不同功率對(duì)激光擺動(dòng)焊接鋼/鋁異種材料的影響

巴 一，韓善果，任香會(huì)，師文慶，黃進(jìn)鈺，黃 江，謝玉萍，何寬芳

(1.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，湛江 524088；2.廣東省科學(xué)院 中烏焊接研究所，廣州 510650；3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，佛山 528225)

引 言

鋁合金耐腐蝕、重量輕;雙相鋼成本低、強(qiáng)度高,二者均被廣泛應(yīng)用在航空航天、船舶制造等領(lǐng)域[1-3]。隨著制造行業(yè)的發(fā)展，單一結(jié)構(gòu)的構(gòu)件無(wú)法滿(mǎn)足使用要求，異種材料的應(yīng)用逐漸普遍，鋼/鋁兩種工業(yè)中常用材料，異種焊接無(wú)可避免。但兩種材料的物理性能和化學(xué)成分差異較大，在焊接過(guò)程中兩種材料之間的低混相性導(dǎo)致焊縫的冶金相容性較差容易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、未熔合和等缺陷[4-6]。

激光擺動(dòng)焊接具有熱輸入量高、使加工材料殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，在異種材料焊接的領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。目前已有學(xué)者使用激光擺動(dòng)焊接金屬材料。WEN等人[9]使用激光擺動(dòng)焊接6A01-T5鋁合金，通過(guò)觀察接頭氣孔的分布和微觀組織，對(duì)比不同焊接方法對(duì)接頭的影響，研究結(jié)果表明，激光擺動(dòng)焊接得到的接頭顯微硬度和拉伸力得到顯著提升。LI等人[10]通過(guò)使用5種激光擺動(dòng)方式疊焊不同厚底的301不銹鋼板，對(duì)焊縫成形和氣孔率的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得到結(jié)論：相較于常規(guī)焊接激光擺動(dòng)焊接得到的接頭表面成形好、氣孔較少、剪切強(qiáng)度較高。LI等人[11]使用兩種擺動(dòng)模式和一種直線(xiàn)模式焊接鋼/鋁接頭，通過(guò)宏觀形貌、接頭元素分布、剪切強(qiáng)度的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用激光擺動(dòng)模式焊接的鋼/鋁接頭具備更好的性能。CHEN等人[12]將線(xiàn)性焊接與擺動(dòng)焊接的Q235鋼接頭進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)金相組織、抗拉強(qiáng)度、顯微硬度的對(duì)比得出結(jié)論：擺動(dòng)焊接對(duì)焊接接頭有有利的影響。DIMATTEO等人[13]使用激光擺動(dòng)焊接銅鋁薄板，研究不同焊接方式、激光功率、焊接速率、光束擺幅對(duì)焊縫寬度、熔寬、熔深的影響，結(jié)果表明，鋁上銅下的焊接方式具備更好的焊接質(zhì)量，擺動(dòng)幅度對(duì)焊縫長(zhǎng)寬比的影響較大。

目前，針對(duì)不同擺動(dòng)頻率、不同擺動(dòng)圖案對(duì)焊接結(jié)果影響的研究較多，對(duì)激光功率的變化影響焊接結(jié)果的研究較少，因此，具備一定的研究?jī)r(jià)值。本文中對(duì)5083鋁合金和DP780雙相鋼進(jìn)行激光擺動(dòng)焊接，研究不同的激光功率對(duì)焊縫成形、金相組織以及力學(xué)性能的影響，擬為激光擺動(dòng)焊接在工業(yè)上的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用1.3mm厚DP780雙相鋼和1mm厚的5083鋁合金板材的尺寸均為180mm×100mm，主要化學(xué)成分如表1所示。搭建圖1所示的焊接系統(tǒng)。采用Trumpf 10002碟片激光器，激光束通過(guò)光纖進(jìn)行柔性傳輸，傳輸光纖最小直徑為200μm。采用最大功率10kW的連續(xù)激光器，輸出波長(zhǎng)1030nm，額定功率下的功率輸出穩(wěn)定性為±1%。

Table 1 Main chemical composition of substrate material (mass fraction)

Fig.1 Welding system

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用鋼上鋁下的搭接方法，示意圖如圖2所示。搭接距離為35mm，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，氮?dú)獾牧魉偈?5L/min。

影響焊接結(jié)果的主要因素有：激光功率、焊接速率和離焦量，其中激光功率對(duì)焊縫的影響最為顯著。因此本文中主要研究激光功率對(duì)焊縫宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度和焊縫拉伸性能的影響。根據(jù)以往的焊接經(jīng)驗(yàn)，激光功率在1400W～1600W之間焊縫成型效果較好[14]，為獲得良好的焊接效果焊接功率的窗口范圍，設(shè)計(jì)如表2所示的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

使用鋼刷打磨鋼鋁材料，使用工業(yè)乙醇進(jìn)行清洗，除去表面多余油脂和雜質(zhì)。沿著焊縫垂直方向切割拉伸和金相試樣。切割后的金相試樣使用800#、1500#、2000#的砂紙依次打磨表面，然后使用金相磨拋機(jī)(UniMP-202)對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械拋光以得到光澤鏡面。使用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶7的溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，使用平面測(cè)量顯微鏡(VH1202)和數(shù)字化金相顯微鏡(Ario Image.M2m)對(duì)焊縫形貌和微觀組織進(jìn)行分析。使用顯微維氏硬度計(jì)(Buehler VH1202)測(cè)量焊縫的顯微硬度，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)選用ASTM E384，測(cè)量時(shí)加載力為500g，保壓時(shí)間為10s。拉伸試驗(yàn)使用電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)(上海捷滬CMT4202)，拉伸試樣規(guī)格為20mm×130mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別在兩側(cè)的母材處加入1.2mm和1mm厚度的墊板，保證拉伸力與接頭界面平行。

Fig.2 Welding diagrama—diagram of laser lap structure b—diagram of laser travel path

Table 2 Welding parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

激光功率過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)使鋼/鋁兩種材料焊接失效。當(dāng)采用較小的激光功率時(shí)，激光輻照在鋼板表面，產(chǎn)生的能量較低，無(wú)法完全熔化鋼鋁兩種材料，產(chǎn)生熔池。當(dāng)采用較大的激光功率時(shí)，激光輻照在材料表面，雖然可以完全熔化兩種材料產(chǎn)生熔池，冷卻速率低，但是熔池存在時(shí)間較長(zhǎng)，熔池內(nèi)的金屬蒸發(fā)量增多，容易產(chǎn)生裂紋、板材焊穿的情況，致使連接失效[15]。使用spiral模式擺動(dòng)焊接鋼/鋁薄板的有效功率區(qū)間在1400W～1600W，圖3為不同激光功率下焊縫的宏觀形貌。通過(guò)觀察可以看出，使用1400W功率焊接的焊縫成形效果最好，焊縫整體呈銀白色，表面紋路清晰，飛濺較少；使用1500W的功率時(shí)，焊縫飛濺增多，焊縫有少量氧化物，這是由于熔池內(nèi)的由于合金元素的燒傷所導(dǎo)致[16]；當(dāng)激光功率為1600W時(shí)，焊縫整體下榻、氧化嚴(yán)重、飛濺增多、接頭下榻，成型效果差。

Fig.3 Surface morphology of weld seam under different laser power

2.2 金相組織

焊接接頭主要由熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)、熔合線(xiàn)(fusing line，F(xiàn)L)、焊縫(weld zone，WZ)三部分組成，因?yàn)榧す鈹[動(dòng)焊接對(duì)接頭熱影響區(qū)部分無(wú)明顯影響，因此通過(guò)金相顯微鏡觀察不同功率焊接接頭上下兩部分的金相組織，并對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)激光功率為1400W時(shí)，如圖4所示。圖中,BM(base metal)是激光融化母材。接頭上下兩端的金相組織均為馬氏體，與上側(cè)、下側(cè)的馬氏體尺寸相比相對(duì)較小，這是因?yàn)樯蟼?cè)吸收的激光熱源較多，有足夠的能量支撐晶粒成長(zhǎng)。

Fig.4 Metallographic structure of 2# steel/aluminum jointa—overall morphology of weld seam b—metallographic structure in zone 1 of joint c—metallographic structure in zone 2 of joint

當(dāng)激光功率為1500W時(shí)，如圖5所示。焊縫頂端和底端為馬氏體，相比于2#焊接接頭，馬氏體的尺寸略大，在焊縫底端有少量帶狀分布的鐵素體。在馬氏體上顆粒狀的黑點(diǎn)為碳化物。

Fig.5 Metallographic structure of 3# steel/aluminum jointa—overall morphology of weld seam b—metallographic structure in zone 1 of joint c—metallographic structure in zone 2 of joint

當(dāng)激光功率為1600W時(shí)，如圖6所示。焊縫內(nèi)產(chǎn)生大量鐵素體，在焊縫的頂端有少量的片狀珠光體，在鐵素體和馬氏體交接的地方產(chǎn)生少量的馬氏體。隨著接頭熔深的增加，鐵素體的含量逐漸增多。接頭上下兩側(cè)為鐵素體，中間為少量片狀珠光體和馬氏體，4#接頭整體由鐵素體組成。

Fig.6 Metallographic structure of 4# steel/aluminum jointa—overall morphology of weld seam b—metallographic structure in zone 1 of joint c—metallographic structure in zone 2 of joint

激光熔化鋼鋁兩種材料，即可產(chǎn)生鋼鋁熔池。過(guò)大的激光功率在產(chǎn)生熔池后依然有多余的能量滿(mǎn)足晶粒的生長(zhǎng)，導(dǎo)致接頭內(nèi)晶粒粗化。過(guò)大的晶粒會(huì)使組織之間與組織內(nèi)部的結(jié)合力小，成為焊接的薄弱點(diǎn)[17]。過(guò)小的激光功率熔化金屬形成熔池后，剩余能量較低，此時(shí)晶粒成長(zhǎng)受限制，晶粒細(xì)小。隨著激光功率的增加，熔池存在時(shí)間變長(zhǎng)，接頭內(nèi)的馬氏體逐漸過(guò)渡為鐵素體。馬氏體具備優(yōu)良的性能，主要表現(xiàn)為焊接接頭的顯微硬度與最大拉伸力的提升，因此2#和3#焊接接頭的力學(xué)性能相對(duì)優(yōu)良。

2.3 力學(xué)性能

圖7中為不同焊接模式下鋼側(cè)接頭的顯微硬度。根據(jù)圖片觀察可以看出，使用激光焊接鋼側(cè)接頭，可顯著提升接頭的顯微硬度。3種焊接接頭熱影響區(qū)的顯微硬度均高于焊縫中心。其中使用1400W和1500W的功率焊接的接頭顯微硬度更高。DP780雙相鋼母材的顯微硬度約為240HV，2#接頭和3#焊接接頭的顯微硬度最大值分別為407HV和403HV。相比與母材2#和3#接頭的顯微硬度提高1.69倍和1.67倍。激光功率和熔池的冷卻速率呈正比增加，熔池存在時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)過(guò)渡蒸發(fā)熔池內(nèi)的金屬，使接頭產(chǎn)生下榻、裂紋、氣孔等缺陷，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響[18-19]。較大的功率也會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)的晶粒尺寸過(guò)度生長(zhǎng)，因此在低功率下的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，馬氏體力學(xué)性能相對(duì)優(yōu)良，主要表現(xiàn)為焊接接頭的顯微硬度與最大拉伸力的提升。

Fig.7 Microstrength of steel/aluminum street under different laser power

圖8展示不同激光功率下，焊接接頭的宏觀拉伸形貌和剪切強(qiáng)度。在3組接頭中，最大剪切強(qiáng)度為113N/mm，最小剪切力為92N/mm。3組焊接接頭拉伸的失效形式均為鋼/鋁結(jié)合界面失效。失效的主要原因是在接頭結(jié)合處存在大量的脆性鋼鋁金屬間化合物(intermetallic compound, IMC)，在拉伸力的載荷下，IMC中的裂紋逐漸生長(zhǎng)，引起接頭結(jié)合失效，最終導(dǎo)致結(jié)合面在鋁側(cè)基體脫離[20]。

Fig.8 Shear strength diagram of weld seam

a—macro tensile morphology of the welded joint b—shear strength of the welded joint

當(dāng)使用1400W的激光功率焊接時(shí)，激光僅能熔化鋼、鋁基體材料形成熔池，導(dǎo)致鋼、鋁兩種材料結(jié)合較少，兩種材料并未完成較深的熔覆；當(dāng)使用1500W的功率焊接時(shí)，下方鋁板熔化面積增大。兩種材料融合量增大，但熔化的鋼鋁兩種材料有限，IMC層的生長(zhǎng)受到限制，因此接頭冶金結(jié)合強(qiáng)度得到提高；當(dāng)使用1600W的功率時(shí)，鋼鋁兩種材料大量融合，接頭產(chǎn)生較厚的IMC層，在IMC層中容易存在微裂紋，導(dǎo)致接頭冶金結(jié)合強(qiáng)度較低。

3 結(jié) 論

使用1300W～1700W的功率，在spiral模式下激光擺動(dòng)焊接鋼、鋁異種材料。對(duì)比了不同功率對(duì)鋼/鋁異種焊接接頭宏觀形貌、金相組織和力學(xué)性能的影響。

(1)使用spiral模式擺動(dòng)焊接鋼/鋁異種材料激光功率的有效區(qū)間在1400W～1600W之間，功率過(guò)小或過(guò)大，都將導(dǎo)致連接失效。過(guò)小的功率無(wú)法實(shí)現(xiàn)板材的有效連接，過(guò)大的功率會(huì)使焊接接頭出現(xiàn)咬邊的下榻的缺陷。

(2)激光功率的變化，意味著接頭內(nèi)金相組織的種類(lèi)和晶粒的大小發(fā)生變化。隨著功率的增加，接頭內(nèi)鐵素體的含量增多，馬氏體的含量降低。金相組織的變化意味著力學(xué)性能的改變，其主要體現(xiàn)在顯微硬度和剪切強(qiáng)度上。

(3)激光擺動(dòng)焊接可以有效提高焊接接頭的力學(xué)性能，焊接后3種接頭鋼側(cè)的顯微硬度均高于母材。2#接頭的顯微硬度最高為407HV，約為母材的1.69倍。3種焊接接頭中，3#接頭的剪切強(qiáng)度最大，達(dá)到113N/mm。