鋼/鋁異種金屬焊接分析

閆玉東，韓明臻，延佳銘

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154000）

1 引言

鋁合金因其質(zhì)量輕、抗彎強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，當(dāng)前很多行業(yè)都采用“以鋁代鋼”的鋁/鋼焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)，使其在很多行業(yè)發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過長時間的發(fā)展，國際和國內(nèi)很多科研工作人員研究了多種鋁/鋼異種金屬焊接的方法，如等離子弧焊、釬焊、冷壓焊、埋弧焊、熔釬焊、電阻焊等，但存在連接方法使用范圍受限或者材料連接強(qiáng)度較低等缺點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科研工作者的不懈鉆研，通過激光擺動焊和冷金屬過渡焊等焊接方法，為解決鋼/鋁異種焊接過程中出現(xiàn)的問題做出巨大貢獻(xiàn)。

激光擺動焊接作為一種新技術(shù)，具有熱輸入量高、殘余應(yīng)力小等優(yōu)點，在異種材料的焊接領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，無論擺動的軌跡如何，所得到的焊接接頭質(zhì)量都好于直線焊接接頭[1]。Cui等[2]采用雙激光光束焊接技術(shù)制備了鋁/鋼異種金屬，裂紋、焊接氣孔的抑制可以通過熔深的尺寸進(jìn)行控制，進(jìn)而改善接頭的性能。Yan[3]認(rèn)為Fe-Al金屬間化合物的富集主要與鋁合金在鋼中的溶解量有關(guān)，大量的脆性金屬間化合物增加了接頭凝固裂紋的敏感性，并得到了界面反應(yīng)溫度對化合物的生長和殘余應(yīng)力分布具有顯著影響的結(jié)論。管倩倩等[4]使用光纖激光器，實現(xiàn)了6061鋁合金與DC04低碳鋼的焊接，實驗結(jié)果顯示，激光焊接鋼/鋁異種金屬時，主要影響因素是焊接速率，通過調(diào)節(jié)激光的輸出功率和焊接速率，對于焊接接頭的力學(xué)性能和焊接質(zhì)量都有所改善。巴一[5]等實驗結(jié)果表明，焊接激光熱輸入的不同，也會對焊接接頭的性能產(chǎn)生影響。

冷金屬過渡焊（CMT）是現(xiàn)階段一種新型的焊接技術(shù)，具有焊接中焊絲熔滴過渡與送絲速度相協(xié)調(diào)的特性，可以達(dá)到焊接過程無飛濺、焊接熱輸入低、電弧穩(wěn)定和效率高等優(yōu)點[6]，具有良好的應(yīng)用前景，控制CMT焊接工藝性能的主要參數(shù)有：焊接電流、電弧電壓、焊接時間、送絲速度和焊接速度等，這些參數(shù)與焊接變形存在高度非線性的關(guān)系[7]；另一方面，參數(shù)對于鋁/鋼焊接所形成的界面的金屬間化合物及類別產(chǎn)生重要影響，將嚴(yán)重影響鋁/鋼焊接接頭性能[8]。

本文主要對激光擺動焊接、冷金屬過渡焊的焊接接頭性能進(jìn)行綜述，以期為鋼/鋁焊接研究提供研究依據(jù)和判斷。

2 兩種焊接接頭性能綜述

2.1 激光擺動焊接

在巴一[5]等的實驗中，采用DP780雙相鋼和5083鋁合金以搭接的方式進(jìn)行激光擺動焊，焊接接頭主要由焊縫、熔合線和熱影響區(qū)3部分組成，焊縫的主要成分為低碳馬氏體，小尺寸金屬間化合物的微觀組織具備良好的性能，焊接接頭的顯微硬度和最大拉伸力都有提升。焊接接頭的雙相鋼側(cè)的顯微硬度可達(dá)240 HV，鋁合金側(cè)的顯微硬度可達(dá)70 HV。而隨著激光擺動焊接功率從1 400～1 600 W，鋼側(cè)焊接接頭的熱影響區(qū)和焊縫中心的硬度從略高于母材到最后明顯高于母材，在1 500 W和1 600 W時，鋼側(cè)接頭的平均顯微硬度分別達(dá)到289 HV和274 HV；在焊接功率為1 400 W時，鋁側(cè)焊接接頭的顯微硬度無明顯變化，在1 500 W和1 600 W時，鋁側(cè)接頭的平均顯微硬度分別達(dá)到305 HV和260 HV。在1 500 W時，鋁側(cè)的平均顯微硬度高于鋼側(cè)，但是隨著激光功率的不斷增大，焊接時焊縫的熔深加大，熔融的鋼和鋁會結(jié)合生成脆性金屬間化合物Fe-Al二元脆生相，降低焊接接頭的強(qiáng)度。因此，鋁/鋼異種金屬適宜的激光焊接功率為1 600～1 800 W。

在焊接接頭拉伸力方面，隨著激光功率的增加，鐵素體含量的增多，會導(dǎo)致焊縫的顯微硬度與抗拉強(qiáng)度降低。在有效功率區(qū)間內(nèi)，1 400 W焊接的接頭具備高硬度與最大拉伸力，最大拉伸力達(dá)2 681 N。功率為2 300 W，焊接速率為30 mm/s時，當(dāng)在中間層加入Ni箔片的基礎(chǔ)上，采取厚度為0.02 mm的Cu箔片做復(fù)合中間層，在對其進(jìn)行拉伸試驗時，其最大剪切力為1 754.72 N，此時的最大剪切力達(dá)到最大，大約為只添加Ni箔片時剪切力的2.25倍。

但是，在鋼／鋁異種金屬激光擺動焊接過程中，鋼/鋁界面處極易產(chǎn)生脆性較大的金屬間化合物。焊接接頭中最薄弱的區(qū)域存在于脆性層內(nèi)部及脆性層與鋼基體的結(jié)合界面，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致焊接接頭開裂。焊接熱輸入越大，界面處生成的化合物層厚度也就越大，接頭的脆性也就越大。因此，在保證接頭成形良好的前提下，適當(dāng)減小金屬間化合物處的熱輸入量有利于控制脆性層的厚度，獲得力學(xué)性能較好的接頭[9]。

同時，在激光擺動焊接過程中，其他條件相同的情況下，激光束擺動軌跡不同，激光對熔池的攪拌作用也有所不同，因此熔池的流動方式以及穩(wěn)定性都有差別。激光擺動焊接的焊接軌跡包括“∞”軌跡、“8”軌跡、順時針圓形軌跡、逆時針圓形軌跡、垂直軌跡、平行軌跡等[10]。傳統(tǒng)激光焊接焊縫熔深高于激光擺動焊接的焊縫熔深，“∞”軌跡、“8”軌跡和垂直擺動方式的激光焊縫熔寬遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)激光焊縫熔寬，其他擺動方式，熔寬變化較小。傳統(tǒng)激光焊接的氣孔較多，上述幾種擺動軌跡焊接的氣孔率均低于傳統(tǒng)焊接焊縫的氣孔率。擺動焊接過程中，激光對熔池產(chǎn)生了攪拌，同時使得激光小孔的形狀和直徑有所增加，匙孔和熔池變得穩(wěn)定，有利于匙孔內(nèi)氣體的排出，使得對氣孔的產(chǎn)生有不同程度的抑制作用。

2.2 冷金屬過渡焊

在盧書媛等[11]的研究中，對于1050鋁合金板和Q235鍍鋅板采用搭接的方式進(jìn)行CMT熔釬焊，對焊接電流、焊接時間、電弧電壓、焊接速度和送絲速度進(jìn)行調(diào)整，研究參數(shù)對焊接接頭的影響，發(fā)現(xiàn)焊接接頭包括熔合區(qū)、界面區(qū)和富鋅區(qū)3部分，接頭斷裂方式為韌性斷裂，而接頭強(qiáng)度只有鋁合金母材的70%，F(xiàn)e和Al形成的金屬間化合物對于焊接接頭的力學(xué)性能影響較大，在實驗時應(yīng)盡量減少其存在。但是當(dāng)在釬劑中加入一定比例的Zn粉[12]之后，可以使焊接接頭的力學(xué)性能提高500%左右。同時，Zn元素還可以阻止Fe和Al的相互擴(kuò)散，為獲得外觀成形、力學(xué)性能較好的焊接接頭，可通過控制界面處金屬化合物的厚度實現(xiàn)。鋁／鋼焊接接頭在過渡區(qū)顯微硬度最高為180 HBS；熔焊焊縫區(qū)顯微硬度較低于過渡區(qū)，約為80 HBS；鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度平均值為152 HBS；試樣在拉伸過程中發(fā)生明顯的塑性變形，在應(yīng)力達(dá)到6.0 KN時發(fā)生屈服；焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為134 MPa，為鋁合金母材的72%。

在冷金屬過渡焊過程中，采用CO2作為焊接過程的保護(hù)氣時，會在一定程度上提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和硬度[13]，但是相對于使用Ar氣，采用CO2保護(hù)氣會使焊縫高度降低、潤濕角減小，同時焊縫表面出現(xiàn)較多的凹坑、未熔合缺陷以及咬邊等缺陷，需要在以后的實驗中進(jìn)行改進(jìn)。

現(xiàn)階段鋼/鋁異種金屬焊接存在的問題主要有以下幾方面。

（1）在室溫下，異種金屬焊接接頭區(qū)不能長時間在高溫或低溫環(huán)境中工作，導(dǎo)致母材的性能優(yōu)于焊接接頭的性能（如彎曲、拉伸等）。

（2）焊縫熔合區(qū)是導(dǎo)致構(gòu)件失效破壞的薄弱區(qū)，它會對焊接結(jié)構(gòu)的使用可靠性產(chǎn)生危害[14]。

（3）焊后熱處理不能消除接頭區(qū)的殘余應(yīng)力分布。如果構(gòu)件內(nèi)部存在焊接殘余應(yīng)力，受時間和環(huán)境等因素的影響，會直接影響到結(jié)構(gòu)件的靜載、動載、疲勞和壓曲強(qiáng)度，以及斷裂柔韌性、尺寸穩(wěn)定性及抗腐蝕能力等性能，所以對于消除異種金屬焊接之后存在的殘余應(yīng)力，亟需一種合理的解決辦法[15]。

（4）焊接接頭的不均勻性。焊接不均勻性包含顯微組織不均勻性及力學(xué)性能不均勻性等，其對焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗斷裂性能的影響是焊接結(jié)構(gòu)斷裂安全評定和可靠性研究的熱點[16]。

3 結(jié)語

無論是激光擺動焊接技術(shù)還是冷金屬過渡焊接技術(shù)對于鋼/鋁異種焊接接頭性能都有一定的增強(qiáng)作用，只是焊接過程中不同參數(shù)對于焊接結(jié)果的具體影響方式以及作用機(jī)理，還需要學(xué)者進(jìn)一步實驗研究獲得。

在進(jìn)行異種金屬焊接過程中，由于異種金屬的母材成分、物理化學(xué)性質(zhì)的不同等，導(dǎo)致異種金屬焊接產(chǎn)生缺陷，使得異種金屬焊接的工藝設(shè)計更為復(fù)雜。不同工程結(jié)構(gòu)對于金屬有不同的要求。了解其性能需求，尋找性價比較高的金屬來替代昂貴的金屬，減少生產(chǎn)過程中原料和技術(shù)缺陷產(chǎn)生的成本，以期達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。