不銹鋼薄板搭接激光軟釬焊接頭組織與性能

劉勇，李剛卿，王生希，韓曉輝，王博，葉結和

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島,266111；2.中國機械總院集團寧波智能機床研究院有限公司,寧波,315700)

0 序言

不銹鋼具有強度高和抗腐蝕性好等優(yōu)點，廣泛應用于交通運輸、核電、能源、醫(yī)療器械等領域[1-5].目前，由于不銹鋼具有線膨脹系數(shù)大、熱導率低等特性[6-7]，采用常規(guī)弧焊或電阻點焊對城市軌道交通車輛的薄板不銹鋼車體進行焊接，存在如下問題：薄板弧焊易出現(xiàn)裂紋、變形、燒穿等缺陷[8]；而電阻焊焊縫不連續(xù)[9]，無法實現(xiàn)防雨和降噪，當前國內(nèi)一般采用硅烷密封劑對電阻焊焊縫進行膠粘密封，存在有機物污染、密封強度差和易老化失效等問題[10].國外有采用錫基軟釬焊的工程應用，但是使用的釬料為含鉛的錫基釬料，當前這種材料在國內(nèi)已禁止使用.

激光焊作為一種高能束焊接方法，具有焊縫窄、熱影響區(qū)小、工件變形小、焊接速度快、激光可達性好、生產(chǎn)效率高以及顯著的“凈化效應”等特點[11-14]，在不銹鋼薄板焊接領域中應用越來越廣泛[15].激光釬焊的主要特點是熱輸入小[16-17]，適用于夾層構件、蜂窩結構、薄板結構等異種復雜金屬構件的潤濕、鋪展和填縫等[18-19].

激光釬焊的關鍵在于激光功率與離焦量、加熱位置和激光束角度等工藝參數(shù)的設計與優(yōu)化.如激光束匯聚在釬料上，溫度過高導致釬料熔化過快，而母材溫度不足使釬料不能很好地潤濕母材，影響釬料的填充效果，釬縫成形變差；激光束匯聚在母材上，釬料溫度有可能過低，導致流動性較差，此外，母材也可能過熱熔化，促使釬料直接進入熔池形成脆性相，惡化釬縫性能[20-21].

激光軟釬焊可進一步降低薄板變形，但目前采用激光軟釬焊實現(xiàn)不銹鋼薄板搭接釬縫可靠密封的研究鮮有報道.對電阻點焊后的不銹鋼搭接縫進行激光軟釬焊研究，并對釬縫組織與界面性能進行表征分析，可為不銹鋼薄板激光軟釬焊技術的研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論支持.

1 試驗方法

試驗所選母材為304 不銹鋼，試樣尺寸為200 mm × 25 mm × 1 mm，其成分如表1 所示.試驗前用丙酮去除不銹鋼表面油污以及雜質(zhì).試驗所選釬料為φ1.6 mm 的自制錫基合金絲SnSb8Cu4，其成分如表2 所示.試驗選用自制液態(tài)無機酸作為釬劑.

表1 304 不銹鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 304 stainless steel

表2 SnSb8Cu4 焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical compositions of SnSb8Cu4 solder wire

釬焊設備采用銳科CAMHW 1000 型連續(xù)式光纖激光器，激光軟釬焊工藝參數(shù)如表3 所示.試板采用搭接形式，搭接寬度為5 mm，組裝間隙為0.2 mm，絲狀釬料預置在焊縫處，如圖1 所示.

圖1 激光軟釬焊示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of laser soldering

表3 激光軟釬焊工藝參數(shù)Table 3 Laser soldering process parameters

焊后使用線切割機取樣，經(jīng)過磨拋后，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣.使用體視顯微鏡對焊縫截面的宏觀形貌進行觀察.借助Zeiss Axio Vert，A1 光學顯微鏡(optical microscope,OM)、Zeiss EVO 10 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)及其自帶的牛津 Ultim Max 型能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對釬料和釬焊接頭進行形貌觀察和成分分析.

依據(jù)標準GB/T 11363—2008《釬焊接頭強度試驗方法》采用 MTS Exceed E44 型電子萬能試驗機開展接頭剪切試驗，試樣尺寸為45 mm × 20 mm ×2 mm，拉伸速率為 1 mm/min，試驗重復3 次，試驗結果取其平均值.采用Rigaku D/max-2500/PC 型 X射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)對剪切試樣斷口的相組成進行檢測.

2 試驗結果與分析

2.1 釬縫宏觀形貌

圖2 為激光軟釬焊釬縫形貌.試驗獲得的釬縫外貌如圖2a 所示，釬縫外觀光滑美觀，釬縫寬度均勻一致，釬焊后試板基本無變形，外觀無變色，不需要焊后處理.從圖2b 可以看出，不銹鋼母材在釬焊過程中沒有熔化，這是由于釬焊溫度較低，約為400 ℃，遠遠達不到母材的熔點，雖然采用高能束激光熱源，但在離焦量為300 mm 和激光束傾角為60°條件下進行精準低熱輸入，熔化的釬料在不銹鋼母材表面潤濕鋪展，潤濕鋪展較好，釬著率高.釬縫正面與母材之間形成光滑的圓弧過渡，釬縫整體均勻致密，釬縫內(nèi)部沒有出現(xiàn)熔蝕、未釬透、裂紋和氣孔夾雜等缺陷，釬料能夠連續(xù)填滿5 mm 搭接縫.

圖2 激光軟釬焊釬縫形貌Fig.2 Laser soldering seam morphology.(a) appearance of soldering seam;(b) cross section of soldering seam

2.2 釬縫微觀組織

圖3 為釬料和釬縫的顯微組織.由圖3a 可見，有較多的小菱形塊狀析出物均勻分布在錫基巴氏合金基體中.基體相為黑色部分的錫基固溶體相，基體相中除彌散分布的塊狀析出物，還有細小白色顆粒狀析出物.從圖3b 可以明顯看出，釬焊接頭分為不銹鋼母材區(qū)、釬縫區(qū)、不銹鋼母材區(qū)3 個區(qū)域，釬縫區(qū)和母材區(qū)邊界清晰明顯，釬縫顯微組織主要由黑色錫基固溶體相，大菱形塊狀白色相和短棒狀白色相組成，白色相在釬縫中的分布與在釬料中的分布不同，呈現(xiàn)出較明顯的不均勻分布，可能是在釬焊過程中錫基固溶體熔化及流動鋪展使釬料中小塊狀白色相匯聚偏析形成.

圖3 釬料和釬縫微觀組織Fig.3 Microstructure of filler metal and soldering joint.(a) filler seam;(b) soldering seam

圖4 為釬縫的微觀組織形貌，釬縫區(qū)組織和金相觀察結果一致，也是由形貌不同的兩種相組織和基體固溶體相組成，對其中的塊狀物成分進行EDS點分析，點成分分析結果如表4 所示.點 A 和點 B處菱形塊狀析出物中主要為Sn，Sb 元素，錫、銻摩爾分數(shù)比分別為xSn/xSb=47.87/30.91 和xSn/xSb=48.63/34.30，A，B 摩爾分數(shù)比基本相近，考慮到錫基固溶體中Sn 元素對檢測結果的影響，A，B 菱形塊狀析出物為 SnSb 相.點 C 和點 D 處元素組成基本相同，其中Sn，Cu 元素摩爾分數(shù)比分別為xSn/xCu=53.26/49.53 和xSn/xCu=49.92/55.70，C，D 點摩爾分數(shù)比基本相近，可知兩處的短棒狀析出物為同一種析出相.考慮到錫基固溶體對 Sn 元素含量的影響并結合XRD 檢測結果可知，短棒狀析出物為Cu6Sn5相.

圖4 釬縫的微觀組織Fig.4 Microstructure of soldering seam

表4 釬縫EDS 點分析結果(原子分數(shù)，%)Table 4 EDS point analysis results of soldering seam

圖5 為釬縫區(qū)沿圖4 箭頭所示的線掃描結果EDS 線掃描圖.結果表明，F(xiàn)e 元素主要分布在母材區(qū)域，Sn 元素主要分布在釬縫區(qū)域，說明在釬焊過程中，不銹鋼中的主要元素成分和釬縫釬料無明顯擴散，從接頭界面結合處發(fā)現(xiàn)Fe 和Sn 元素有微小擴散距離.

圖5 釬縫界面線掃描圖Fig.5 Line scanning diagram of soldering seam interface

根據(jù)文獻[22]，固體Fe 和液態(tài)Sn 在350 ℃左右保溫50 h，固體Fe 和液態(tài)Sn 之間有擴散深度約為36 μm 的FeSn2金屬間化合物層,且擴散深度和時間近似成線性正比例關系.在激光軟釬焊過程中，釬焊溫度約為400 ℃，且激光束在釬焊過程中以一定的速度移動，幾乎沒有保溫時間.因此可認為釬料和母材之間形成約1～ 2 μm FeSn2金屬化合物.

2.3 力學性能

通過試驗獲得激光軟釬焊釬縫抗剪強度如表5 所示，激光軟釬焊獲得的釬縫的平均抗剪強度為39 MPa.由圖2 可知，激光釬焊過程中釬料進入釬縫中.結合圖6 釬縫剪切斷口形貌可知，釬縫區(qū)組織比較均勻，釬料潤濕鋪展在整個釬縫，釬料在釬焊過程中均勻連續(xù)鋪展，釬著率高，斷裂發(fā)生在釬縫，因此獲得接縫的力學性能穩(wěn)定.

圖6 釬焊接頭剪切斷口的表面形貌Fig.6 Surface morphology of soldered joint shear fracture

表5 釬焊接頭抗剪強度Table 5 Shearing strength of the soldering seam MPa

為進一步分析釬縫內(nèi)相組成，采用 XRD 對剪切試樣斷口的相組成進行檢測，檢測結果如圖7所示.激光釬焊接頭剪切斷口主要由錫基固溶體相、SnSb 相和Cu6Sn5相組成，Sb 與Cu 元素一部分分布于錫中形成錫基固溶體起強化基體的作用，另一部分與Sn 形成金屬間化合物 SnSb 和 Cu6Sn5.

圖7 接頭拉伸斷口XRD 譜Fig.7 XRD pattern of tensile fracture of the joint

3 結論

(1) 采用錫基釬料對304 不銹鋼薄板搭接縫進行激光軟釬焊，在激光功率為0.2 kW、離焦量為300 mm、激光束傾角為60°和焊接速度為2 mm/s的工藝條件下,獲得的釬縫表面成形較好，光滑連續(xù)，焊后幾乎無變形，表面不變色，填縫深度可達5 mm.

(2) 試驗獲得的釬縫組織均勻致密，主要由錫基固溶體相、SnSb 相和Cu6Sn5相3 種相組成，連續(xù)完整，無氣孔、裂紋等缺陷，不銹鋼和釬縫之間界面清晰，不銹鋼主要成分和釬料之間擴散不明顯，只存在1～ 2 μm 的FeSn2金屬化合物.

(3) 激光軟釬焊接頭的抗剪強度達到39 MPa，斷裂發(fā)生在釬縫上，能夠滿足薄板不銹鋼搭接焊的工程應用.