膠層-鎳箔輔助激光焊鋼/鎂接頭組織與性能

李會明，周惦武，王新宇，賀趙國，劉金水

(1.湖南大學(xué),汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙,410082；2.湖南大學(xué),長沙,410082)

0 序言

航空航天和汽車領(lǐng)域，輕量化技術(shù)的快速發(fā)展是提高能源利用率的有效措施之一[1].使用鋼-鎂復(fù)合結(jié)構(gòu)件代替單一鋼結(jié)構(gòu)件，減輕汽車重量，提高燃油利用率和節(jié)能減排，因此實現(xiàn)鋼和鎂有效連接具有重要的現(xiàn)實意義[2].然而實現(xiàn)鋼和鎂的有效連接充滿巨大的挑戰(zhàn)[3].一方面，鎂的沸點低于鐵的熔點，導(dǎo)致焊接過程中鎂合金容易發(fā)生氣化和產(chǎn)生飛濺.另一方面，根據(jù)Fe-Mg 相圖，鐵和鎂之間幾乎不發(fā)生固溶，不能產(chǎn)生金屬間化合物.因此需要添加中間元素實現(xiàn)鋼和鎂冶金結(jié)合；另外針對鋼和鎂的物理性質(zhì)差異，需要考慮添加膠層，減緩鋼/鎂層間熱量傳遞，提高焊接工藝的穩(wěn)定性[3].

國內(nèi)外學(xué)者在鎂/鋼異種金屬焊接方面開展了較多工作.Tan 等人[4]研究了不同厚度鋁中間層對鎂/鋼接頭微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋁中間層促進鎂/鋼冶金結(jié)合，在鎂熔合區(qū)-鋼界面產(chǎn)生不同厚度的Fe-Al 反應(yīng)層；Wang 等人[5]對6061 鋁合金和AZ31B 鎂合金進行激光膠接焊，發(fā)現(xiàn)由于激光焊接和膠粘劑的復(fù)合作用，焊接接頭表現(xiàn)出比僅用激光焊接和膠粘劑的接頭更好的性能；任大鑫等人[6]通過鎂合金激光膠接焊和激光焊接的對比分析，發(fā)現(xiàn)添加膠層增加焊接試件對激光的吸收率；王紅陽等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，添加膠粘劑增強熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的流動性，促進熔池內(nèi)部異質(zhì)金屬之間冶金反應(yīng)和相互混合；Liu 等人[8]研究鎂與鋁合金激光-TIG 混合焊接過程中膠粘劑對電弧行為的影響，發(fā)現(xiàn)添加膠粘劑增加激光鑰匙孔內(nèi)的壓力，電弧等離子體的電子溫度下降，提高焊接效率，增加焊接熔深；周惦武等人[9]以鋼/鋁為研究對象分別進行激光焊接和激光膠接焊，發(fā)現(xiàn)激光膠接焊時，等離子體顏色明亮，形態(tài)密度大，熔池寬度兩側(cè)熔融態(tài)的鋁體積分?jǐn)?shù)增多，鋼/鋁橫向結(jié)合面積增大.上述研究是單一添加夾層或者是膠層，而關(guān)于同時添加夾層和膠層對鋼/鎂接頭組織和性能影響，特別是以鎳箔作為中間夾層的研究，目前很少見到相關(guān)報道.

文中采用鋼板在上、鎂板在下且添加膠層-鎳箔輔助的激光焊接技術(shù)，對厚度1.4 mm 的DP590雙相鋼和厚度1.5 mm 的AZ31B 鎂合金進行焊接，基于熱力學(xué)計算選擇添加箔片元素，分析接頭焊縫形貌、顯微組織與力學(xué)性能，并對接頭熔池溫度場和流場進行數(shù)值模擬.試驗結(jié)果為實現(xiàn)鋼/鎂的良好結(jié)合提供新的研究思路和理論支撐，為汽車輕量化的發(fā)展提供重要的試驗基礎(chǔ).

1 試驗方法

試驗材料選用DP590 雙相鋼和AZ31B 鎂合金，其板厚尺寸分別為100 mm×30 mm×1.4 mm和100 mm×30 mm×1.5 mm，添加膠層為汽車用膠，添加純鎳箔，其厚度0.1 mm.試驗用雙相鋼和鎂合金的主要化學(xué)成分見表1.

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base material

采用YLS-4000-CL 型光纖激光器作為焊接熱源，最大輸出功率為4 000 W，激光波長為1 070 nm，連續(xù)輸出激光模式為TEM00，拋物反射鏡聚焦，焦距鏡長200 mm，焦斑直徑0.4 mm，光束發(fā)散角α＜0.15°.焊接前，首先用不同目數(shù)的砂紙對雙相鋼和鎂合金的待焊表面，進行打磨去除表面的氧化膜，用丙酮清洗去除表面的油污.采用鋼板在上鎂合金板在下的搭接方式，搭接長度為30 mm.添加膠層時，為消除膠層和鎳箔之間的高度差以及保證膠層涂敷的均勻性，采用鎳箔一側(cè)涂敷膠層，之后對焊接試樣施加一定的壓力，并在常溫下固化24 h.添加鎳箔以及同時添加鎳箔和膠層的焊接示意圖分別如圖1 和圖2 所示.以獲得良好的焊縫表面質(zhì)量為目標(biāo)，優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)如表2 所示.

圖1 鋼/鎂添加鎳箔焊Fig.1 Steel/Mg with Ni foil welding

圖2 鋼/鎂添加鎳和膠層焊接Fig.2 Steel/Mg with Ni and glue layer welding

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

焊后將焊接接頭切割，依次進行鑲嵌、研磨和拋光等制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，鋼側(cè)采用4%的硝酸酒精進行腐蝕，鎂側(cè)采用苦味酸溶液(15 mL 乙酸 +50 mL 酒精+3 g 苦味酸+5 mL 水)進行腐蝕.采用OLYMPUS DSX510 型光學(xué)顯微鏡(OM)、Quanta 250 FEG 型掃描電子顯微鏡(SEM) 對焊接接頭的微觀形貌進行觀察，采用ESCALAB 250 型能量色散X 射線光譜儀 (EDS)分析接頭的化學(xué)成分和相組成.拉伸試驗用試件按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6396—2008 制備，采用Css-225 型萬能材料試驗機測試焊接接頭抗剪強度，結(jié)果取3 個試樣的平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面形貌

圖3 為鋼/鎂接頭表面形貌.發(fā)現(xiàn)不同激光功率條件下，單一添加鎳箔，焊縫表面出現(xiàn)明顯飛濺和塌陷，焊縫不連續(xù)(圖3a)；同時添加鎳箔和膠層，飛濺和塌陷明顯減少，激光功率1 800 W 時，焊縫表面呈魚鱗狀，焊縫成形性良好.這是因為高能量密度激光的加熱作用下，上層雙相鋼熔化，通過鎳箔，將熱量傳遞到下層鎂合金，由于鎂的沸點遠低于鋼的熔點，鎂燃燒和飛濺，形成鎂蒸氣并增大鎂側(cè)熔池向上的壓力，隨著壓力增大，鎂蒸氣向上噴出，形成塌陷；而同時添加鎳箔和膠層，膠層受熱熔化，吸收一部分熱量，此時傳遞到鎂合金表面的熱量減少，減輕下層鎂合金燒損，塌陷減少，此外焊接過程穩(wěn)定，焊縫形貌得到改善[10].

圖3 接頭表面形貌Fig.3 Surface morphologies of joints.(a) adding nickel foil;(b) adding nickel foil and glue layer

2.2 接頭性能

對鋼/鎂接頭進行剪切試驗，發(fā)現(xiàn)添加鎳箔試樣的平均抗剪強度為24.22 MPa；同時添加鎳箔和膠層，平均抗剪強度為42 MPa，與單一添加鎳箔相比，接頭平均抗剪強度提高1.73 倍.圖4 給出了鋼/鎂接頭水平方向的硬度分布，可以看出，沿著鎂合金母材(BM)、熱影響區(qū)(HAZ) 到熔合區(qū)(FZ)，接頭硬度先增加后減小，鎂合金沒有明顯軟化，同時添加鎳箔和膠層，與單一添加鎳箔相比較，接頭熔合區(qū)硬度降低.

圖4 接頭顯微硬度Fig.4 Microhardness of joints

2.3 接頭微觀組織

圖5 和圖6 為鋼/鎂接頭微觀組織，圖中各點元素成分如表3 所示，發(fā)現(xiàn)單一添加鎳箔，熔池及附近區(qū)域出現(xiàn)大量Mg-Ni 化合物；同時添加鎳箔和膠層，熔池產(chǎn)生Mg-Ni 相和Fe-Ni 相混合區(qū).圖7 為鎂側(cè)熔池橫截面SEM 形貌，發(fā)現(xiàn)同時添加鎳箔和膠層，相對單一添加鎳箔而言，焊縫熔化寬度增大.

圖5 添加鎳箔微觀組織Fig.5 Adding nickel foil microstructure.(a) adding nickel foil joint overall organization;(b) enlarge A area;(c) enlarge B area

圖6 鋼/鎂添加鎳箔和膠層微觀組織Fig.6 Microstructure of steel/Mg added Ni foil and glue layer.(a) addition of nickel foil and glue layer to the overall organization of the joint;(b) enlarge C area;(c) enlarge D area

圖7 鎂側(cè)熔池橫截面SEM 圖Fig.7 Cross-sectional SEM image of magnesium side melt pool.(a) adding nickel foil;(b) adding nickel foil and glue layer

表3 EDS 點成分結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 3 EDS point composition results

2.4 熱力學(xué)計算

為實現(xiàn)鋼/鎂冶金結(jié)合，對添加元素進行選擇設(shè)計，基于Miedema 模型[11]計算二元體系的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓.基于Toop 模型[12]計算Ni-Mg-Fe-Al 四元系統(tǒng)的吉布斯自由能以及各個組元的化學(xué)勢.Ni，Ti 和Cu 分別與Fe 和Mg 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，計算結(jié)果如圖8 所示.發(fā)現(xiàn)Ti-Fe 和Cu-Mg 的生成焓變?yōu)樨撝?，即Ti-Fe 和Cu-Mg 可以相互反應(yīng)生成化合物或固溶體，但是Ti-Mg 和Cu-Fe 的生成焓變?yōu)檎担碩i-Mg 以及Cu-Fe 之間不能相互反應(yīng)，選擇Ti 和Cu 作為中間元素，無法實現(xiàn)鋼/鎂雙向冶金結(jié)合；而Ni-Fe 和Ni-Mg 的生成焓變均為負值，即Ni 與Fe 和Mg 之間均可以發(fā)生反應(yīng)形成對應(yīng)的化合物或固溶體，可以實現(xiàn)鋼/鎂雙向冶金結(jié)合，另外Ni 元素還可以提高焊接接頭的強度、延展性和韌性[13]，這是文中選用鎳作為箔片添加元素的重要原因.

圖8 二元系統(tǒng)焓變Fig.8 Enthalpy change of binary system

圖9 為Fe-Ni-Mg-Al 四元體系熱力學(xué)的計算結(jié)果.根據(jù)圖9a，F(xiàn)e-Al 相的生成焓最低，即Fe-Al 相易生成，然而界面形成的相主要是FeNi 相和MgNi 相，這是由于激光加熱階段，上層鋼熔化，鎂母材里面的鋁元素受熱浮力向上擴散.由于FeAl 形成焓低，所以FeAl 比FeNi 和MgNi 易生成.圖9b～ 9d 分別為Fe，Mg 和Al 原子的化學(xué)勢.根據(jù)圖9b，當(dāng)體系中Fe 原子的含量一定時，F(xiàn)e 原子化學(xué)勢沿著Ni 原子含量的增加方向減小，在降低化學(xué)勢的驅(qū)動下，F(xiàn)e 原子向Ni 原子擴散.根據(jù)圖9c，當(dāng)體系Mg 原子的含量一定時，Mg 原子的化學(xué)勢沿著Ni 原子含量增大的方向降低，因此Mg 原子向Ni 原子擴散.根據(jù)圖9d，發(fā)現(xiàn)當(dāng)體系中Ni 原子含量較少時，Al 原子的化學(xué)勢向Fe 原子含量增大的方向降低，因此在降低化學(xué)勢的驅(qū)動下，Al 原子向Fe 原子擴散.圖9e 為Fe-Ni-Al-Mg 體系中Al 原子的化學(xué)勢，可以看出：當(dāng)體系中Ni 原子的含量較高時，Al 原子向Ni 原子擴散，所以Ni 原子吸引更多的Al 原子聚集在界面.圖9f 為Fe-Ni-Al-Mg 體系的吉布斯自由能計算結(jié)果，可以看出，吉布斯自由能隨著Al 原子含量的升高而降低.

圖9 熱力學(xué)計算結(jié)果Fig.9 Thermodynamic calculation results.(a) standard molar generation enthalpy for binary systems;(b) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Fe;(c) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Mg ;(d)chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Al;(e) chemical potential of Fe-Ni-Al-0.03Mg system for Fe;(f) free energy of the Fe-Ni-Al-0.03Mg system

2.5 流場和溫度場數(shù)值模擬

為探索添加膠層在鋼/鎂焊接中的作用，采用COMSOL 軟件對鎂/鋼接頭溫度場和流場進行數(shù)值模擬(圖10).發(fā)現(xiàn)單一添加鎳箔(圖10a)，等值面稀疏，溫度梯度大；同時添加鎳箔和膠層(圖10b)，等值面密集，溫度梯度降低.

圖10 溫度等值面Fig.10 Temperature contour.(a) adding nickel foil;(b) adding nickel foil and glue layer

圖11 為鋼/鎂熔池速度場模擬結(jié)果.發(fā)現(xiàn)單一添加鎳箔，在熱浮力、表面張力以及重力的作用下，熔融液體從激光熱源中心向邊緣流動并返回到底部，左右流動情況基本對稱，鋼側(cè)形成渦流，并且隨著激光熱源逐漸靠近截面，流速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，0.25 s 達到最大值，即激光熱源到達該截面，由于激光熱源的靠近，熱輸入增加，導(dǎo)致熔池中心與熔池邊界的溫度梯度增加，從而導(dǎo)致熔池所受的表面張力增加，即馬蘭戈尼效應(yīng)得到加強，但增大熔池的流動速度之后，由于截面熱輸入降低，熔池中心和熔池邊界的溫度梯度降低，導(dǎo)致馬蘭戈尼效應(yīng)減弱，流動速度降低[14].同時添加鎳箔和膠層，由于膠層的熔點以及沸點較低，0.2 s 時，膠層受熱汽化，所以液體流動的方向由膠層向激光熱源中心偏轉(zhuǎn).由于此時熔池所受的熱浮力增大，所以熔池的流動速度相比較單一添加鎳箔明顯增大.0.21 s時，由于膠層汽化導(dǎo)致膠層上方的壓強變小，此時熔池流動的方向發(fā)生變化，由熱源中心向膠層方向偏轉(zhuǎn)，并且在膠層正上方流動速度最大達到4.7 mm/s.從0.23 s 開始，由于膠層蒸發(fā)，此時激光熱源中心左右兩側(cè)向下傳熱介質(zhì)均為鎳箔，所以此時熔池的流動情況與添加鎳箔相差不大，但是由于慣性，添加膠層熔池的流動速度略微大于只添加鎳箔熔池的流動速度.0.37 s 時，由于激光熱源遠離截面，導(dǎo)致截面處熱輸入降低，熔池中心與熔池邊界的溫度梯度降低，導(dǎo)致熔池所受的表面張力減小，即馬蘭戈尼效應(yīng)減弱，熔池的流動速度降低[15].此時熔池中的液體在重力的作用下，向下流動，由于同時添加鎳箔和膠層，熔池所受向下的作用力增大，熔池流動的速度明顯大于單一添加鎳箔，這也與劉黎明等人[10]得到的結(jié)果一致.基于流場模擬結(jié)果，可以認為，同時添加鎳箔和膠層，推測熔池流動速度增大，促進界面元素的相互擴散和冶金反應(yīng).

圖11 速度場模擬結(jié)果Fig.11 Velocity field simulation results.(a) adding nickel foil;(b) adding nickel foil and glue layer

3 結(jié)論

(1) 激光功率1 800 W，焊接速度30 mm/s，離焦量為+2 mm，氬氣流量為15 L/min 時，添加鎳箔可以實現(xiàn)鎂/鋼冶金連接，同時添加膠層和鎳箔，與沒有添加膠層相比，接頭平均抗剪強度提高1.73 倍.

(2) 添加膠層，焊縫連續(xù)光滑，鎂側(cè)熔池熔化寬度增大，鋼/鎂橫向結(jié)合面積增加，熔池溫度梯度降低，熔池流動速度提高，促進界面元素相互擴散和冶金反應(yīng)，因此同時添加膠層和鎳箔時接頭性能得到提升.