鋼/鋁異種金屬激光深熔釬焊接頭特性

蔡鵬飛, 陳 強, 陳樹海

(1. 航天長屏科技有限公司, 北京 100192;2. 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083)

為了滿足結(jié)構(gòu)功能一體化、輕量化和低成本設(shè)計與制造的發(fā)展要求,綜合利用不同材料的性能優(yōu)勢,將具有不同特性的材料組合在一起使用已經(jīng)越來越受到重視.鋼/鋁異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮不同材料各自的優(yōu)勢,而且具有良好的經(jīng)濟效益,在汽車制造、航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域都擁有廣闊的應(yīng)用前景[1-5].然而,由于鋼、鋁2種金屬的熔點、熱膨脹系數(shù)等熱物理性能差異很大,而且二者之間的固溶度較小,使得鋼/鋁異種金屬的焊接性很差,焊接后的接頭存在較大殘余應(yīng)力,焊縫中容易出現(xiàn)變形和微裂縫等缺陷,對應(yīng)力腐蝕敏感.特別是焊接過程中接頭容易產(chǎn)生脆性的金屬間化合物層,嚴重地限制了鋼/鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的進一步應(yīng)用.

如何抑制鋼/鋁異種金屬焊接過程中界面脆性金屬間化合物的生成是獲得高質(zhì)量焊接接頭的關(guān)鍵問題.采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接鋼/鋁等異種金屬時熱輸入過高,2種材料直接熔合形成大量金屬間化合物,嚴重惡化接頭的力學(xué)性能;固相焊接方法雖然可以得到較高質(zhì)量的異種金屬接頭[6-7],但成本較高,對接頭的形狀限制較多,焊接效率較低;釬焊技術(shù)得到的接頭強度一般比較低,對于尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件的焊接具有較大局限性.而兼具熔焊與釬焊雙重特性的熔釬焊技術(shù)是鋼/鋁異種金屬連接理想的焊接方法.熔釬焊過程中高熔點母材基本保持固態(tài),僅依靠低熔點母材熔化,在其表面潤濕鋪展形成焊接接頭.這樣可以避免異種金屬的液相混合,有效地控制界面化合物層的尺寸,從而提高接頭質(zhì)量.熔釬焊也克服了固相焊和釬焊在結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、焊接效率和接頭強度方面的局限性.

但是,將電弧作為熔釬焊熱源[8]需要克服很多問題,如能量密度低、熱輸入較大、對界面反應(yīng)的控制不夠精細等.選用激光作為熔釬焊熱源可以實現(xiàn)極快的加熱和冷卻速度,精確地控制焊接熱輸入與加熱區(qū)域,對抑制界面脆性反應(yīng)層的生長具有較大的優(yōu)勢,為高效率、高質(zhì)量地焊接異種金屬材料提供了一種極具價值的新思路.

為此,本文將采用激光深熔釬焊的方法,對對接形式的鋼/鋁異種金屬在不同的工藝參數(shù)下進行了焊接試驗,研究影響焊縫成形、界面反應(yīng)、接頭力學(xué)性能的本質(zhì)因素.

1 材料與方法

焊接試驗中,鋁板材料選用5052鋁合金,鋼板材料選用Q235低碳鋼,2種板材均由剪床加工成尺寸為200 mm×100 mm×3 mm的待加工試驗樣品.5052鋁合金和Q235鋼板的化學(xué)成分分別見表1和表2.

焊接試驗前先用400#砂紙將2種金屬板樣品表面打磨平整,去除毛邊,然后用丙酮清洗以除去難以清理的污垢.由于鋁合金表面氧化膜的存在使得焊接時容易產(chǎn)生大量氣孔和雜質(zhì),對接頭質(zhì)量影響很大,因此焊前還需要經(jīng)化學(xué)清理去除氧化膜.具體清理方法為:將丙酮超聲清洗好的鋁板在質(zhì)量分數(shù)為8%的NaOH溶液中堿洗 5 min;用冷靜水洗凈后再將其放入質(zhì)量分數(shù)為30%的HNO3溶液中2 min作鈍化處理;再次用冷靜水洗凈后進行烘干處理.此外,為了改善熔融的鋁液在固態(tài)鋼表面的潤濕鋪展性,本試驗使用了Noclock釬劑涂敷在板材對接面上.

表1 5052鋁合金各成分的質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mass fraction of compositions of 5052 Al alloy %

試驗采用的焊接設(shè)備為由IPG Photonics公司生產(chǎn)的YLS-4000型摻鐿光纖激光器,配有水冷制冷機,焊接過程中運動執(zhí)行系統(tǒng)采用KUKA六軸機器人.通過計算機控制端調(diào)節(jié)激光功率至3 000 W,通入氬氣作為保護氣體,由機器人調(diào)節(jié)激光焦距進行焊前試驗,調(diào)試成功后將激光束作用于待焊部位,通過機器人端控制焊接位置與焊接速度來完成焊接過程.通過調(diào)整激光作用在鋁側(cè)的位置(即偏移量)和激光束在工件表面的移動速度(即焊接速度)等設(shè)計單因素試驗,研究工藝參數(shù)對接頭成形和組織性能的影響規(guī)律.

制備金相試樣,利用金相顯微鏡對焊縫及熱影響區(qū)進行焊接缺陷和組織形貌的觀察,利用掃描電子顯微鏡(FEIQuanta 250)和能譜分析儀(EDS)對連接接頭顯微組織進行形貌觀察和元素分析.制備標準拉伸試樣,利用MTS810型材料萬能拉伸試驗機測試接頭抗拉強度,每組用3個試樣測定,取平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

為了研究鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊中鋁側(cè)偏移量對接頭焊縫成形的影響規(guī)律,在激光功率恒定為3 000 W,焊接速度恒定為2.0 m·min-1時,分別選取光束偏移量為0.2、0.4、0.6和0.8 mm進行試驗.

當光束偏移量為0.2 mm時,焊接試樣在冷卻過程中試樣直接在對接界面處開裂,其余3組參數(shù)下得到的接頭截面成形如圖1所示.由圖1可以看出,焊接過程中激光束作用下鋁液在固態(tài)鋼表面有一定的潤濕鋪展.隨著偏移量的增加,鋁合金的熔化量增加,熔池的寬度相應(yīng)增大,冷卻后形成的焊縫也變寬.這是由于激光束直接作用的位置到鋼/鋁對接界面的距離增大時,激光能量通過鋁液熱傳導(dǎo)傳遞給鋼側(cè)的熱量減少,在激光功率一定的情況下, 用來熔化鋁合金的那部分能量相對增加,因此可以形成更寬的熔池.但是,當偏移量達到0.8 mm時,由于熱源中心距離鋼/鋁界面太遠,熔池下部靠近界面處的溫度偏低,導(dǎo)致鋁液在固態(tài)鋼表面的潤濕鋪展不充分,造成了未焊透等缺陷.這些缺陷會減少異種金屬的冶金連接面積,并產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中,影響接頭的力學(xué)性能.

圖1 偏移量對焊縫截面成形的影響Fig.1 Influence of laser beam offset on the weld appearance

為了研究鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊中焊接速度對接頭焊縫成形的影響規(guī)律,在激光功率恒定為3 000 W,光束偏移量恒定為0.6 mm時,焊接速度分別選取2.0、2.5、3.0和3.5 m·min-1進行試驗,試驗結(jié)果如圖2所示.

圖2 焊接速度對焊縫截面成型的影響Fig.2 Influence of welding speed on the weld appearance

在圖2中可以發(fā)現(xiàn),當焊接速度較低時,熱輸入量較大,鋁合金熔化量較多,形成的熔池寬度也較大,從而冷卻后形成較寬的焊縫.此時,由于熔池在高溫時間下停留的時間相對較長,鋼/鋁對接界面峰值溫度相對較高,熔化的鋁液在Noclock釬劑的作用下固態(tài)鋼表面得以充分潤濕鋪展,可以得到成形良好的鋼/鋁熔釬焊接頭.隨著焊接速度的增加,焊接熱輸入相應(yīng)減小,熔池寬度有所減小,液態(tài)熔池在高溫下停留的時間也縮短,導(dǎo)致鋁液在鋼母材表面的潤濕鋪展程度有所降低.當焊速達到3.5 m·min-1時,接頭出現(xiàn)明顯的咬邊現(xiàn)象,容易造成應(yīng)力集中惡化力學(xué)性能.

2.2 鋼/鋁異種金屬焊接接頭界面顯微組織

圖3為鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊接頭的界面區(qū)典型微觀組織.由圖3可以發(fā)現(xiàn)在接頭的鋼/鋁界面處存在厚度為6～10 μm過渡層,且過渡層有2種襯度.靠近鋼側(cè)過渡層為較為平整的板條狀結(jié)構(gòu),而靠近鋁側(cè)的過渡層則沿近似垂直于界面的方向向焊縫中呈針狀或者舌狀伸展,甚至脫離界面而游離分布在附近的焊縫中,在靠近熱源的界面區(qū)域這種現(xiàn)象尤為顯著.對界面附近區(qū)域的幾個典型位置點進行EDS能譜分析,Al元素和Fe元素的原子分數(shù)以及根據(jù)Fe-Al相圖推測的相組成見表3.由表3可以發(fā)現(xiàn),A區(qū)域Al元素原子質(zhì)量分數(shù)達到97.61%,說明焊縫區(qū)室溫組織主要為α-Al;而游離在焊縫中的針狀物(B區(qū)域)和過渡層沿垂直于界面方向向焊縫中伸展的舌狀物(C區(qū)域)襯度基本一致,相組成主要為Fe4Al13;而過渡層靠近鋼側(cè)的板條狀結(jié)構(gòu)(E區(qū)域)有獨立的襯度,其相組成為Fe2Al5.

圖3 鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊接頭界面區(qū)微觀組織

表3 鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊接頭界面附近區(qū)域的成分

焊接速度恒定為2.0 m·min-1的情況下,激光偏移量對接頭界面區(qū)顯微形貌的影響如圖4所示.偏移量為0.2 mm時接頭在焊后冷卻過程中開裂,是因為偏移量過小導(dǎo)致界面處獲得的熱量很多,冶金反應(yīng)加劇,生成大量硬而脆的金屬間化合物,焊后冷卻過程中在內(nèi)應(yīng)力作用下這些位置容易產(chǎn)生裂紋而開裂.隨著偏移量的增加,界面金屬間化合物層的厚度呈下降趨勢,偏移量為0.4 mm時,化合物層平均厚度約為7.82 μm;而偏移量0.8 mm時,化合物層的平均厚度只有3.75 μm.原因是偏移量的增大意味著熱源直接作用位置與界面之間的距離增加,傳遞到界面處的熱量減少,界面峰值溫度減低,處于高溫階段的時間也縮短,導(dǎo)致金屬間化合物形核和生長所需要的能量不足,尺寸隨之變小.

偏移量恒定為0.6 mm的情況下,焊接速度對接頭界面區(qū)顯微形貌的影響見圖5.可以發(fā)現(xiàn),金屬間化合物層的尺寸隨焊接速度的增加而減小.

圖4 偏移量對界面區(qū)微觀組織的影響Fig.4 Influence of laser beam offset on interfacial microstructures

圖5 焊接速度對界面區(qū)微觀組織的影響Fig.5 Influence of welding speed on the interfacial microstructures

在焊速為2.0 m· min-1時,金屬間化合物層的平均厚度約為7.32 μm;而焊接速度為3.5 m·min-1時,金屬間化合物層的平均厚度只有2.83 μm.原因是焊接速度增大,焊接線能量減少,鋼/鋁界面發(fā)生反應(yīng)擴散形成金屬間化合物的溫度降低,時間縮短,導(dǎo)致生成的化合物層厚度明顯減小.而且,僅從金屬間化合物層厚度變化趨勢來看,相比增大偏移量,增加焊接速度對金屬間化合物層尺寸的影響更明顯,這是因為改變焊接速度對界面熱輸入的影響更為顯著.

2.3 鋼/鋁異種金屬焊接接頭力學(xué)性能分析

焊接速度為2.0 m·min-1時,偏移量對接頭抗拉強度的影響如圖6所示.可以看出,接頭抗拉強度隨著激光偏移量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.這是由于激光在界面處的熱輸入量很大,熔池溫度很高,界面反應(yīng)比較劇烈,生成了很厚的脆性金屬間化合物,在冷卻過程中容易產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致接頭性能不佳;隨著偏移量逐漸增加,熱源直接作用位置到界面的距離增加,界面處溫度隨之降低,化合物的厚度減小,接頭質(zhì)量有所改善,抗拉強度達到50～60 MPa;繼續(xù)增大偏移量,熱源距離界面太遠,界面處的溫度進一步降低,導(dǎo)致界面反應(yīng)不夠充分,無法形成有效的冶金結(jié)合,甚至出現(xiàn)焊縫根部未熔合等缺陷,導(dǎo)致接頭強度有所降低.

偏移量為0.6 mm時,焊接速度對接頭抗拉強度的影響如圖7所示.可以看出,接頭抗拉強度隨著激光焊接速度的加快呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.這是由于焊接速度較低時,焊接線能量很大,界面處的溫度很高,可以發(fā)生冶金反應(yīng)的時間也比較長,因此界面處生成了大量的金屬間化合物,降低了接頭強度;隨著焊接速度加快,激光作用在單位長度焊縫上熱輸入降低,金屬間化合物層變薄,接頭質(zhì)量有所改善;當焊接速度過大時,界面處的溫度太低,熔池冷卻的速度很快,元素?zé)o法擴散充分形成有效地冶金結(jié)合,使得接頭焊接質(zhì)量降低.

結(jié)合焊接工藝參數(shù)對接頭界面處金屬間化合物層厚度的影響規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),金屬化合物層尺寸過大或者過小時都會導(dǎo)致鋼/鋁異種金屬接頭力學(xué)性能不佳,其合適的厚度應(yīng)該在3～7 μm之間.在偏移量0.6 mm、焊接速度2.5 m·min-1的焊接條件下,接頭最大抗拉強度可以達到55.2 MPa.

鋼/鋁接頭抗拉強度測試中,發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷裂位置均在鋼/鋁界面處,拉伸過程中試樣基本不會發(fā)生塑性變形,斷口附近無頸縮現(xiàn)象.圖8、圖9分別是在激光鋁側(cè)偏移量0.6 mm、焊接速度2.5 m·min-1的條件下得到的鋼側(cè)、鋁側(cè)接頭斷口形貌.由圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn),低倍率電鏡下觀察到的斷口表面相對平整均勻,無明顯凸起和凹陷部分;較高倍率的電鏡下,鋼側(cè)斷面有許多微小的山脈狀凸起,山脈狀凸起之外的部分斷面非常光滑;鋁側(cè)斷面則呈比較均勻的片層狀,無韌窩生成,脆性斷裂特征明顯.對斷口表面進行EDS成分分析表明,鋼側(cè)斷面的山脈狀凸起部分Al摩爾分數(shù)為74.27%,Fe摩爾分數(shù)為25.73%,推測該部分為金屬間化合物層;而平坦部分Fe摩爾分數(shù)很高,達到78%以上,推測這部分為裸露的鋼基體.而鋁側(cè)元素在斷面上的則很均勻,其中Al摩爾分數(shù)為73.29%,Fe摩爾分數(shù)26.71%,說明這部分為金屬間化合物層.因此可知,接頭拉伸試驗中的斷裂位置為鋼/鋁界面處生成的金屬間化合物層內(nèi)部以及化合物層與鋼基體的結(jié)合面處.

圖8 鋼側(cè)斷口形貌Fig.8 Fracture surface on the side of steel

圖9 鋁側(cè)斷口形貌Fig.8 Fracture surface on the side of Al alloy

對拉斷的試樣斷口進行了XRD分析,斷口兩側(cè)XRD物相檢測結(jié)果如圖10所示.結(jié)果顯示鋁側(cè)斷口主要成分為Fe2Al5和Al,而鋼側(cè)斷口主要成分為Fe和Fe2Al5,進一步證實拉伸試樣的斷裂位置為脆性層內(nèi)部或者脆性層與金屬基體界面處.

綜上所述,鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊過程中,界面處極易生成脆性的金屬間化合物層.脆性層內(nèi)部及脆性層與鋼基體的結(jié)合界面是接頭中的薄弱區(qū)域,在應(yīng)力作用下容易萌生裂紋并迅速擴展,導(dǎo)致接頭開裂.焊接熱輸入越大,界面處生成的化合物層厚度也就越大,接頭的脆性也就越大.因此,在保證接頭成形良好的前提下,適當減小界面處的熱輸入量有利于控制脆性層的厚度,獲得力學(xué)性能較好的接頭.

3 結(jié) 論

1) 采用激光熔釬焊工藝可以實現(xiàn)鋼/鋁異種金屬的有效連接,分別研究了偏移量和焊接速度對接頭成形質(zhì)量的影響規(guī)律.當激光偏移量在0.4～0.6 mm、焊接速度為2.5～3.0 m·min-1時,可以獲得成形良好、缺陷較少的接頭.

2) 鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊接頭界面處生成了平均厚度在5～10 μm的金屬間化合物層,其中靠近鋼側(cè)的部分為較為平整的板條狀的Fe2Al5,靠近鋁側(cè)的部分為針狀或舌狀的Fe4Al13,化合物層的厚度隨界面熱輸入的提高而增加.

3) 接頭的抗拉強度與界面處的熱輸入有關(guān).界面處的熱輸入較高時,冶金反應(yīng)劇烈,生成的金屬間化合物層較厚,接頭呈脆化傾向,抗拉強度較低;熱輸入過低時,固/液相互作用不充分,無法形成有效的冶金結(jié)合,結(jié)合強度也不高.在激光偏移量為0.6 mm,焊接速度為2.5 m·min-1的焊接條件下,接頭最大抗拉強度可以達到55.2 MPa.試樣均在鋼/鋁金屬間化合物層內(nèi)部或其與母材的結(jié)合面處斷裂.