合物的生長(zhǎng)且增大了激光焊接時(shí)的熱輸入，熱輸入的增大使焊縫與熱影響區(qū)的寬度增大，開(kāi)裂敏感性增強(qiáng)。

2.4 拉伸性能

在拉伸過(guò)程中，接頭均在焊縫處斷裂。由圖7可知：預(yù)涂1#合金粉焊接后接頭的抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到130 MPa，為5A06鋁合金的60%；預(yù)涂2#，3#，5#合金粉焊接后接頭的抗拉強(qiáng)度分別為110，97，89 MPa。

圖7 5A06鋁合金和預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of 5A06 aluminum alloy and the joint welded by precoating with different alloy powders

2.5 斷口形貌

預(yù)涂不同合金粉焊接后,接頭的拉伸斷口形貌相似，以預(yù)涂3#合金粉焊接的為例進(jìn)行說(shuō)明。由圖8可見(jiàn)，斷口上存在不同尺寸的韌窩，接頭發(fā)生了以韌性斷裂為主，脆性斷裂為輔的混合斷裂。

圖8 預(yù)涂3#合金粉焊接后接頭的拉伸斷口形貌Fig.8 Tensile fracture morphology of the joint welded by precoating with 3# alloy powder

2.6 耐腐蝕性能

由圖9和表3可知：預(yù)涂3#合金粉焊接后接頭的自腐蝕電流最小，耐腐蝕性能最好；分別預(yù)涂2#，1#，5#合金粉焊接后，接頭的耐腐蝕性能依次降低。

圖9 預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭的極化曲線Fig.9 Polarization curves of the joint welded by precoating with different alloy powders

由圖10可以看出：接頭中金屬間化合物層與鋁合金界面處的腐蝕現(xiàn)象比較明顯，而與鍍鋅鋼界面處的不太明顯。這是由于在焊接過(guò)程中，鋁合金發(fā)生熔化，在凝固過(guò)程中出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷。預(yù)涂1#，2#合金粉焊接后，腐蝕主要發(fā)生在氣孔等缺陷區(qū)域，預(yù)涂3#，5#合金粉焊接后，腐蝕主要發(fā)生在熔合區(qū)金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成的微縫隙處。

圖10 預(yù)涂不同合金粉焊接后接頭截面的腐蝕形貌Fig.10 Cross sectional corrosion morphology of the joint welded by precoating with different alloy powders

3 結(jié) 論

(1) 預(yù)涂分別富含硅、鎂、錳、硼、鋅的不同合金粉焊接后，鋁/鋼焊接接頭界面處形成了不同厚度的金屬間化合物層，近鍍鋅鋼側(cè)形成的金屬間化合物主要為Fe2Al5，近鋁合金側(cè)形成的主要為FeAl3；預(yù)涂富含硼的4#合金粉得到的金屬間化合物層最厚，硼元素不能有效抑制金屬間化合物的生長(zhǎng)；預(yù)涂富含鎂、鋅的2#，5#合金粉后，鋁合金側(cè)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的針狀金屬間化合物，鎂、鋅元素的添加能夠抑制針狀金屬間化合物的生長(zhǎng)。

(2) 預(yù)涂不同合金粉焊接后，接頭均在焊縫處發(fā)生以韌性斷裂為主，脆性斷裂為輔的混合斷裂；預(yù)涂富含硅的1#合金粉后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最大。

(3) 預(yù)涂富含錳的3#合金粉焊接后，接頭的耐腐蝕性能最好，預(yù)涂富含鎂、硅、鋅的2#，1#，5#合金粉焊接后，接頭的耐腐蝕性能依次降低；腐蝕易發(fā)生在金屬間化合物層與鋁合金界面處。

參考文獻(xiàn):

[1] 宋建嶺, 林三寶, 楊春利，等. 鋁與鋼異種金屬電弧熔-釬焊研究與發(fā)展[J]. 焊接,2008(6): 6-9.

[2] 楊陽(yáng), 石巖. 鋁和鋼異種金屬焊接發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 21(2):21-25.

[3] TSUJINO J, HIDAI K, HASEGAWA A, et al. Ultrasonic butt welding of aluminum, aluminum alloy and stainless steel plate specimens[J]. Ultrasonics, 2002, 40: 371-374.

[4] XU P. Microstructure characterization of Ti-6A1-4V titanium laser weld and its deformation [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(9): 2118-2123.

[5] 王濤, 周惦武, 彭艷, 等. 鋼/鋁異種金屬預(yù)置Si粉的光纖激光焊接[J]. 中國(guó)激光, 2012, 39(3): 0303009.

[6] 石玗,何翠翠,黃健康,等. 鋁鋼焊接界面金屬間化合物形成的熱力學(xué)分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(4):5-7.

[7] 彭利，周惦武，徐少華，等. 鍍鑄鋼-6016鋁合金激光焊接組織性能與第一性原理計(jì)算[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2012,22(1)：230-237.

[8] 張麗娟，周惦武，劉金水，等.鋼/鋁異種金屬添加粉末的激光焊接[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2013,23(12):3401-3409.

[9] MATHIEU A,SHAHADI R, DESCHAMPS A. Dissimilar material joining using laser (aluminum to steel using zinc-based filler wire)[J]. Optics and Laser Technology,2007,39(3):652-661.