鋁合金/鋼異種金屬激光熔釬焊技術(shù)研究進(jìn)展

董 顯，董博文，程亞芳，郭艷紅，李 永

鄭州機(jī)械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001

0 前言

鋼鐵材料和鋁合金材料具有強(qiáng)度高、成形性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是目前工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的兩種金屬材料[1]。但無論是鋼鐵材料還是鋁合金材料，單一金屬材料在物理、化學(xué)和力學(xué)性能等方面總是存在一定的局限性[2-4]。而鋁鋼異種金屬連接可以發(fā)揮各自的優(yōu)良性能，滿足交通工具行業(yè)輕量化、高性能化和低成本化發(fā)展趨勢(shì)要求。但鋁與鋼兩種金屬之間的固溶度較低，晶體結(jié)構(gòu)、熱物理及力學(xué)性能差異大[5]，熔化焊過程中極易在接頭內(nèi)生成大量硬脆的Fe-Al 金屬間化合物[6]，嚴(yán)重惡化接頭的力學(xué)性能。為了抑制焊接過程中Fe-Al金屬間化合物的生成，學(xué)者們開發(fā)了焊接溫度較低的釬焊工藝，但大量應(yīng)用研究表明，盡管釬焊方法能夠得到優(yōu)質(zhì)的鋁合金與鍍鋅鋼焊接接頭，但容易受焊件結(jié)構(gòu)形狀尺寸的限制，并且傳統(tǒng)釬焊存在效率低、柔性差、能源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，因而在大批量實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定限制[7]。

為了充分發(fā)揮熔化焊和釬焊各自優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)出了鋁合金與鋼熔釬焊技術(shù)，其是基于二者熔點(diǎn)的差異，通過精確控制焊接熱輸入，在確保高熔點(diǎn)鋼母材不熔化的前提下，使低熔點(diǎn)鋁合金母材熔化并與熔化的填充金屬形成熔焊接頭，液態(tài)鋁合金母材與填充金屬在未熔化的鋼表面鋪展并與之形成釬焊接頭，實(shí)現(xiàn)鋁合金與鋼的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)冶金連接。常用的熔釬焊熱源有電弧、激光及電子束等，激光熱源具有加熱能量密度高、熱影響區(qū)小、加熱和冷卻速率快、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)[8-11]，相較而言更易控制Fe-Al金屬間化合物的生成，是鋁/鋼異種金屬熔釬焊的理想熱源。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員基于激光熱源進(jìn)行鋁合金與鋼熔釬焊接工藝的開發(fā)，取得了很好的研究成果，概括如下[12]：（1）鋁合金與鋼激光熔釬焊過程中的界面潤(rùn)濕鋪展，主要集中于研究金屬鍍層、釬劑及母材熱場(chǎng)調(diào)控對(duì)界面潤(rùn)濕鋪展的影響；（2）鋁合金與鋼激光熔釬焊過程中的界面微觀調(diào)控，主要通過界面熱場(chǎng)、輔助能場(chǎng)、坡口面角度和多組元合金元素進(jìn)行調(diào)控；（3）鋁合金與鋼激光熔釬焊接頭性能評(píng)價(jià)，主要集中在結(jié)合強(qiáng)度、變形能力以及耐腐蝕性能等方面。本文從以上三個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外鋁合金與鋼熔釬焊技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納分析，并對(duì)以后的研究方向進(jìn)行了展望，以期為鋁合金與鋼熔釬焊相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展提供有參考意義的理論依據(jù)。

1 鋁合金/鋼激光熔釬焊過程中的界面潤(rùn)濕鋪展

1.1 金屬鍍層

金屬鍍層是釬焊技術(shù)中常用的表面處理方法，其對(duì)釬焊過程中釬料的潤(rùn)濕性能有重要影響。黃健康等[13]采用激光熔釬焊方法進(jìn)行5A06鋁合金與鍍鋁鋼、鍍鋁鋅鋼、鍍鋅鋼、鍍鎳鋼的激光熔釬焊焊接，其中5A06鋁合金在鍍鋁鋼上的鋪展效果最佳，鋁合金與鍍鋁鋅鋼熔釬焊的接頭抗拉性能最好，達(dá)到母材鋁合金的70%。Gatzen M 等[14]研究了鍍鋅鋼中鋅層的存在對(duì)釬料潤(rùn)濕的作用，如圖1所示，有鍍鋅層鋼板與無鍍鋅層鋼板的潤(rùn)濕效果存在顯著差異，鍍鋅層處的潤(rùn)濕角為14°，無鍍鋅層的潤(rùn)濕角為37°。分析認(rèn)為鍍鋅鋼表面的鍍鋅層可大大提高激光吸收率，并且鋅蒸發(fā)后存在于母材及釬料中，界面的傳質(zhì)促進(jìn)了釬料在鋼表面的潤(rùn)濕鋪展。Peyre P等[15]發(fā)現(xiàn)雖然Zn鍍層對(duì)于釬料潤(rùn)濕鋪展有一定的促進(jìn)作用，但激光的不均勻加熱和冷卻過程使Zn來不及完全蒸發(fā)從而導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，釬縫處孔洞和裂紋也不斷出現(xiàn)。

圖1 橫截面宏觀圖[14]Fig.1 Macroscopic cross-sectional view[14]

1.2 釬劑輔助

釬劑在釬焊過程中可以降低界面張力，提高釬料的潤(rùn)濕能力。林尚揚(yáng)等[16]發(fā)明了一種用于大光斑激光-電弧復(fù)合熱源連接異種金屬的釬劑，以KAlF4、CsAlF4為主要載體，以活性金屬Zn、Sn 為主要添加金屬，適當(dāng)加入Sb 以提高焊縫金屬的強(qiáng)度，適當(dāng)加入稀有金屬La 改善連接的工藝性，加入K2SiF6改善焊縫金屬的鋪展性，釬劑配合復(fù)合熱源能解決普通非鍍層（鋅、錫等）碳鋼或普通非鍍層（鋅、錫等）低合金鋼與有色金屬的優(yōu)質(zhì)、高效連接。喻高揚(yáng)等[17]提出一種氣載釬劑輔助鋼/鋁異種金屬激光熔釬焊的新方法，采用不銹鋼與5052鋁合金作為母材，分別進(jìn)行激光填絲與無絲搭接熔釬焊試驗(yàn)，填絲搭接熔釬焊得到的接頭潤(rùn)濕角最小值為37°，無絲搭接熔釬焊得到的接頭潤(rùn)濕角最小值為18.8°。張廣棟等[18]以車用08Al 鋼和鋁合金為試驗(yàn)對(duì)象，研究了添加釬劑對(duì)接頭整體成形性能的影響，發(fā)現(xiàn)釬劑的添加改善了接頭成形缺陷，提高了焊趾區(qū)的潤(rùn)濕性，如圖2 所示。樊丁等[19]進(jìn)行了5A06 鋁合金和熱鍍鋅ST04Z 鋼的預(yù)置粉末對(duì)接熔釬焊工藝試驗(yàn)，研究了背面填涂釬劑對(duì)熔釬焊接頭鋪展寬度的影響，發(fā)現(xiàn)背面填涂釬劑可使焊縫潤(rùn)濕角更小，增大鋪展寬度。

圖2 釬劑在鋁鋼熔釬焊過程的作用[18]Fig.2 Role of brazing agent in aluminum steel brazing process[18]

1.3 溫度場(chǎng)調(diào)控

母材表面熱場(chǎng)調(diào)控也可以提高釬料在鋼母材上的潤(rùn)濕性。雷振等[20]采用大光斑激光熔-釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了5A02 鋁合金與鍍鋅鋼板的優(yōu)化連接試驗(yàn)，通過適當(dāng)提高熱輸入和調(diào)節(jié)光絲間距可改善熔化的母材和填充材料在鋼板表面的潤(rùn)濕性，抑制局部“未釬合”缺陷，焊縫成形良好。Holger Laukant等[21]采用雙光斑激光束方法焊接鍍鋅鋼板與鋁合金，發(fā)現(xiàn)第二激光束對(duì)鍍鋅鋼板的預(yù)熱作用能夠提高焊接表面潤(rùn)濕性能，形成規(guī)則焊縫，在拉伸試驗(yàn)中，潤(rùn)濕寬度大于3.5 mm時(shí)，接頭強(qiáng)度與母材相近。樊丁等[22]采用電弧輔助激光熱源改變了焊接過程的溫度場(chǎng)分布，從而促進(jìn)液態(tài)鋁向鋼側(cè)的鋪展，所得對(duì)接接頭最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)163 MPa，約為5A06鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的74%，是激光焊接接頭強(qiáng)度的1.3倍。

2 鋁合金/鋼激光熔釬焊過程中的界面微觀調(diào)控

2.1 界面熱場(chǎng)

界面熱場(chǎng)調(diào)控對(duì)Fe-Al脆性金屬間化合物的形成有重要影響。雷振等[23]研究了激光電弧復(fù)合熱源焊接熱輸入對(duì)接頭中Al-Fe金屬間化合物層厚度的影響，發(fā)現(xiàn)生成的Al-Fe 金屬間化合物層主要由Fe3Al，F(xiàn)eAl2，F(xiàn)e2Al5以及FeAl3組成，并且Al-Fe金屬間化合物的生成過程伴隨著Si 元素的富集現(xiàn)象；Al-Fe金屬間化合物層厚度隨焊接熱輸入的增大而增大，但電弧能量對(duì)化合物層厚度的影響大于激光能量對(duì)化合物層厚度的影響。R. Borrisutthe等[24]通過改變鋁/鋼異種材料激光熔釬焊時(shí)的基板來調(diào)節(jié)界面處IMC 的分布，比較了采用不同導(dǎo)熱系數(shù)的Ti、S45C和Cu材料作為底板時(shí)界面處IMC的厚度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用散熱系數(shù)較大的Cu底板時(shí)，能夠有效地降低界面處IMC 的厚度，從而提高接頭的力學(xué)性能，如圖3所示。Wang等[25]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了鍍鋅鋼與6061鋁合金異種接頭微觀組織，發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)峰值溫度和高溫停留時(shí)間（大于660 ℃）會(huì)促進(jìn)Fe 元素和Al 元素反應(yīng)從而增加鋁-鋼界面處IMC厚度，產(chǎn)生一些新脆性相，從而誘發(fā)微裂紋。

圖3 不同散熱底板Al/Fe界面IMC厚度[24]Fig.3 Different heat sink substrates Al/Fe interface IMC thickness[24]

2.2 輔助能場(chǎng)

釬焊中施加輔助能場(chǎng)可以改善異種金屬材料界面金屬間化合物的結(jié)構(gòu)形態(tài)，促進(jìn)填充金屬對(duì)母材的潤(rùn)濕。張佳琪等[26]研究了超聲波功率的變化對(duì)鋼/鋁熔釬焊接頭的焊縫組織和界面IMCs 的影響，隨著施加的超聲功率的增加，超聲對(duì)熔池的攪拌作用增強(qiáng)，焊縫晶粒明顯細(xì)化。超聲作用下熔池的最高溫度降低，溫度梯度減小，使得焊接接頭界面處的IMCs 厚度減小，并且FeAl3相的含量降低；當(dāng)超聲功率增加到200～210 W 時(shí)，IMCs 中僅含Al8Fe2Si 相。當(dāng)功率為130～140 W 時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)172 MPa，較未施超聲時(shí)增加了12%，如圖4所示。張洋等[27]研究了超聲振動(dòng)對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)、焊縫金屬的晶粒尺寸及力學(xué)性能的影響。不施加超聲振動(dòng)時(shí)，在焊縫與鋼的界面熱源中心處形成三層總厚度范圍為8.3～12.3 μm的金屬間化合物，遠(yuǎn)離熱源中心處金屬間化合物厚度范圍為1.5～2.6 μm，接頭強(qiáng)度較低且斷裂位于焊縫與鋼的界面處；施加700 W超聲振動(dòng)后，填充金屬對(duì)鋼的潤(rùn)濕能力增加，焊縫晶粒尺寸由32 μm 降至19 μm，界面處金屬間化合物為0.5～1.0 μm 的θ 相連續(xù)薄層，接頭強(qiáng)度是不施加超聲振動(dòng)時(shí)強(qiáng)度的1.6倍。Hu等[28]研究了不同磁場(chǎng)頻率下焊接接頭的界面微觀組織、元素分布和力學(xué)性能，與缺乏磁場(chǎng)的激光焊接接頭相比，交變磁場(chǎng)下焊接接頭的拉伸力和伸長(zhǎng)率可分別增加126%和144%，接頭性能的顯著改善歸因于Fe2（Al，Zn）5相的沉淀和界面形狀的轉(zhuǎn)變。

圖4 不同超聲功率下鋼/鋁界面處IMCs的微觀形貌和EDS線掃描分析結(jié)果[26]Fig.4 Microstructure and EDS line scan analysis results of IMCs at steel/aluminum interface under different ultrasonic power[26]

2.3 坡口角度

坡口角度直接關(guān)系到母材不同區(qū)域與激光熱源中心的相對(duì)位置以及釬焊界面的連接面積。楊揚(yáng)等[29]采用ER4043 焊絲對(duì)6061-T6 鋁合金板和AISI 1045鍍鋅鋼板進(jìn)行激光熔釬焊，鋼板坡口下部區(qū)域的金屬間化合物層厚度均較大，并且鋼板坡口角度為30°時(shí)接頭中的金屬間化合物層厚度大于60°時(shí)的；鋼板坡口角度為30°、60°時(shí)，接頭的平均抗拉強(qiáng)度分別為120.3 MPa、151.7 MPa，拉伸斷裂均發(fā)生在鋼/焊縫界面處，均為解理斷裂。高偉等[30]采用光纖激光和鋁硅焊絲對(duì)2.5 mm厚6013鋁合金和鍍鋅低碳鋼的異種金屬對(duì)接接頭進(jìn)行了激光填絲熔釬焊。研究結(jié)果表明，鋼/焊縫界面處主要生成了FeAl2和FeAl3金屬間化合物，隨著熱輸入量的增加，金屬間化合物的厚度隨之增加，焊縫中的組織則為α-Al 基體晶界上均勻分布著條狀A(yù)l-Si 共晶組織。在鋼板采用30°坡口時(shí)可以獲得的最大抗拉強(qiáng)度為88 MPa，采用45°坡口時(shí)強(qiáng)度可以達(dá)到135 MPa。

2.4 合金元素

釬縫成分調(diào)控也對(duì)Fe-Al脆性金屬間化合物的形成有重要影響。于曉全等[31]采用電弧輔助激光熔釬焊方法實(shí)現(xiàn)了鋁合金與鍍鋅鋼的對(duì)接焊，并在焊接過程中通過填充Al-Mg、Al-Cu 及Al-Si 焊絲對(duì)接頭的焊縫及界面進(jìn)行微觀組織調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，填充Al-Mg、Al-Cu焊絲的接頭在界面處生成了Fe2Al5和Fe4Al13兩種金屬間化合物，而填充Al-Si焊絲的界面處生成了Al8Fe2Si和Fe4Al13；填充Al-Si焊絲的接頭可獲得最大抗拉強(qiáng)度176 MPa，高于填充Al-Mg、Al-Cu焊絲的，這是因?yàn)镾i元素的添加生成的Al-Fe-Si新相可降低不同相的界面能，從而提高接頭強(qiáng)度。李妍等[32]預(yù)涂分別富含硅、鎂、錳、硼、鋅元素的五種合金粉后，對(duì)不等厚5A06 鋁合金板和ST04Z鍍鋅鋼板進(jìn)行了激光熔釬對(duì)接焊，均在焊縫處發(fā)生了以韌性斷裂為主、脆性斷裂為輔的混合斷裂，預(yù)涂富含硅的合金粉得到的接頭抗拉強(qiáng)度最大，可達(dá)130 MPa，為5A06 鋁合金的60%；鎂、鋅元素合金粉的添加能夠抑制針狀金屬間化合物的生成，而添加富含硼元素的合金粉會(huì)增大金屬間化合物層的厚度。Xia 等[33]在激光熔釬焊鋁-鋼對(duì)接接頭時(shí)，采用合金元素Si 對(duì)界面反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，并在此基礎(chǔ)上采用Miedema 和Toop 模型對(duì)界面元素的擴(kuò)散熱力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)Si在界面IMC處具有更小的化學(xué)勢(shì)，使得Si 元素更容易向界面擴(kuò)散和集聚，這些在界面集聚的Si 元素會(huì)降低界面Fe 和Al元素的反應(yīng)速率，減小界面IMC 厚度，甚至改變IMC 的物相，從而提高接頭強(qiáng)度。Chen 等[34]采用單/雙光束激光在具有銅夾層的鋼對(duì)鋁重疊配置中對(duì)Q235 低碳鋼和5052 鋁合金進(jìn)行異種金屬焊接，銅中間層與鋁基體之間出現(xiàn)接觸反應(yīng)區(qū)，從而擴(kuò)大了有效連接區(qū)。雙光束激光增強(qiáng)了焊縫的拉伸性能，銅箔中間層的加入可以改善界面反應(yīng)區(qū)的冶金反應(yīng)，提高焊縫的承載能力。Wen等[35]為改善鋼/鋁異種金屬對(duì)接釬焊的界面不均勻溫度分布和焊縫外觀，通過在鋼表面制備鎳/鋅雙金屬涂層，在一定程度上阻礙了液態(tài)鋁與固態(tài)鋼的界面反應(yīng)，其界面反應(yīng)機(jī)理如圖5所示，金屬間化合物（IMCs）的厚度顯著減小，界面反應(yīng)層由靠近鋼側(cè)的Fe2Al5和靠近鋁側(cè)的Fe4Al13組成，鍍鎳鋼/鋁接頭最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到112.6 MPa，比裸鋼/鋁焊接頭提高了35%。

圖5 界面反應(yīng)機(jī)理示意[35]Fig.5 Schematic diagram of interface reaction mechanism[35]

3 鋁合金/鋼激光熔釬焊接頭性能評(píng)價(jià)

鋼鋁異種金屬激光熔釬焊接頭的性能評(píng)價(jià)也是眾多學(xué)者關(guān)注的研究焦點(diǎn)。夏鴻博[36]利用SEM原位拉伸方法研究了鋁-鋼激光熔釬焊界面IMC結(jié)構(gòu)與界面結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)界面結(jié)合的IMC為2～3 μm 的單一τ5-Fe1.8Al7.2Si 相（見圖6）時(shí)，界面具有最高的平均抗拉強(qiáng)度（198 MPa）和最大的平均斷裂位移（701 μm），見圖7。Huang 等[37]采用激光焊接釬焊技術(shù)連接5A06 鋁合金與ST04Z 鍍鋅鋼，研究了添加純粉末（Si、Mg、Mn 或Zn）對(duì)焊接接頭材料性能的影響，焊接接頭的微觀組織、拉伸行為和腐蝕行為取決于焊接用粉末，使用鋅粉的IMC層厚度最小，使用純鎂元素粉末的焊接接頭具有最大的耐腐蝕性。Narsimhachary等[38]研究了鋁-鋼釬焊接頭在不同含氯化鈉電解質(zhì)中的腐蝕性能。釬焊接頭在浸沒在腐蝕介質(zhì)中時(shí)發(fā)生電偶腐蝕，與富鋁相相比，鍍鋅鋼極易腐蝕；與高輸入熱量的接頭相比，低輸入熱量的釬焊試樣具有更好的耐腐蝕性。

圖6 界面τ5-Fe1.8Al7.2Si相形貌[36]Fig.6 τ5-Fe1.8Al7.2Si phase at interface morphology[36]

圖7 界面原位拉伸結(jié)果[36]Fig.7 Interface in situ tensile results[36]

4 結(jié)語與展望

在“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)下，交通工具節(jié)能減排帶來的輕量化需求使鋁合金與鋼復(fù)合連接結(jié)構(gòu)越來越多，其對(duì)接頭的性能要求也越來越高。鋁合金/鋼激光熔釬焊技術(shù)可滿足交通工具高效、低排放的要求，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的焊接方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金/鋼激光熔釬焊做了大量的研究工作，取得了很多創(chuàng)造性技術(shù)成果，但仍然不能滿足優(yōu)質(zhì)、高效、高可靠的批量制造應(yīng)用要求，還有很多問題亟待探索和研究。

（1）鋼母材表面釬料潤(rùn)濕鋪展的精準(zhǔn)可控：開展鍍層、釬劑、熱場(chǎng)、多組分釬料等條件下的潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)計(jì)算，闡明潤(rùn)濕機(jī)制。

（2）鋁合金/鋼激光熔釬焊界面反應(yīng)的精確可調(diào)：開展多能場(chǎng)輔助、多組元合金元素復(fù)合調(diào)控的固/界面反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算模型及界面化合物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型研究。

（3）鋁合金/鋼激光熔釬焊接頭的高強(qiáng)韌設(shè)計(jì)：建立鋁合金/鋼熔釬焊接頭高強(qiáng)韌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，精確調(diào)控界面化合物層尺寸、分布等。

（4）鋁合金/鋼熔釬焊接頭性能的可靠性評(píng)價(jià)：開展鋁合金/鋼激光熔釬焊接頭靜載、動(dòng)載及腐蝕性能的研究，闡明面向服役環(huán)境的接頭失效機(jī)制。