焊后熱處理對(duì)鋁/鋼焊接接頭組織和顯微硬度的影響

靳全勝 ，李 杰 ，2

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安 710089；2.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

當(dāng)前，部分汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中以鋁替鋼是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化制造的重要途徑之一，鋁/鋼異種金屬焊接接頭在汽車制造中的應(yīng)用將越來(lái)越普遍。為了得到力學(xué)性能優(yōu)良的鋁/鋼連接接頭，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采取不同的焊接方法進(jìn)行鋁/鋼異種金屬的連接，幾乎涉及到所有的焊接方法，如電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊、爆炸焊和激光+MIG復(fù)合焊等[1-3]。另一方面，學(xué)者們還探索了填充金屬和預(yù)置金屬粉末的合金成分對(duì)焊接接頭機(jī)械性能及焊縫成形的影響[4-5]。焊后熱處理工藝能改變焊接接頭的微觀組織和使用性能，目前關(guān)于焊后熱處理工藝對(duì)鋁/鋼焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能影響的報(bào)道較少，因此有必要對(duì)相關(guān)內(nèi)容開(kāi)展一些研究。

本研究選用脈沖旁路耦合電弧熔釬焊實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種金屬的搭接焊。分別在270℃和350℃對(duì)焊接接頭進(jìn)行退火熱處理，保溫時(shí)間均為2 h。采用掃描電鏡分析熱處理前后焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織，并借助英國(guó)牛津INCA能譜儀測(cè)試焊后熱處理過(guò)程中鋁/鋼焊接接頭中合金元素的擴(kuò)散情況。使用顯微硬度測(cè)試儀測(cè)定熱處理前后鋁/鋼焊接接頭各部分組織的硬度，分析焊后熱處理工藝對(duì)硬度的影響機(jī)理。這些探索對(duì)優(yōu)化鋁/鋼異種金屬連接工藝，獲得各項(xiàng)性能良好的鋁/鋼焊接接頭具有重要的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種金屬的搭接焊。該焊接方法的焊接總電流由主路電流和旁路電流兩部分組成，主路電流為流進(jìn)工件的電流。焊接過(guò)程中通過(guò)調(diào)整旁路電流的大小來(lái)改變流進(jìn)工件的電流進(jìn)而達(dá)到對(duì)工件熱輸入的準(zhǔn)確調(diào)控[6-7]。本研究焊接總平均電流為64 A，平均旁路電流30 A，平均主路電流34 A。試驗(yàn)用母材為1060鋁板和Q235鍍鋅鋼板，規(guī)格均為200mm×80mm×1mm。焊接過(guò)程中用Ar作為保護(hù)氣，焊接速度0.8 m/min，填充焊絲為φ1.2 mm的ER4043鋁合金焊絲，焊絲化學(xué)成分如表1所示。在上述焊接工藝參數(shù)下獲得的鋁/鋼焊縫形貌如圖1所示。

沿著垂直于焊縫的方向截取20 mm×10 mm的試驗(yàn)試樣，分別用 100Cw、300Cw、800Cw、1500 Cw、2 000 Cw的金相砂紙對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)磨，隨后用金剛石研磨膏對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理。在分析試樣微觀組織前，對(duì)試樣拋光面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，用5%HF溶液腐蝕焊縫金屬及鋁母材，用5%硝酸酒精溶液腐蝕鍍鋅鋼。

將鋁/鋼焊接接頭置于真空管式爐中進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度分別為270℃、350℃，保溫時(shí)間2 h。選用掃描電鏡和能譜儀分析焊接接頭熱處理前后的微觀組織和重要合金成分的分布情況，用顯微硬度測(cè)試儀測(cè)試焊接接頭熱處理前后各部分組織的硬度。

表1 ER4043鋁合金焊絲的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of ER4043 %

圖1 鋁/鋼焊接接頭焊縫形貌Fig.1 Weld appearance of aluminum and steel welding joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭組織

鋁/鋼焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。結(jié)合已有研究[8]發(fā)現(xiàn)，鋁/鋼焊接接頭主要包括鋁熔合區(qū)、焊縫金屬、界面反應(yīng)層、鍍鋅鋼板和焊趾區(qū)5個(gè)部分。鋁/鋼焊接接頭界面反應(yīng)區(qū)為一層厚約10 μm的Al-Fe金屬間化合物，該金屬間化合物層由鄰近鋼母材的平齊Fe2Al5和鄰近焊縫金屬的枝晶狀金屬間化合物FeAl3組成。焊接接頭焊趾區(qū)焊縫金屬的組織為Al-Zn固溶體，鋁/鋼焊接接頭鋼母材為鍍鋅鋼板，由于鋅的沸點(diǎn)較低，在高溫電弧的作用下電弧正下方一定范圍內(nèi)的鋅會(huì)迅速蒸發(fā)，但是焊趾位置的焊接溫度較低，金屬鋅幾乎不發(fā)生蒸發(fā)，熔化的金屬鋅與液態(tài)鋁混合凝固后最終形成Al-Zn固溶體；焊趾區(qū)界面反應(yīng)層的組織為金屬間化合物Fe2Al5Zn0.4。鋁/鋼焊接時(shí)的填充金屬為Al-Si金屬絲，由Al-Si二元相圖和圖2可知，焊接凝固后在焊縫中形成了灰色的基體組織α-Al和沿著晶界分布的白色條狀組織Al-Si共晶體。

2.2 焊后熱處理對(duì)焊接接頭微觀組織的影響

對(duì)比未熱處理、270℃熱處理2 h后焊縫金屬中重要合金成分的分布情況，如圖3所示。未熱處理焊接接頭面掃描圖片顯示，焊縫金屬中存在少量Fe原子，即焊接過(guò)程中鍍鋅鋼中的Fe原子通過(guò)界面反應(yīng)層擴(kuò)散進(jìn)入焊縫金屬中，同時(shí)Fe原子還有輕微的偏聚現(xiàn)象；但鍍鋅鋼一側(cè)未檢測(cè)到Al原子，這表明焊縫金屬中的Al原子向鍍鋅鋼一側(cè)幾乎沒(méi)有擴(kuò)散，這是由于焊接過(guò)程中鐵為固態(tài)，焊縫金屬中的Al原子向固態(tài)鐵中的擴(kuò)散速度較慢造成的。由于Fe原子向焊縫金屬中大量擴(kuò)散，最終在焊接接頭連接面上形成了一個(gè)Al、Fe原子過(guò)渡層，該過(guò)渡層的組織即為Al-Fe金屬間化合物。對(duì)比退火前后的面掃描圖片發(fā)現(xiàn)，未熱處理時(shí)焊縫金屬中各合金元素的聚集現(xiàn)象明顯，特別是合金元素Si在熱處理前后的變化更加顯著。未熱處理時(shí)焊縫金屬中的大量Si原子沿著Al-Si共晶體分布，同時(shí)在鋁/鋼連接界面上Si原子也有一定的富集現(xiàn)象。熱處理后焊縫金屬中和鋁/鋼連接界面上合金元素Si的分布變得較為均勻，這是因?yàn)樵跓崽幚磉^(guò)程中合金元素Si產(chǎn)生了體擴(kuò)散。

本研究還探索了270℃焊后熱處理前后鋁/鋼焊接接頭焊趾區(qū)合金元素的擴(kuò)散情況，面掃描結(jié)果如圖4所示。通過(guò)對(duì)熱處理前后鋁/鋼焊接接頭焊趾區(qū)進(jìn)行面掃描發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域分布有大量的合金元素Zn，這證實(shí)了合金元素Zn在焊趾區(qū)有顯著的富集現(xiàn)象。對(duì)比熱處理前后鋁/鋼焊接接頭富鋅區(qū)合金元素的分布情況發(fā)現(xiàn)，熱處理前焊趾區(qū)的Zn原子有一定的偏聚現(xiàn)象，熱處理后其Zn原子的分布變得比較均勻，表明熱處理過(guò)程中焊趾區(qū)Zn原子也發(fā)生了體擴(kuò)散。

圖2 鋁/鋼焊接接頭微觀組織Fig.2 Microstructures of aluminum and steel weldingbrazing

圖3 焊接接頭熱處理前后界面反應(yīng)層附近合金元素分布Fig.3 Distribution of alloying elements near the interface reaction layer of welding-joint before and after heat treatment

為了深入探討熱處理溫度對(duì)鋁/鋼焊接接頭微觀組織的影響，在350℃下對(duì)焊接接頭進(jìn)行了焊后熱處理，保溫時(shí)間2h。未熱處理、350℃熱處理后焊接接頭中各重要合金元素的分布情況如圖5所示。對(duì)比熱處理前后面掃描圖片發(fā)現(xiàn)，熱處理前，鋁/鋼焊接接頭中的合金元素Si在焊縫金屬及界面連接層中有明顯的富集；熱處理后，Si原子在焊縫金屬中的分布變均勻，其沿著晶界分布的特征不太顯著，這表明熱處理過(guò)程中焊縫金屬中的Si原子產(chǎn)生了均勻化擴(kuò)散。此外，試驗(yàn)結(jié)果還證實(shí)350℃熱處理后鋁/鋼焊接接頭的焊縫金屬中出現(xiàn)了更多Fe原子，這是由于Fe原子向焊縫金屬中發(fā)生擴(kuò)散引起的。

未熱處理、350℃熱處理后鋁/鋼焊接接頭焊趾區(qū)各重要合金元素的分布如圖6所示。對(duì)未熱處理、350℃熱處理后焊接接頭焊趾區(qū)進(jìn)行面掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未熱處理焊接接頭焊趾區(qū)界面連接處形成的化合物Fe2Al5Zn0.4的厚度很薄，而熱處理后焊趾區(qū)界面連接處化合物Fe2Al5Zn0.4的厚度達(dá)到25 μm，這是因?yàn)樵?50℃退火過(guò)程中焊趾區(qū)的Al、Zn原子向界面連接層發(fā)生了大量擴(kuò)散，在界面連接層處Al、Zn、Fe原子發(fā)生反應(yīng)生成金屬間化合物Fe2Al5Zn0.4。

圖4 鋁/鋼焊接接頭熱處理前后焊趾區(qū)合金元素分布Fig.4 Distribution of alloying elements in welding toe area of aluminum and steel welding-joint before and after heat treatment

圖5 焊接接頭熱處理前后界面反應(yīng)層附近合金元素分布Fig.5 Distribution of alloying elements near the interface reaction layer of aluminum and steel welding-joint before and after heat treatment

2.3 退火熱處理對(duì)焊接接頭各部分組織硬度的影響

以上研究證實(shí)，焊后熱處理和熱處理溫度的高低對(duì)鋁/鋼焊接接頭焊縫金屬中部分合金元素的分布有明顯影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索焊后熱處理及熱處理溫度對(duì)鋁/鋼焊接接頭各部分組織硬度的影響。未熱處理、270℃熱處理、350℃熱處理后焊接接頭鋁熱影響區(qū)附近、界面連接層附近、焊趾區(qū)附近組織的硬度如圖7所示。

圖6 鋁/鋼焊接接頭熱處理前后焊趾區(qū)合金元素分布Fig.6 Distribution of alloying elements in welding toe area of aluminum and steel welding-brazing before and after heat treatment

圖7 焊接接頭不同區(qū)域顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution in different regions of welded joints

圖7a為未熱處理、270℃熱處理、350℃熱處理后焊接接頭鋁熔合區(qū)附近組織的硬度。結(jié)果表明，未熱處理焊接接頭鋁熱影響區(qū)及焊縫金屬的硬度高于退火后的硬度，這證明焊后熱處理使得鋁熱影響區(qū)及焊縫金屬組織產(chǎn)生了一定程度的軟化。另一方面，對(duì)比未熱處理、270℃熱處理和350℃熱處理后焊縫金屬顯微硬度的變化發(fā)現(xiàn)，270℃熱處理后焊縫金屬硬度的變化幅度較小，未熱處理和350℃熱處理后焊縫金屬的硬度均有較大幅度的變化。這是因?yàn)楹附邮且粋€(gè)快速熔化及快速凝固的過(guò)程，凝固結(jié)晶過(guò)程中焊縫金屬中的合金元素進(jìn)行擴(kuò)散的時(shí)間很短，各合金元素未進(jìn)行充分的擴(kuò)散，凝固結(jié)晶后的焊縫組織存在固溶強(qiáng)化效應(yīng)，因此未退火焊接接頭焊縫金屬的硬度較高且分布不均勻。270℃退火熱處理時(shí)，焊縫金屬中的合金元素進(jìn)行了均勻化擴(kuò)散，導(dǎo)致焊縫金屬固溶強(qiáng)化的效果減弱，因此焊縫金屬的硬度有所降低且分布均勻。350℃退火熱處理時(shí)，一方面焊縫金屬中的合金元素進(jìn)行了均勻化擴(kuò)散，使得焊縫金屬固溶強(qiáng)化的效果減弱；另一方面，在該溫度下焊縫金屬中的少量鋁鐵原子發(fā)生反應(yīng)生成Al-Fe金屬間化合物。因此其焊縫金屬的顯微硬度與未退火相比有所降低，但由于生成少量Al-Fe金屬間化合物的緣故，其焊縫金屬顯微硬度的分布不均勻。綜上所述，在270℃熱處理時(shí)，鋁/鋼焊接接頭焊縫金屬硬度的分布較均勻，因此其力學(xué)性能較好，在使用過(guò)程中不易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖7b為未熱處理、270℃熱處理、350℃熱處理后焊接接頭界面反應(yīng)層附近組織的硬度。研究表明未熱處理焊接接頭鍍鋅鋼一側(cè)組織的硬度顯著高于熱處理后組織的硬度。對(duì)比兩種熱處理溫度下焊接接頭鍍鋅鋼側(cè)組織硬度發(fā)現(xiàn)，兩種熱處理溫度下鋼側(cè)組織顯微硬度的差異很小，即熱處理溫度對(duì)鍍鋅鋼側(cè)組織硬度的影響較小。

圖7c為未熱處理、270℃熱處理、350℃熱處理后鋁/鋼焊接接頭焊趾區(qū)的硬度，對(duì)該區(qū)域的顯微硬度沿AB直線進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：越接近A點(diǎn)組織硬度越高，越接近B點(diǎn)組織硬度越低。這是由于焊趾區(qū)是合金元素鋅的富集區(qū)，該部分組織主要為α-Al和Al-Zn固溶體，越接近A點(diǎn)其焊接電弧溫度越低，焊接時(shí)該區(qū)域鍍鋅鋼表面的鋅蒸發(fā)得越少，因此焊后將有更多的鋅留在焊縫金屬中，在該區(qū)域有利于形成固溶度較高的Al-Zn固溶體，其顯微硬度較高。對(duì)比退火前后焊趾區(qū)組織硬度發(fā)現(xiàn)，270℃熱處理后焊趾區(qū)組織的硬度與熱處理前相差不大，這是因?yàn)楫?dāng)熱處理溫度較低時(shí)，焊趾區(qū)合金元素的擴(kuò)散速度小，因此熱處理前后焊趾區(qū)組織的硬度無(wú)明顯的變化。350℃焊后熱處理后，焊接接頭焊趾區(qū)組織的硬度與未熱處理時(shí)相比其硬度顯著變大，且AB兩點(diǎn)顯微硬度的差值也明顯變大，這將導(dǎo)致焊接接頭在使用過(guò)程中極容易在該區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了焊接接頭的力學(xué)性能。這是由于350℃熱處理時(shí)，該部分組織的合金元素發(fā)生了快速擴(kuò)散，以α-Al形式存在的部分Al原子通過(guò)快速擴(kuò)散形成了Al含量更高的Al-Zn固溶體，進(jìn)而使該部分組織固溶強(qiáng)化的效果更顯著，同時(shí)在該區(qū)域生成的金屬間化合物Fe2Al5Zn0.4顯著提高了焊趾區(qū)組織的硬度。

3 結(jié)論

（1）焊后熱處理使鋁/鋼焊接接頭中的Si原子發(fā)生了均勻化擴(kuò)散，350℃退火熱處理時(shí)鍍鋅鋼一側(cè)的鐵原子向焊縫金屬中發(fā)生了擴(kuò)散。

（2）350℃熱處理后，焊接接頭焊趾區(qū)形成了一層厚約25 μm的金屬間化合物Fe2Al5Zn0.4。

（3）270℃熱處理后，焊接接頭焊縫金屬組織的硬度分布均勻，焊趾區(qū)組織硬度與未熱處理時(shí)相比變化較小，這有利于避免焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力集中、提高焊接接頭的力學(xué)性能。