高熵合金粉末對鋁鋼激光點焊接頭性能的影響

肖睿，楊瑾，劉紅兵，趙一璇，鄧沛然

（201620 上海市 上海工程技術大學 材料工程學院）

0 引言

近年來，隨著全球對能源供給和環(huán)境保護的重視，各行業(yè)對節(jié)能環(huán)保的要求逐漸提升[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，汽車輕量化與復合材料的融合促進了汽車產品的優(yōu)化，帶來了卓越的減重性能、節(jié)能降耗以及環(huán)保安全[2]，因此鋼/鋁接頭的異種連接在汽車工業(yè)應用中越來越重要。由于鋼與鋁的連接具有不同的物理性能（如熔化溫度、熱膨脹率和導電性），人們探索了多種方法來實現(xiàn)鋁/鋼的焊接，如電弧焊[3]、攪拌摩擦焊[4]、電阻點焊[5]、超聲波點焊[6]、激光焊接[7]等。激光深熔焊接作為工業(yè)上應用最廣泛的激光焊接技術之一，具有能量集中、作用時間短的優(yōu)點，可以有效限制鋁/鋼接頭中有害的金屬間化合物（IMCs）[8]?？茖W家們通過研究發(fā)現(xiàn)，添加合金元素（如 Si、Cu 和 Ni 等元素）也可以有效抑制連續(xù)層狀 Fe2Al5 相的形成，從而提高力學性能[9]。

不同于其他傳統(tǒng)合金，高熵合金（HEAs）作為一種新興材料已被廣泛研究。高熵合金（HEAs）具有高熵效應、緩慢擴散、嚴重的晶格畸變和雞尾酒效應特點，是一種很有前景的鋁-鋼連接填充材料。HEAs 的高熵效應和緩慢擴散效應使熔合區(qū)容易形成單一固溶體，有助于抑制IMCs。此外，“雞尾酒效應”使得HEAs 填充材料在熔點、彈性模量和強度等性能方面具有良好的可調性，可以更好地緩解激光焊接后的熱殘余應力[10]。本文研究了高熵合金（HEAs）粉末對鋁鋼激光深熔點焊接頭的力學性能的影響。

1 試驗材料及設計

1.1 試驗材料

本文采用的實驗材料為 Q235 鋼板和 AA5052鋁合金板材。利用剪板機分別對鋁板和鋼板進行加工，鋼板的加工尺寸為 25 mm×100 mm×1.8 mm，鋁板的加工尺寸為 25 mm×100 mm×2.0 mm。在進行焊接實驗前，將Q235 鋼母材放置在盛滿酒精的燒杯中進行超聲波處理，然后吹干，這樣可以有效去除鋼母材表面的油污。為了防止AA5052 鋁合金表面氧化膜對焊接性能造成影響，對其表面進行砂紙打磨，然后將鋁母材放置在盛滿酒精的燒杯中進行超聲波處理，最后烘干，以去除鋁母材表明的污漬。鋼和鋁的化學成分如表1 所示。

表1 母材的化學成分的重量百分比Tab.1 Chemical compositions of base materials in weight percent (wt.%)

1.2 高熵合金粉末表征

圖1所示為高熵合金粉末宏觀照片和SEM圖。如圖1 所示，粉末的大小為15～50μm。對不同大小粉末進行了EDS 分析，發(fā)現(xiàn)Fe、Co、Ni、Cr 和Mn 成分都接近1，表明了高熵合金粉末成分均勻，表2 為圖1 所示點的EDS 分析。

圖1 高熵合金粉末的SEM 圖像Fig.1 SEM image of high-entropy alloy powder

Tab.2 Corresponding EDS results at selected points as shown in Fig.1(at.%)

1.3 試驗設計

為了研究高熵合金對鋁/鋼激光點焊接頭的力學性能影響，對實驗進行了設計。首先在鋁母材上直接鋪展不同厚度的高熵合金粉末，然后進行鋼上鋁下的焊接。圖2 為鋪粉和激光鋪粉深熔點焊示意圖。實驗采用5 kW 光纖激光器（IPG YLS-5000）對1.8 mm 的Q235 鋼 和2.0 mm 的AA5052鋁進行鋼上鋁下的搭接實驗。為了有效吸收鋁部分的熱量，在鋁母材底部添加銅熱沉。焊接時激光光束垂直作用于工件表面，采用氬氣側吹對熔池進行保護。焊接實驗后，使用萬能拉伸試驗機對接頭進行拉伸性能測試，拉伸速度為1.0 mm/s。通過光鏡、超景深三維數(shù)碼顯微分析系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜分析（EDS）對橫斷面的宏觀成形、組織形貌和界面物質組成進行觀察與分析。

圖2 鋪粉和激光鋪粉深熔點焊示意圖Fig.2 Diagram of laser powder laying keyhole spot welding of powdering and laser powdering

為研究具體高熵合金粉末對接頭強度的影響，設計的鋪粉厚度分別為0.1，0.3，0.5 mm。本次實驗采用的激光功率為3.20 kW，離焦量為22 mm，焊接時間為3 s，保護氣流量為20 L/min。表3 為激光鋪粉深熔點焊的實驗參數(shù)表。

表3 激光鋪粉深熔點焊工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of laser powder laying keyhole spot welding

3 結果及討論

3.1 宏觀結構分析

圖3 為鋁/鋼激光高熵合金鋪粉深熔點焊接頭截面形貌圖。圖3（a）為鋪粉厚度0 mm 的鋁/鋼激光鋪粉深熔點焊截面。可以發(fā)現(xiàn)不填加粉末進行焊接時接頭明顯焊穿，并有大量的裂紋，成形較差。圖3（b）—圖3（d）所示為鋪粉厚度為0.1，0.3，0.5 mm 的鋁/鋼激光鋪粉深熔點焊截面形貌圖。從圖中可以觀察到，在添加粉末進行焊接后，接頭成形有明顯的改善，并且形成了錐形接頭。通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)，鋁/鋼激光點焊的接頭熔深會隨著鋪粉的厚度增加而增加，并且錐形熔合區(qū)在鋁側的寬度也隨鋪粉厚度的增加而增加，說明添加高熵合金粉末對于激光熱輸入有巨大的影響。

圖3 激光鋪粉點焊接頭的橫截面形貌Fig.3 Cross section morphology of laser powder laying keyhole spot welding

3.2 力學性能分析

如圖4 所示為不同鋪粉厚度的鋁/鋼激光鋪粉深熔點焊接頭拉伸載荷。圖4 顯示，平均拉伸載荷隨著鋪粉厚度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

圖4 鋁鋼激光鋪粉深熔點焊接頭拉伸載荷Fig.4 Tensile shearing load of laser powder laying keyhole spot welding

鋪粉厚度為0 mm 時，平均拉伸載荷約為1 100 N但存在較大誤差。與不鋪粉的焊接接頭相比，進行高熵合金鋪粉時，接頭載荷有著明顯的提高而且誤差范圍明顯較小，接頭力學性能較為穩(wěn)定。當鋪粉深度為0.3 mm 時，接頭平均拉伸載荷可以達到1 580 N，接頭拉伸載荷最大值可以達到1 810 N，說明高熵合金粉末的添加讓焊接過程更加穩(wěn)定。

3.3 界面微觀組織分析

為深入了解高熵合金粉末對于激光點焊接頭的影響，對激光鋪粉深熔點焊接頭進行微觀組織研究。

如圖5（a）所示為填粉厚度為0 mm 情況下激光深熔鋪粉點焊的接頭截面的SEM 圖。從圖5 可以看出，焊接接頭直接焊穿并且在熔化區(qū)內部有明顯的裂紋，而且還存在孔洞；圖5（b）為P1 區(qū)域的放大圖。通過對接頭界面處放大，發(fā)現(xiàn)在界面處也有形成明顯的微裂紋，成型較差。大量的裂紋會嚴重影響接頭的力學性能；圖5（c）為鋪粉厚度為0.1 mm的激光鋪粉深熔點焊接頭。由圖5可知，鋪粉后再焊接，接頭形狀為成形良好的錐形且可以觀察到?jīng)]有明顯裂紋。

為了進一步分析填粉后錐形熔合區(qū)的物質及相組成，需要通過EDS 點掃描進行分析；圖5（d）為5（c）區(qū)域P2 的放大圖?？梢钥闯?，在熔合區(qū)出現(xiàn)了帶狀結構和島狀結構。分別對其進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)在A 點處的元素成分比與Fe3Al 的成分比相近，推測形成了富鐵為Fe3Al。在帶狀結構B 點位置，發(fā)現(xiàn)Al 的成分約為Fe 的成分的2 倍，推測為富鋁相金屬間化合物FeAl2。在鋁鋼界面處C 點位置，發(fā)現(xiàn)鐵鋁比例近似為1∶1，推測為FeAl。在島狀結構點D 也顯示鋁和鋼成分比相似，為富鐵相金屬間化合物FeAl。

CHEN[11]等人在研究鎳箔對鋁鋼搭接接頭的影響時也發(fā)現(xiàn)了帶狀組織的形成，并得出了類似的結論。也說明錐形接頭的形成與激光深熔焊模式的匙孔效應有關，在焊接過程中激光對熔池進行了劇烈攪拌，導致了鋼和鋁的劇烈混合以及帶狀結構和島狀結構的生成。但是對接頭EDS 能譜分析卻未發(fā)現(xiàn)高熵合金的成分，這可能是由于0.1 mm 厚度的鋪粉焊接的高熵合金粉末含量太少；圖5（e）為鋪粉厚度為0.3 mm 的激光點焊接頭。由圖5（e）可知，接頭成形良好為錐形接頭。為了進一步探究高熵合金粉末對焊接接頭的影響，對熔合區(qū)上部（P3）進行放大；圖5（f）為圖5（e）區(qū)域P3 的放大圖。本文分別對圖中熔合區(qū)F點和熱影響區(qū)E點進行了能譜分析，發(fā)現(xiàn)了Ni、Cr 和Mn 三種元素的存在，而且熔合區(qū)的Ni、Cr 和Mn 成分比明顯高于熱影響區(qū)E，這說明粉末在攪拌作用下充分混入熔池。在鋼鋁夾層中發(fā)現(xiàn)了熔化粘結區(qū)，對其點G進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)成分比例與高熵合金粉末分類似，這是因為在焊接過程中，等離子氣體向邊界的粉末層逸散，大量的熱使高熵合金粘結形成粘結區(qū)，但并未與鋁結合；圖5（g）為鋪粉厚度為0.5 mm 的激光點焊接頭截面SEM 圖像。從圖中可以看出，高熵合金粘結區(qū)與鋼鋁母材都有進行結合，因此對粘結區(qū)放大，如圖5（h）所示，發(fā)現(xiàn)雖然與鋁界面形成了結合，但都出現(xiàn)了細微的裂紋，這對接頭的力學性能有影響。

圖5 激光深熔鋪粉點焊的接頭截面的SEM 圖Fig.5 SEM image of joint cross section of laser powder laying keyhole spot welding

表4 圖5 所示點的EDS 分析（at.%）Tab.4 EDS analysis at the points highlighted in Fig.5(at.%)

3.4 斷口分析

錐形接頭對焊接力學性能有一定的強化作用，而在拉伸時，界面處的硬脆的Fe-Al IMCs 層會優(yōu)先開裂，因此必須對激光鋪粉焊接的斷口進行分析。圖6 分別為0，0.1，0.3，0.5 mm 厚度的激光深熔鋪粉點焊斷口。由圖6（a）可知，不填加粉末情況下，接頭斷在鋼側界面附近，這是因為熱輸入太大，鋼直接下降導致鋼側熔合區(qū)變薄，拉伸后優(yōu)先斷裂；從圖6（b）可以看出，當鋪粉厚度為0.1 mm 時，接頭拉伸后，鋼側錐形接頭出現(xiàn)裂口，鋁側出現(xiàn)堆積區(qū)；由圖6（c）可知，當鋪粉厚度為0.3 mm 時，只有鋁側出現(xiàn)堆積區(qū)；從圖6（d）可以看出，當鋪粉厚度為0.5 mm 時，直接斷在熔合區(qū)中心。

圖6 鋁/鋼激光鋪粉點焊斷口圖Fig.6 Fractography image of laser powder-laying keyhole spot welds

進一步分析拉伸過程中斷口的形成原因。圖7為激光深熔鋪粉點焊的典型位移-載荷曲線。結果表明位移-載荷曲線出現(xiàn)了2 種形式：一是試件的接頭斷口荷載在達到最大值后立即消失（鋪粉厚度為0 mm 和0.5 mm）；二是載荷達到最大值后出現(xiàn)了明顯的波動（鋪粉厚度為0.1 mm 和0.3 mm）。前者為明顯的脆性破壞，后者為塑性破壞。XIE[12]等人和HUANG[13]等人在鉚接和自鉚接攪拌摩擦搭接等機械連接工藝研究中的位移載荷曲線也出現(xiàn)了類似的波動，因此可以認為激光深熔點焊存在機械結合，導致了堆積區(qū)的形成。

圖7 激光鋪粉點焊典型位移-載荷曲線Fig.7 Displacement load curve of laser powder-laying keyhole spot welds

4 總結

本文通過設計高熵合金鋪粉厚度，研究了高熵合金粉末對鋁/鋼激光點焊接頭的力學性能影響，研究了鋁/鋼激光鋪粉深熔點焊接頭的力學性能、金屬間化合物以及斷裂行為，主要結論可概括為以下幾個方面：

（1）在激光鋪粉深熔點焊方式下，添加HEAs 粉末的接頭與未添加粉末相比，力學性能得到了明顯增強；

（2）通過力學性能表明，平均拉伸載荷隨著鋪粉厚度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，填粉深度為0.3 mm 時，接頭平均拉伸斷裂載荷達到最大值為1 580 N；

（3）通過SEM-EDS 發(fā)現(xiàn)，在接頭熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)了HEAs 粉末的成分，形成了一定的固溶相，對接頭有一定的強化作用，在接頭界面處形成鐵鋁金屬間化合物；

（4）錐形接頭對激光深熔點焊有強化的作用，接頭實現(xiàn)了冶金結合和機械聯(lián)鎖的雙重耦合，這有利于提高接頭的拉伸性能。