鋁-鋼異種金屬激光熔釬焊工藝研究

張廣棟，湯立松

（1.承德石油高等?？茖W校汽車工程系，承德067000；2.承德石油高等?？茖W校 機械工程系，承德067000）

引 言

汽車保有量的大幅增加導致了能源消耗和環境污染等諸多問題，而汽車輕量化是解決全球環境負擔的關鍵環節［1-2］。鋁-鋼異種金屬連接的復合結構件，充分結合了鋁合金優異的輕質、耐腐蝕性能、易于加工性和鋼的高強度、高延展性、韌性等優勢，在汽車輕量化的研究進程中成為一個熱點［3-4］。激光傳輸焊接作為一種新興的特種加工技術，具有焊接速度快、精度高、熱影響區小和可精確控制工藝參量及作用時間等優勢，已被廣泛應用于鋁-鋼異種金屬的連接中［5-6］。然而，鋁鋼兩種金屬的物理、化學性能差異較大，相互溶解度也較低，因此在焊接冷卻過程中極易在反應界面形成如 FeAl，FeAl2，Fe2Al5和 Fe4Al13等硬脆的Al-Fe金屬間化合物，降低焊接接頭的韌性和延展性。若工藝參量不當甚至出現焊接裂紋，還會嚴重影響其強度［7］。

激光熔釬焊結合了熔焊和釬焊的優點，可有效控制鋁-鋼反應層金屬間化合物厚度，提高連接強度。焊接過程中由于鋁合金的光反射率較高，會導致激光能量利用率降低。選擇送粉的方式進行激光熔釬焊的優勢在于，一方面粉末顆粒落到鋁合金表面可增加其粗糙度，提高工件對激光束的吸收率；另一方面，部分激光束經工件表面反射作用于粉末束流中，會被粉末再次反射重新作用于工件，從而進一步提高了焊接過程中對激光能量的利用率。LIU等人［8］進行了鋁-鋼激光送粉熔釬焊試驗，通過調控激光工藝參量實現了鋁鋼連接，將反應層金屬間化合物厚度控制在6μm～7μm，強度達到 174N/mm。ZHANG等人［9］研究了不同填充粉末對鋁-鋼激光送粉熔釬焊接頭性能的影響。研究發現，采用AlSi12填充粉末時有效改善了接頭成形質量，若將反應層金屬間化合物厚度控制在4μm左右，接頭強度可達到鋁合金母材的67.6%。

鋁-鋼搭接激光焊接過程中，由于兩材料的熔點、導熱性及熔體粘性存在較大差異，因此焊接時激光束焦點位置需要設定一定偏移量，才能使得鋁合金和填充粉末合理熔化，提高接頭整體質量［10-11］。激光偏移量可有效改變激光束的作用位置和能量分布，從而對焊縫整體成形、金屬間化合物及力學性能產生較大影響［12-13］。本文中采用純鋁粉末作為送粉填充粉末，進行鋁-鋼激光熔釬焊試驗，研究了添加釬劑對接頭成形和激光偏移量對鋁-鋼釬焊接頭潤濕鋪展效果、金屬間化合物厚度和力學性能等的影響，并對鋁-鋼釬焊接頭進行了機理研究。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用尺寸為100mm×50mm×1.5mm的2024鋁合金和100mm×50mm×1.5mm的08Al鋼。焊前將鋁合金浸泡在飽和氫氧化鈉溶液中去除表面氧化膜，然后用HF（質量分數為0.03）+HCl（質量分數為0.07）混合溶液進行中和，最后用丙酮對鋁合金和鋼表面進行清洗。試驗中采用的填充材料是粒度為70μm～110μm的純鋁粉末，純鋁粉末作為本實驗中的釬料。為提高釬料的潤濕鋪展效果，采用Nocolok釬劑，主要由KAlF4和K3AlF6組成。材料的化學成分如表1和表2所示。

Table 1 Chemical composition of 2024 aluminum alloy（mass fraction）

Table 2 Chemical composition of 08Al steel（mass fraction）

1.2 試驗設備及方法

采用德國Trumph公司生產的HL4006D型Nd∶YAG激光器與KUKA機器人組成的智能焊接系統，激光波長λ=1064nm，光束質量因子為25mm·mrad，焦點位置光斑直徑D=0.6mm，焦點處的激光能量分布如圖1所示。送粉設備為PFL-2A型送粉器，激光焊接頭與送粉頭采用旁軸連接方式，呈30°夾角。圖2所示為激光焊接設備實物圖。圖3所示為焊接過程示意圖。

本試驗中采用鋁上鋼下的搭接焊接方式，在焊接前將釬劑與酒精的混合物均勻涂抹于鋼表面，激光束采用垂直入射方式，送粉頭旁軸送粉。試驗的具體工藝參量如表3所示。

Table 3 Laser fusion-brazing conditions

Fig.1 Energy distribution map of laser beam

Fig.2 Physical drawing of laser welding equipment

Fig.3 Schematic diagram of the welding process

Fig.4 Method ofmeasurement of wetting angle

焊后用線切割制取金相試樣和拉伸試樣，采用體式顯微鏡對焊縫的宏觀形貌進行觀測，并測量焊縫的潤濕角和連接寬度，潤濕角的測量方法如圖4所示。采用 Keller試劑（HNO3（質量分數為0.025）+HCl（質量分數為0.015）+HF（質量分數為0.01）水溶液）對鋁側進行腐蝕，用硝酸酒精溶液（質量分數為0.04）對鋼側進行腐蝕，然后用金相顯微鏡和掃描電鏡對焊縫微觀形貌進行觀測，并測量金屬間化合物厚度以及各元素的分布情況；采用拉伸試驗機測量焊縫的力學性能。

2 試驗結果分析與討論

2.1 釬劑對焊縫成形的影響

圖5中對比了有無添加釬劑對鋁-鋼激光熔釬焊焊縫成形的影響。由圖中可看出，未添加釬劑時，焊縫連接寬度較小，焊縫出現咬邊和塌陷等缺陷，且潤濕角已經超過90°，焊趾區域未實現有效連接，在承受拉伸剪切作用力時，易在缺陷處和焊趾處應力集中而發生脆斷，其連接強度非常低。在添加釬劑之后，焊縫連接寬度顯著增加，焊縫成形均勻飽滿，咬邊和塌陷等缺陷得到改善，且潤濕角減小，焊趾區域未見開裂現象。這是因為鋁鋼兩種金屬物理化學性能差異較大，且鋁表面附著一層氧化鋁，使得鋁熔體在鋼側的潤濕鋪展性較差。然而，添加釬劑之后，由于釬劑熔點較低，焊接時釬劑首先熔化，熔化的釬劑會有效去除母材表層氧化膜，促進表面活化，減小表面張力，提高熔融釬料在鋼表面的潤濕鋪展性，有效實現鋁-鋼異種金屬連接。

Fig.5 Effect of brazing flux on brazing seam forming of aluminum-steela—with brazing flux b—without brazing flux

2.2 激光偏移量對焊縫形貌及力學性能的影響

激光偏移量是指激光束焦點的中心位置偏離焊縫中心一定的距離。激光偏移量的選擇與設定可有效調控作用在焊件上的激光能量分布和焊縫中的熱輸入量，從而影響焊縫的整體性能。本試驗為填粉熔釬焊，要保證鋁合金與填充粉末充分熔化并與鋼反應，因此以激光束向鋁合金側偏移為正偏移量。激光偏移量的示意圖如圖6所示。

圖7所示為激光偏移量Δd=0mm～1.6mm時焊縫的宏觀形貌和截面形貌。圖8所示為激光偏移量對焊縫潤濕角的影響。隨著偏移量的增加，潤濕角整體呈增大趨勢。圖9所示為激光偏移量對焊縫力學性能的影響。焊縫的平均機械抗力隨偏移量增加呈先增大后減小的趨勢。

Fig.6 Schematic diagram of laser offset

Fig.7 Effect of laser offset on macro-morphology of weldeda—Δd=0mm b—Δd=0.4mm c—Δd=0.8mm d—Δd=1.2mm e—Δd=1.6mm

Fig.8 Effect of Laser offset on weld wetting angle

Fig.9 Effect of laser offset on mechanical properties ofweld

由圖中可看出，在偏移量為0mm和0.4mm時，鋼側吸收大量的激光能量而發生熔化，鋁合金母材和釬料熔體在高溫作用下粘性系數和表面張力減小，使其在鋼母材的潤濕性提高，因此潤濕角較小。然而由于鋼母材大量熔化導致Fe與Al在釬焊界面產生大量硬脆金屬間化合物，當反應層的金屬間化合物的厚度達到一定值時便會出現裂紋［14］，本試驗中偏移量為0mm和0.4mm時，在鋁-鋼熔釬焊界面出現開裂現象，因此其連接強度非常低。通過調整激光偏移量可直接決定鋼和鋁的熔化量，在偏移量為0.8mm時，焊縫成形均勻，無明顯缺陷，此時焊縫的抗拉性能最好，平均機械抗力達到210N/mm。隨著激光偏移量繼續增加，熱源中心位置偏離焊趾區，由于激光能量為高斯熱源分布，四周能量分布較低，導致焊趾區吸收熱量不足，此時鋁熔體粘性系數相對較大，發生團聚，致使在釬焊界面發生局部未熔合現象，且鋁熔體流動性較差，在鋼表面的潤濕鋪展性較差，潤濕角達到55°左右，出現咬邊和塌陷等缺陷，其連接強度明顯降低。

Fig.10 Effect of laser offset on thickness and distribution of intermetallic compounds in weldsa—Δd=0mm b—Δd=0.4mm c—Δd=0.8mm d—Δd=1.2mm e—Δd=1.6mm

圖10 所示為不同激光偏移量對鋁-鋼熔釬焊界面金屬間化合物厚度及分布的影響。由圖中可發現，激光偏移量為0mm和0.4mm時，界面存在裂紋并未完全熔合發生連接。隨著激光偏移量的增大，釬焊界面的“條狀”金屬間化合物逐漸均勻平緩且厚度減小，由激光偏移量為0.8mm時的8μm減小到激光偏移量為1.6mm時的6.3μm，金屬間化合物厚度在該范圍時接頭的整體力學性能較好［15］，且彌散于鋁合金中的“針狀”金屬間化合物的數量和尺寸逐漸減小，這是因為當激光偏移量增加時，鋼母材直接接收的激光能量減少，使得鋼基材料中的鐵元素和錳元素向鋁合金熔體中的溶解擴散過程減緩，導致金屬間化合物厚度和數量減少。

2.3 釬焊界面微觀組織形貌、元素分布及斷口分析

圖11所示為激光功率3.5kW、激光偏移量0.8mm、離焦量+12mm、焊接速率1.2m/min、送粉速率0.47g/min時，鋁-鋼激光熔釬焊接頭的微觀組織形貌。熔合區主要由鋁合金和填充的純鋁粉末組成，以柱狀枝晶組織為主；熔釬焊界面分布著厚度為8μm左右均勻連續的條狀金屬間化合物以及清晰可見“針狀”金屬間化合物。

Fig.11 Effect of laser offset on thickness and distribution of intermetallic compounds in welds

為了觀測釬焊界面Al元素和Fe元素的分布情況，對鋁-鋼激光熔釬焊界面進行能量透射光譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）面掃描分析，得到如圖12所示的結果。從圖中可明顯看出，界面中間反應層分布著Al元素和Fe元素，共同組成了“條狀”金屬間化合物，焊接過程中Fe元素向熔融鋁合金和釬料中溶解擴散，在凝固后的熔合區形成“針狀”金屬間化合物。

Fig.12 Scanning results of EDS of laser brazing interface between aluminum and steel

圖13 所示為鋁-鋼激光熔釬焊界面掃描電鏡照片以及進行EDS點掃位置圖。分別對鋼母材與“條狀”金屬間化合物的過渡區A點，“條狀”金屬間化合物區B點，“條狀”金屬間化合物與“針狀”金屬間化合物過渡區C點和“針狀”金屬間化合物區D點進行EDS點掃描，得到如表4所示的各測量點的Al，Fe元素的質量分數。根據Al-Fe二元相圖，鋁-鋼異種金屬焊接時可形成 FeAl，FeAl2，Fe2Al5和 Fe4Al13等金屬間相，其中FeAl2是一種亞穩定相，在熔體凝固后將會消失［16］。

Fig.13 EDS spot scanning position of laser brazing interface between aluminum and steel

Table 4 EDS spot scanning results of laser brazing interface between aluminum and steel

根據金屬間相形成過程中吉布斯自由能的變化規律，當Fe2Al5的吉布斯自由能變化小于Fe4Al13時，Fe2Al5相會先于Fe4Al13相的形成，然后隨著溫度的降低，Fe元素在鋁熔體中的溶解度逐漸降低，Fe原子會在向鋁熔體擴散溶解過程中逐漸沉淀下來，最終在鋁基材料一側形成“針狀”金屬間相［8，17］。

為了進一步驗證鋁-鋼異種金屬激光熔釬焊界面各相的種類，將拉伸斷裂后無殘留鋼基體的鋁合金一側（將拉伸剝離斷裂后的鋁合金一側浸泡在硝酸酒精溶液中以去除殘留的鋼基體）進行X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）物相分析，得到如圖14所示的物相分析結果。由圖中可知，在鋁-鋼釬焊界面區主要存在3種 Al-Fe金屬間相，分別是 FeAl，Fe2Al5和 Fe4Al13，綜合EDS和XRD的數據結果可得知，A點的物相主要為α-Fe固溶體，B點的物相有 FeAl和 Fe2Al5，C點的物相主要為Fe2Al5，D點的物相主要有Fe4Al13和α-Al固溶體。

Fig.14 X-ray diffraction diagram of brazing interface of aluminum steel

圖15 為鋁-鋼激光釬焊拉伸斷裂形貌。拉伸斷裂失效形式為典型的剝離斷裂，在斷裂面存在許多微小的氣孔，該位置處于靠近鋼母材側的熔化區，氣孔區域存在應力集中現象，導致拉伸過程中首先由此處斷裂。圖16為鋁-鋼激光釬焊拉伸斷口的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）照片。由圖中可看出，斷裂形式為典型準解理斷裂。

Fig.15 Macro morphology of tensile fracture of aluminum-steel laser brazing

Fig.16 SEM photos of tensile fracture surface of aluminum-steel laser brazing

3 結 論

本文中采用激光填粉熔釬焊的方式成功實現了鋁-鋼異種金屬連接。

（1）釬劑的添加有效提高了鋁合金和釬料熔體在鋼母材表面的潤濕鋪展性，改善了接頭的整體成形，減少焊接缺陷。

（2）激光偏移量對釬焊接頭成形和力學性能有重要影響，當激光偏移量為0.8mm時，焊縫表面缺陷明顯得到改善，接頭的潤濕角較小，“條狀”金屬間化合物厚度為8μm，在最佳金屬間化合物厚度范圍之內，其抗拉性能最好，其平均機械抗力達到210N/mm。

（3）對鋁-鋼釬焊界面進行EDS能譜分析和XRD物相分析，綜合其測試結果，界面反應層由 FeAl，Fe2Al5和Fe4Al13這3種金屬間相組成；拉伸測試表明接頭為典型的準解理斷裂。