Cs 對鋁/鋼激光熔釬焊接頭組織及性能的影響

劉陸濤,浦娟

(江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 前言

鋁/鋼異種金屬材料連接因兩者的物理性能差異大，難以獲取冶金優(yōu)良的焊接接頭[1]，尤其是界面極易生成脆性的Al-Fe 金屬間化合物，使焊縫產(chǎn)生裂紋，降低焊縫的力學性能[2]。由此，抑制脆性的Al-Fe金屬間化合物產(chǎn)生是獲得優(yōu)質(zhì)鋁合金/鋼接頭的關(guān)鍵所在。

大量的研究表明，在鋁/鋼焊接中添加不同的元素可以顯著抑制Al，F(xiàn)e 之間的擴散冶金反應[3-4]，從而提高焊接接頭的力學性能。Dong 等學者[5]研究了采用AlSi5 和AlSi12 的焊絲對鋁/鋼的界面處的IMC 和接頭力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)：相比于AlSi5，由AlSi12 得到焊接接頭的界面IMC 變薄，接頭強度也更高，這說明Si 元素具有抑制Fe 原子向Al 原子擴散的作用。Xia 等學者[6]研究發(fā)現(xiàn)加入Si 元素可以抑制Al-Fe 金屬間化合物的生長。添加合金元素對改善Al-Fe 金屬間化合物性能的效果同樣顯著[7]，章橋新等學者[8]研究發(fā)現(xiàn)通過“合金化”的途徑能夠改善化合物的脆性。到目前為止，研究發(fā)現(xiàn)能夠改善Al-Fe 化合物性能的元素主要包括B，Zr，Sr 及稀土元素Sc，La，Ce 等[9-10]。

抑制脆性的Al-Fe 金屬間化合物生成另一個重要措施是精準控制鋁合金和鋼焊接過程中的熱輸入[11]。于曉全等學者[12]研究發(fā)現(xiàn)金屬間化合物厚度與鋪展寬度隨熱輸入增加而線性增加。研究認為，使用激光作為熱源進行焊接具有更高的焊接速度、更低的焊后變形量和更精確的熔化位置的控制，工業(yè)化程度較高。

因此，該文用含Cs 和不含Cs 的AlSi12 藥芯焊絲對6061 鋁合金和Q235 鋼進行激光熔釬焊工藝試驗研究，分析藥芯釬劑中Cs 元素對焊接接頭宏觀形貌、微觀組織構(gòu)成及拉伸性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗所選母材為6061 鋁合金（抗拉強度290 MPa）和Q235 低碳鋼（抗拉強度375 MPa），尺寸均為150 mm ×80 mm×2 mm，填充焊絲為直徑1.6 mm 的AlSi12 藥芯焊絲（210 MPa），藥芯成分為無Cs 型No-clock 釬劑（100% KAlF4）和含Cs 型No-clock 釬劑（97% KAlF4+3%CsAlF4），具體成分見表1。

表1 母材及藥芯焊絲的化學成分（質(zhì)量分數(shù),%）

用AlSi12 藥芯焊絲對鋁合金和鋼進行激光熔釬焊工藝試驗，焊接裝配示意圖如圖1 所示。母材采用對接的形式裝配，在母材下方放置一塊銅基板，通過銅的高導熱性，消除焊接過程中產(chǎn)生的部分熱量減少金屬間化合物的生長。激光與工件垂直方向偏轉(zhuǎn)10°，防止激光反射對激光頭造成燒損，具體激光熔-釬焊工藝參數(shù)見表2。

圖1 激光焊接裝配圖

表2 激光熔釬焊工藝參數(shù)

沿著垂直于焊縫方向截取金相試樣與拉伸試樣。對金相試樣進行研磨、拋光和腐蝕后，用光學顯微鏡對焊接接頭進行顯微組織觀察，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）和集成能量色散X 射線光譜（EDS）進行IMC層半定量成分分析。2 種焊絲各取3 個部位制備拉伸試樣，進行拉伸性能測試，拉伸結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

圖2 為無Cs 型和含Cs 型AlSi12 藥芯焊絲激光熔釬焊鋁合金和鋼的接頭宏觀形貌圖。由圖可知，藥芯焊絲中無Cs 時，鋁合金/鋼焊接接頭的正面和背面焊縫不夠光滑、連續(xù)，如圖2a 和圖2b 所示。藥芯焊絲加了Cs，激光熔釬焊接頭的正面和背面焊縫較為光滑、連續(xù)，成形更為美觀，如圖2d 和圖2e 所示。對比圖2c 和圖2f 橫截面圖，可以看出藥芯焊絲中加了Cs 后，焊接接頭的潤濕角由44.5°降低至38.2°。由此可知，藥芯焊絲中加Cs 后，焊縫的潤濕性顯著提高，焊縫整體形貌更加美觀。這主要是因為藥芯釬劑中加入Cs 元素會使釬劑的熔點變低，釬料的流動性增加，從而獲得更為美觀的焊縫形貌。

圖2 不同焊絲鋁/鋼焊接接頭宏觀形貌

2.2 接頭微觀組織

圖3a～圖3c 是無Cs 型焊絲鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫、鋼側(cè)釬焊區(qū)的微觀組織，圖3d～圖3f 是含Cs 型焊絲鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫、鋼側(cè)釬焊區(qū)的微觀組織。從圖3中可以看出，當藥芯焊絲中加入Cs 元素后，鋁側(cè)熔合區(qū)的Al-Si 共晶組織與α-Al 固溶體分布更分散，在焊縫與鋼側(cè)釬焊區(qū)出現(xiàn)了更多更大的塊狀組織，大量的Al-Si 共晶組織從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)獒槜l狀，分布雜亂無章。因為Cs 元素的加入使釬料的熔點降低，流動性增加，導致Al-Si 共晶不再沿著α-Al 固溶體析出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖3 不同焊絲焊接接頭微觀組織

圖4 為無Cs 型和含Cs 型鋼側(cè)釬焊區(qū)界面層SEM形貌，表3 為EDS 點掃描結(jié)果。根據(jù)能譜結(jié)果，釬劑中無Cs 元素時，IMC 界面層主要為連續(xù)均質(zhì)的τ5-Fe1.8Al7.2Si，靠近鋼側(cè)生成了少量的θ-Fe2(Al,Si)5。當釬劑中加入Cs 元素后，IMC 界面層厚度減小，大量的Fe元素向鋁側(cè)擴散，在鋼側(cè)形成了Fe3Al 與θ-Fe2(Al,Si)5，IMC 界面層由鋸齒狀變?yōu)楸訝畹摩?-Fe1.8Al7.2Si。

圖4 不同焊絲鋼側(cè)釬焊區(qū)界面層SEM 形貌

表3 圖4 中EDS 點掃結(jié)果

圖5 為無Cs 型和含Cs 型鋼側(cè)釬焊區(qū)EDS 線掃描結(jié)果。從焊縫到鋼側(cè)母材，Al，F(xiàn)e 和Si 元素均發(fā)生突變，不同焊絲界面層元素呈現(xiàn)相同的變化趨勢，Al元素逐漸減少，F(xiàn)e 元素逐漸增加，Si 元素在界面處發(fā)生了偏聚效應。當釬劑中無Cs 元素時，IMC 界面層厚度為2.06 μm，而加入Cs 元素后，IMC 界面層厚度降低為1.64 μm，并且可以發(fā)現(xiàn)靠近鋼側(cè)的IMC 界面層Fe 元素含量比例較高，說明大量的Fe 元素進入了IMC界面層，而后急劇降低，這與點掃結(jié)果相對應。根據(jù)線掃描結(jié)果，無論是否含有Cs 元素，IMC 界面層還應存在θ-Fe(Al,Si)3[13]，但由于IMC 界面層以τ5-Fe1.8Al7.2Si為主，并且厚度較薄，點掃描并未掃到。

圖5 不同焊絲鋼側(cè)釬焊區(qū)EDS 線掃描

2.3 Cs 元素對接頭力學性能的影響

圖6 為不同焊絲的接頭抗拉強度。據(jù)了解AlSi12的抗拉強度大約是210 MPa[14]，由圖6 可知，當釬劑無Cs 元素時，焊接接頭的抗拉強度為203 MPa，達到了96.7%。當釬劑中加入Cs 元素后，焊接接頭的抗拉強度反而降低至182 MPa，達到了86.7%。這是由于釬劑中加入Cs 元素后，雖然流動性增加，提升了鋼側(cè)背部的潤濕性，但是在正面的潤濕鋪展變低，力學性能反而不如無Cs 型AlSi12。

圖6 不同焊絲焊接接頭的抗拉強度

抗拉強度還與界面層相關(guān)，無Cs 型焊接接頭IMC成分以τ5-Fe1.8Al7.2Si 為主，厚度為2.06 μm，而含Cs 型焊接接頭IMC 成分雖然也以τ5-Fe1.8Al7.2Si 為主，但是根據(jù)EDS 結(jié)果表明，IMC 成分更復雜，均質(zhì)性不如無Cs 型，導致結(jié)合力降低。Cs 元素的加入雖然使IMC厚度降低至1.64 μm，但IMC 厚度并不是越低越好，夏鴻博[15]研究發(fā)現(xiàn)當界面結(jié)合的IMC 為2～3 μm 的單一τ5-Fe1.8Al7.2Si 相時，界面具有最高的平均結(jié)合強度和最大的平均斷裂位移。無Cs 型AlSi12 界面層厚度適中且比較均勻單一，因此焊縫具有更好的抗拉性能。

3 結(jié)論

（1）Cs 元素提高了焊絲在母材表面的潤濕鋪展性能，獲得飽滿美觀的焊接接頭。

（2）Cs 元素通過冶金反應進入鋁/鋼焊接接頭，一定程度上阻礙了Al，F(xiàn)e 之間的反應，降低了接頭界面反應層的金屬間化合物IMC 厚度，IMC 界面層厚度從2.06 μm 降低至1.64 μm。

（3）Cs 元素降低了焊接接頭的抗拉強度，從203 MPa降低至182 MPa。