添加鈦箔鎂/鋁異種金屬激光焊接研究*

周惦武，趙 蕾，王新宇，張書邁，劉金水

（湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082）

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，輕金屬（鋁、鎂、鈦）及輕質(zhì)高強(qiáng)陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、C/C 復(fù)合材料等在航空工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及，將鋁合金與鈦合金或鎂合金焊接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)件的需求越來越迫切[1]。激光焊接是近年來發(fā)展迅速的連接技術(shù)，利用高能量的光束迅速熔化材料，同時(shí)快速凝固成形。由于其熱輸入小，焊后變形小，且焊接時(shí)間短、效率高，非常適合異種材料的連接[2–3]。但采用激光焊接方法對(duì)鎂/鋁異種金屬進(jìn)行焊接時(shí)，由于鎂/鋁的熔點(diǎn)相差小，兩種液態(tài)金屬的接觸不可避免，其液態(tài)之間的反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于固態(tài)金屬之間的反應(yīng)速度，Mg/Al 反應(yīng)易生成脆性Mg/Al 化合物，這些化合物不僅在鎂/鋁界面形成，還會(huì)進(jìn)入界面附近的熔池區(qū)，導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生脆性斷裂，降低鎂/鋁接頭性能。易生成脆性Mg/Al 化合物是采用熔焊方法實(shí)現(xiàn)鎂/鋁高效經(jīng)濟(jì)連接亟待解決的難題[4–5]。

國內(nèi)外研究者在鎂/鋁焊接方面開展了相關(guān)探索研究，其中具有代表性的工作如趙麗敏等[6]發(fā)現(xiàn)鋅夾層可阻止Mg/Al 元素相互擴(kuò)散；Chang 等[7]研究添加Ni 箔的Mg/Al激光攪拌摩擦焊時(shí)焊接接頭的組織變化；陳影[8]研究鎂/鋁攪拌摩擦搭接焊接頭的微觀組織和性能，發(fā)現(xiàn)形成Mg17Al12化合物，接頭性能有所改善；Qi 等[9]進(jìn)行添加軟鋼箔片中間層鎂/鋁搭接焊，發(fā)現(xiàn)接頭剪切強(qiáng)度隨中間層厚度的變化而變化，箔片厚度增大，剪切強(qiáng)度先增大后減?。籐iu[10]和Gao[11]等進(jìn)行添加中間夾層的鎂/鋁激光復(fù)合焊，發(fā)現(xiàn)Zn、Ce、Ti 均具有抑制脆性Mg/Al 化合物形成的作用，其中高熔、沸點(diǎn)的Ti 抑制脆性Mg/Al 化合物形成的效果較好，但機(jī)制清晰度不高；馬雨晴等[12]探索了加入Ni 中間層的鋁/鋼搭接焊的可行性；Wang 等[1]對(duì)鎂/鋁進(jìn)行添加Ni夾層的激光–電弧復(fù)合熔焊，發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)金屬間化合物的相組成影響接頭性能；Khodabakhshi 等[2]對(duì)AZ31 鎂合金板和6022 鋁合金進(jìn)行添加Ni 箔的擺動(dòng)激光熔焊，發(fā)現(xiàn)激光束擺動(dòng)減少接頭裂紋形成、增強(qiáng)熔池內(nèi)部混合，添加Ni 箔較好抑制Mg 和Al 發(fā)生反應(yīng)生成脆性Mg/Al化合物；李銘鋒等[13]對(duì)AZ31B 鎂合金板和鋁合金進(jìn)行添加金屬箔片的超聲波熔焊，發(fā)現(xiàn)添加Cu 箔后阻隔Mg/Al 化合物形成，Mg/Cu 斷口的大部分表面光滑；張書邁等[14]對(duì)鎂合金/鋁合金進(jìn)行添加Ni 箔的激光熔焊，發(fā)現(xiàn)添加Ni 箔限制鋁液中的Al擴(kuò)散進(jìn)入鎂熔池，減少Al、Mg 反應(yīng)生成脆性Mg/Al 化合物，此外接頭熔池區(qū)域中的Ni 與Al 反應(yīng)生成AlNi和Al3Ni 等Al–Ni 化合物；Peng 等[3]對(duì)鎂合金和鋁合金進(jìn)行添加Ag 箔的超聲波熔焊，發(fā)現(xiàn)Ag 箔與Mg 和Al 發(fā)生作用，抑制脆性Mg/Al 化合物生成，Mg/Al 界面被Mg/Ag 和Al/Ag 界面取代。從鎂/鋁焊接現(xiàn)有研究成果來看，影響鎂/鋁接頭性能的關(guān)鍵因素是脆性Mg/Al 化合物。為改善鎂/鋁接頭性能，主要通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和利用添加材料來影響Mg/Al 化合物形成。針對(duì)液態(tài)鎂/鋁易反應(yīng)生成脆性Mg/Al 化合物降低接頭性能的難題，本文提出鎂上/鋁下搭接、鎂/鋁層間添加Ti 箔的激光焊接技術(shù)，對(duì)AZ31 鎂合金和6061鋁合金進(jìn)行焊接，研究鈦箔–激光作用下鎂/鋁熔焊接頭的組織與性能，研究結(jié)果期望為推進(jìn)異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)件在航空制造中的應(yīng)用提供新思路。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為6061 鋁合金和AZ31 鎂合金薄板，板材規(guī)格分別為100 mm×30 mm×1.2 mm 和100 mm×30 mm×1.5 mm。夾層元素Ti采用箔片形式進(jìn)行添加，箔片規(guī)格為40 mm×30 mm×200 μm，其純度大于99.0%。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 6061 鋁合金和AZ31 鎂合金板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of 6061 aluminum alloy and AZ31 magnesium alloy sheet（mass fraction）%

試 驗(yàn) 設(shè) 備 采 用YLS–4000–CL型光纖激光器，以及Precitec 公司生產(chǎn)的YW50 激光頭，激光焦距為192 mm。考慮鋁合金的高反射率及鎂合金的低沸點(diǎn)，為保護(hù)激光頭及形成良好焊接熔池，鎂/鋁激光焊接時(shí)，采用鎂上/鋁下搭接、鎂/鋁層間添加箔片的方式，并將激光頭偏轉(zhuǎn)20°輻照板材表面，激光焦點(diǎn)位于鎂板上表面，即離焦量為0，采用Ar保護(hù)氣體進(jìn)行側(cè)吹和背面保護(hù)，激光焊接示意如圖1 所示。檢測(cè)焊接接頭剪切性能時(shí)，按照GB/T 2651—2008 制 備 拉 伸 試 樣（圖2），采 用Css–225 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，在室溫下以1 mm/min 速度進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，并取3 個(gè)相同試驗(yàn)條件下試樣性能的平均值；利用線切割機(jī)和熱鑲樣機(jī)制取8 mm×8 mm×2.9 mm大小的鋁/鎂接頭試樣（圖2 中A）研磨、拋光，鎂側(cè)用4.2 g 苦味酸+10 mL 乙酸+10 mL 水+100 mL 乙醇蝕刻，鋁側(cè)用2.5 mL 硝酸+1.5 mL 鹽酸+1 mL 氫氟酸+95 mL 水蝕刻，使用OLYMPUS DSX510 光學(xué)顯微鏡觀察接頭組織；采用QuANTA 200 環(huán)境掃描電鏡觀察不同倍數(shù)下鎂/鋁接頭組織微觀形貌、截面元素含量、組成及分布情況，采用西門子D500X 射線衍射（XRD）進(jìn)行物相檢測(cè)。

圖1 激光焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding

圖2 拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen

2 分析與討論

2.1 接頭表面形貌和性能

圖3 和4 分別為添加Ti 箔前后鎂/鋁激光焊接不同焊接參數(shù)條件下焊縫的表面形貌?？紤]焊件表面反射率的問題，用砂紙先將鎂板表面打磨粗糙，放置于鋁板的上方，并將激光頭偏轉(zhuǎn)20°進(jìn)行搭接焊接，發(fā)現(xiàn)離焦量為0，激光功率為1000 W，焊接速度為1200 mm/min 時(shí)，焊縫成型較好，但焊縫寬度窄，飛濺少（圖3），難形成有效連接，移動(dòng)焊件或制取拉伸樣時(shí)，焊接接頭易發(fā)生斷裂。添加Ti 箔時(shí)，保持焊接速度1200 mm/min，激光功率從1600 W 增加到1700 W，觀察焊縫的正面，發(fā)現(xiàn)焊縫寬度無明顯變化，表面輕微下陷，激光功率不高于1600 W 時(shí)，焊縫深度較淺，背面未觀察到痕跡，如圖4（a）和（b）所示；激光功率1650 W時(shí)，焊縫正面穩(wěn)定性降低，焊縫背面形成凹痕，如圖4（c）和（d）所示；激光功率1700 W 時(shí)，焊縫正面燒蝕痕跡明顯，背面可看到鋁側(cè)的熔深增加，如圖4（e）和（f）所示。激光功率1600～1700 W 之間時(shí)，焊縫形貌相對(duì)穩(wěn)定；低于1600 W 時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)鎂/鋁有效焊接，高于1700 W時(shí)，焊縫出現(xiàn)明顯的塌陷和焊透情況。

圖3 未添加Ti 箔鎂/鋁接頭表面形貌（P=1000 W, V=1200 mm/min）Fig.3 Surface morphology of Mg/Al joint without Ti–foil (P=1000 W, V=1200 mm/min)

圖4 添加Ti 箔鎂/鋁接頭表面形貌Fig.4 Surface morphology of Mg/Al joint with Ti–foil

比較添加不同厚度Ti 箔激光熔焊鎂/鋁接頭的性能，如表2 所示。發(fā)現(xiàn)隨著Ti 箔厚度的增加，鎂/鋁接頭的線強(qiáng)度先增加后減小；添加0.1 mm 厚度的Ti 箔時(shí)，鎂/鋁接頭線強(qiáng)度為33 N/mm；添加0.2 mm 厚度的Ti 箔時(shí)，鎂/鋁接頭線強(qiáng)度為58 N/mm；而添加0.3 mm 厚度的Ti 箔時(shí)，鎂/鋁接頭線強(qiáng)度為30 N/mm。由上可見，添加Ti 箔厚度選取0.2 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)鎂/鋁接頭性能最佳。

表2 添加不同厚度Ti 箔激光熔焊鎂/鋁接頭性能Table 2 Laser fusion welding Mg/Al joint properties with addition of varying thickness Ti–foil

2.2 焊縫熔池形貌

圖5 為未添加Ti 箔時(shí)鋁/鎂接頭的熔池形貌。發(fā)現(xiàn)其呈“V”形，激光焊接能量高、變形小，鎂合金和鋁合金熔點(diǎn)接近，鋁/鎂界面存在明顯的氣孔，鎂側(cè)孔洞和裂紋明顯，熔池底部缺陷最多。添加0.1 mm 厚的Ti 箔時(shí)，在鋁/鎂激光焊接過程中，Ti 箔被沖散在熔池內(nèi)部，未能阻礙鎂液和鋁液直接接觸，熔池形狀呈“碗狀”，熔池內(nèi)部的白色物質(zhì)，可能為含Ti 元素的化合物，界面未形成有效的阻隔層，如圖6（a）所示。此外，Ti箔輕微變形，可能是較大的熱輸入和較小厚度的Ti 箔所導(dǎo)致。因此，鋁側(cè)和Ti 箔的結(jié)合較差，鎂/鋁接頭性能提高不明顯。添加0.2 mm 厚的Ti 箔時(shí)，Ti 箔與上層鎂和下層鋁的界面結(jié)合狀態(tài)明顯改善，如圖6（b）所示，添加Ti 箔后較好抑制鎂液和鋁液直接接觸，避免Mg、Al 反應(yīng)生成脆性Mg/Al 化合物，添加Ti 箔起到阻隔效果，對(duì)提升鎂/鋁接頭性能十分有利。此外，激光束照射在上層Mg 側(cè)表面，Mg 側(cè)受熱開始熔化，當(dāng)熱量傳到Ti 箔中間層時(shí)，Mg板/Ti 箔結(jié)合優(yōu)于Ti 箔/Al 板結(jié)合，實(shí)現(xiàn)連接；然而較高熱輸入和Ti 較低的熱導(dǎo)率，當(dāng)Ti 箔厚度較小時(shí)，導(dǎo)致Ti 箔/Al 板結(jié)合前，熔化Ti 箔被沖散進(jìn)入到接頭熔池（圖6（a））。

圖5 未添加Ti 箔鎂/鋁接頭熔池形貌Fig.5 Molten pool morphology of Mg/Al joint without Ti–foil

圖6 添加Ti 箔鎂/鋁接頭熔池形貌Fig.6 Molten pool morphology of Mg/Al joint with Ti–foil

2.3 焊縫熔池成分分析

為確定焊接接頭的相結(jié)構(gòu)類型，對(duì)有無添加Ti 箔鎂/鋁接頭進(jìn)行XRD 分析。圖7 為添加0.1 mm 厚度Ti 箔接頭的XRD 檢測(cè)結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)接頭生成Ti–Al 化合物，可能是Ti箔的厚度較小，Ti 箔熔化后被沖散進(jìn)入到Mg 側(cè)熔池。圖8 為添加0.2 mm厚度Ti箔接頭的XRD檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鎂/鋁接頭存在Ti3Al 化合物。

圖7 添加0.1 mm Ti 箔接頭XRD 結(jié)果Fig.7 XRD results of joint with 0.1 mm Ti–foil

圖8 添加0.2 mm Ti 箔接頭XRD 結(jié)果Fig.8 XRD results of joint with 0.2 mm Ti–foil

圖9（a）和（b）分別為添加厚度0.1 mm 和0.2 mm Ti 箔鎂/鋁激光焊接熔池鎂側(cè)線掃描位置，圖9（c）和（d）為對(duì)應(yīng)的線掃描結(jié)果。發(fā)現(xiàn)Ti 元素的波動(dòng)范圍較小，熔池中Mg、Al 元素隨熔池流動(dòng)產(chǎn)生變化，結(jié)合XRD 檢測(cè)分析，添加0.1 mm厚的Ti 箔時(shí)，激光焊接接頭無明顯的Mg/Al 化合物產(chǎn)生；添加0.2 mm厚度的Ti 箔時(shí)，如圖9（d）所示，Ti元素有明顯的波動(dòng)，其成分占比較高，推測(cè)主要是未完全熔化的金屬Ti 隨流場(chǎng)沖散在Mg 側(cè)熔池。由于激光能量的輸入，Ti 箔中間層部分以塊狀的形式分布在熔池中，導(dǎo)致未能在Mg、Al 界面處起到隔斷效果。

圖9 鎂/鋁激光焊接鎂側(cè)線掃描結(jié)果Fig.9 Line scanning results of Mg side in Mg/Al laser welding

圖10 為未添加Ti 箔時(shí)鎂/鋁熔池的面掃描結(jié)果，發(fā)現(xiàn)接頭熔池存在明顯的裂縫與孔洞。圖11 為添加0.1 mm 厚度的Ti 箔時(shí)鎂/鋁熔池的面掃描結(jié)果，發(fā)現(xiàn)接頭主要由Mg、Al、Ti 3 種元素組成，熔池形貌發(fā)生明顯變化，由“V”形轉(zhuǎn)變成“酒杯狀”，鎂液和鋁液被Ti 箔中間層分隔，界面有明顯的分開痕跡，Mg 側(cè)熔池僅觀察到少量白色含Ti 的化合物，而Al側(cè)更少?？梢娞砑覶i 箔有效抑制了鎂液和鋁液直接接觸，避免Mg、Al反應(yīng)生成脆性Mg/Al 化合物。圖12為添加0.2 mm 厚度Ti 箔時(shí)鎂/鋁熔池形貌，發(fā)現(xiàn)隨著Ti 箔厚度的增加，Al 側(cè)熔池增加，熔池內(nèi)部白色顆粒狀含Ti 的物質(zhì)較明顯。Ti 箔與Al 側(cè)基體結(jié)合面存在明顯的縫隙，顯示靠近鋁側(cè)基體，Ti 箔處于熔化狀態(tài)。添加Ti 箔時(shí)，對(duì)鎂/鋁異種金屬進(jìn)行激光焊接：（1）Ti 箔熔化，含Ti 元素的化合物分布在熔池內(nèi)部；（2）由于Ti 的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，離熱源中心較遠(yuǎn)，Ti 箔熔化不完全，因此Ti 箔與母材基體的結(jié)合有待提高。

圖10 未添加Ti 箔鎂/鋁接頭熔池面掃描結(jié)果Fig.10 Surface scanning results of molten pool of Mg/Al joint without Ti–foil

圖11 添加0.1 mm Ti 箔鎂/鋁接頭熔池面掃描結(jié)果Fig.11 Surface scanning results of molten pool of Mg/Al joint with 0.1 mm Ti–foil

圖12 添加0.2 mm Ti 箔鎂/鋁接頭熔池面掃描結(jié)果Fig.12 Surface scanning results of molten pool of Mg/Al joint with 0.2 mm Ti–foil

3 結(jié)論

采用鎂上/鋁下搭接、鎂/鋁層間添加Ti 箔的激光焊接技術(shù)，對(duì)AZ31 鎂合金和6061 鋁合金進(jìn)行焊接，研究Ti 箔–激光作用下鎂/鋁熔焊接頭的組織與性能，得到結(jié)論主要如下。

（1）在激光功率1600～1700 W、焊接速度1200 mm/min、激光頭偏轉(zhuǎn)20°、離焦量0、采用Ar 保護(hù)氣體進(jìn)行側(cè)吹和背面保護(hù)的工藝條件下，添加Ti 箔可實(shí)現(xiàn)鎂/鋁有效連接，鎂/鋁接頭剪切強(qiáng)度（線強(qiáng)度）達(dá)到58 N/mm。

（2）添加Ti 箔，熔池形貌由未添加Ti 箔時(shí)的“V”形轉(zhuǎn)變成添加Ti箔時(shí)的“酒杯狀”，隨著Ti 箔厚度的增加，鎂/鋁接頭的熔池深度增加，靠近鋁側(cè)基體的Ti 箔部分熔化，Ti元素分布在熔池內(nèi)部，生成Ti3Al 化合物。

（3）添加Ti 箔，抑制鎂液和鋁液直接接觸，避免Mg、Al 反應(yīng)生成脆性Mg/Al 化合物，添加Ti 箔起到阻隔效果，但Ti 箔導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，離激光熱源較遠(yuǎn)，Ti 箔熔化不完全，Ti 箔與母材基體的結(jié)合有待提高。