送絲速度對(duì)5052鋁合金與304不銹鋼電弧熔釬焊接頭性能的影響

韓世偉，劉騫，羅展，許惠斌

（1.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶400050；2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054）

0 引言

21世紀(jì)制造業(yè)的重要研究方向之一是節(jié)能與環(huán)保，因?yàn)殇X合金與不銹鋼結(jié)構(gòu)擁有輕柔、強(qiáng)硬的優(yōu)勢(shì)，具有經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的特點(diǎn)，所以需要探索者將更多的關(guān)注度放在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)上[1]。近幾年以來(lái)，隨著鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在航空、汽車(chē)、鐵路等領(lǐng)域的應(yīng)用慢慢增多，鋁/鋼異種材料連接技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，逐漸變?yōu)椴牧线B接研究領(lǐng)域的新話題。鋁鋼異材連接結(jié)構(gòu)是最為常用、經(jīng)濟(jì)的一種異種金屬接頭，但是由于鋁/鋼異種金屬在材料本質(zhì)方面存在巨大差異，使得焊接鋁/鋼接頭連接變得尤為困難，因此深入研究鋁/鋼焊接中的科學(xué)問(wèn)題很有必要。其中，如何控制鋁/鋼接頭界面金屬間化合物（IMC）層厚度和焊縫成形是一個(gè)重點(diǎn)難題。

目前，采用較多的鋁/鋼異種材料連接方法主要有固相焊接、熔化焊和熔-釬焊等焊接方法，取得了不錯(cuò)的效果。其中，采用電弧熔釬焊連接鋁/鋼時(shí)，由于其焊接熱輸入低、工件尺寸要求不高等特點(diǎn)，有效控制了IMC層的生長(zhǎng)，廣受各行業(yè)關(guān)注。鋁/鋼接頭界面IMC層的生長(zhǎng)對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響非常敏感，因而控制接頭界面IMC層的生長(zhǎng)是非常必要的一個(gè)環(huán)節(jié)。黃健康等[2]研究了在不同激光功率、焊接電流下IMC層對(duì)鋁/鋼電弧熔釬焊接頭界面的作用，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減小電弧電流、增大焊接速度，可以讓金屬間化合物層厚度減小，從而提升接頭的力學(xué)性能。H. S. Furuya等[3]通過(guò)添加Ni、Cr、Mn等元素，降低了η-Fe2Al5相的晶粒尺度，起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果；而且添加Ti、Si元素能夠使IMC層變薄，從而使接頭的力學(xué)性能有所提升。李春玲等[4]研究了焊接電流對(duì)鋁/鍍鋅鋼對(duì)接接頭性能的作用，研究發(fā)現(xiàn)界面IMC層的厚度隨焊接電流提高而增加，而熔釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，在我們過(guò)去的研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)送絲速度，能夠有效控制焊接熱輸入，從而對(duì)界面IMC層的生長(zhǎng)起到調(diào)控作用，可能會(huì)增加提高接頭的力學(xué)性能的概率[5]。

電弧熔釬焊是此次實(shí)驗(yàn)中主要采用的焊接方法，針對(duì)5052鋁合金與304不銹鋼，進(jìn)行異種金屬對(duì)接焊接試驗(yàn)，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察接頭的IMC層厚度，用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊接接頭的抗拉強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上，研究了焊接送絲速度對(duì)IMC層厚度、抗拉強(qiáng)度的影響和對(duì)焊接接頭宏觀、微觀形貌的影響，且深入觀察了最優(yōu)工藝參數(shù)條件下接頭的斷裂行為。

1 試驗(yàn)材料、焊接設(shè)備及工藝參數(shù)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)?zāi)覆牟捎?00 mm×50 mm×3 mm的5052鋁板和304不銹鋼板，分別提前制備成60°和45°坡口。試驗(yàn)選用NOCOLOCK釬劑并在焊前準(zhǔn)備中預(yù)先涂覆至鋼側(cè)待焊表面。焊絲采用直徑為1.2 mm的ER2319Al-Cu6焊絲。母材和焊絲的具體成分如表1～表3所示。

表1 5052鋁板化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 304不銹鋼板化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 ER2319Al-Cu6焊絲化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

如圖1所示，試驗(yàn)所采用焊機(jī)為松下WX-300型交/直流鎢極氬弧焊機(jī)。接頭形式為對(duì)接，裝配間隙為2 mm。焊接過(guò)程中固定工藝參數(shù)如表4所示，通過(guò)調(diào)節(jié)送絲速度（1150、1210、1350 mm/min），探究其對(duì)接頭性能的影響。

為了去除母材表面的氧化物和污漬，焊接前使用400#砂紙打磨不銹鋼板，且用無(wú)水乙醇清洗以防止污漬和氧化。每組參數(shù)至少?gòu)?個(gè)焊件中各選取1個(gè)拉伸試件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，測(cè)試設(shè)備為WD.100KE型拉伸試驗(yàn)機(jī)，拉伸件尺寸按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO6892:1998)制備，在室溫環(huán)境下，試驗(yàn)在拉伸速率為1 mm/min的條件下進(jìn)行。且制備的金相試樣尺寸為20 mm×3 mm×3 mm，用于觀察接頭形貌及分析組織結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，用金相顯微鏡(OM)觀察接頭橫截面形貌，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察接頭界面微觀形貌及斷口表面形貌，用能譜儀(EDS)確定接頭界面成分。

圖1 焊接示意圖

表4 焊接固定參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔釬焊宏觀接頭橫截面、接頭焊縫微觀形貌

在焊接熱源采用TIG電弧為主的方式下，鋁合金母材和焊絲的熔點(diǎn)在某些局部區(qū)域低于焊接瞬時(shí)的溫度，因此使得焊絲融化并填充至焊縫，另外，局部焊接溫度低于304不銹鋼母材熔點(diǎn)，配合NOCOLOK釬劑，去除母材表面氧化膜，促進(jìn)熔融的焊絲在鋼表面潤(rùn)濕鋪展，并在鋁/鋼界面處生成一層界面IMC層，焊縫中熔融后的金屬與鋼基體發(fā)生反應(yīng)形成熔釬焊接頭。實(shí)驗(yàn)測(cè)得3種不同焊絲速度下鋁/鋼電弧熔釬焊的接頭橫截面形貌（如圖2），以及焊縫微觀形貌（如圖3）。在1150 mm/min的送絲速度下，焊縫表面氣孔大小不均勻并集中分布在焊縫中，焊縫上部金屬與鋼基體之間有一定的潤(rùn)濕鋪展，但在此處有宏觀裂紋產(chǎn)生，焊縫下部有凹坑出現(xiàn)，是由于熔化焊絲填充效果較差，焊縫與鋼基體連接處上、下表面金屬熔覆率較低，接頭成形受影響，導(dǎo)致接頭整體的力學(xué)性能下降，如圖2（a）、圖3（b）所示；在1210 mm/min的送絲速度下，焊縫表面的氣孔減少，焊縫微觀形貌下，焊縫中心氣孔大量減少，焊縫區(qū)上部金屬與鋼基體之間的潤(rùn)濕鋪展效果較1150 mm/min送絲速度時(shí)好，在熱輸入固定的情況下，熔化焊絲填充焊縫效果好，焊縫與鋼基體連接處上下表面金屬熔覆率好，焊接接頭橫截面成形好，提高了接頭整體的力學(xué)性能，如圖2（b）、圖3（c）所示。在1320 mm/min的送絲速度下，焊縫表面呈現(xiàn)出氣孔非常密集的現(xiàn)象，焊縫中心依然存在大量的氣孔，與前兩次送絲速度相比，氣孔更加密集，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)上表面的金屬與鋼基體間的潤(rùn)濕鋪展作用；焊縫上部區(qū)域余高增多，原因是：在熱輸入穩(wěn)定的情況下送絲速度過(guò)快，焊絲來(lái)不及完全熔化就被后續(xù)填充焊絲擠出焊縫，填充焊縫效果減弱，因此在焊縫區(qū)形成密集氣孔，降低焊縫區(qū)域的致密性，成為應(yīng)力集中的區(qū)域，降低了接頭整體的力學(xué)性能，如圖2（c）、圖3（d）所示。在3種焊接送絲速度下，送絲速度為1210 mm/min時(shí)接頭成形焊縫處氣孔最少，熔覆率最佳，焊接接頭力學(xué)性能最優(yōu)。

圖2 3種送絲速度下的接頭橫截面形貌

圖3 3種送絲速度下的焊縫微觀形貌

2.2 熔釬焊接頭微觀組織分析

除了焊縫成形對(duì)鋁/鋼電弧熔釬焊接頭性能影響以外，減小IMC層厚度和焊縫區(qū)域的孔洞是獲得高強(qiáng)度異種金屬接頭的重要手段之一，在鋁/鋼電弧熔釬焊過(guò)程中，為了研究送絲速度對(duì)焊縫形貌、IMC層微觀形貌及其組織結(jié)構(gòu)的影響，選擇1150、1210、1320 mm/min等3個(gè)送絲速度參數(shù)作為研究對(duì)象。圖4（b）～圖4（d）是鋁/鋼電弧熔釬焊接頭焊縫在掃描電鏡（SEM）下的微觀形貌圖。圖4（b）是送絲速度為1150 mm/min的條件下的接頭焊縫微觀形貌，界面上側(cè)明顯出現(xiàn)裂紋。圖4（c）是送絲速度為1210 mm/min的條件下的接頭界面微觀形貌，界面區(qū)域結(jié)合良好，無(wú)裂紋、氣孔產(chǎn)生。圖4（d）是送絲速度為1320 mm/min的條件下的接頭界面微觀形貌，無(wú)明顯的氣孔、裂紋產(chǎn)生。為了更加深入地探究IMC層的組織與成分，通過(guò)使用能譜儀（EDS）、Image-pro軟件測(cè)量界面IMC層成分及厚度，界面處的IMC平均厚度為8.9、6.1、6.0 μm，其成分組成如表5所示。在送絲速度為1150 mm/min的條件下，IMC層上側(cè)方向出現(xiàn)裂紋，IMC層厚度較大（為8.9 μm），經(jīng)過(guò)點(diǎn)掃描后的成分確定為θ-Fe4Al13相。在送絲速度為1210 mm/min的條件下，IMC層厚度變?。?.1 μm），點(diǎn)掃描后的成分確定為η-Fe2Al5、θ-Fe4Al13。在送絲速度為1320 mm/min的條件下，IMC層厚度為6.0 μm，界面成分為FeAl3、Al2Cu。

在固定熱輸入條件下，隨著焊接送絲速度的提高，單位焊絲熱輸入減小，在較低的送絲速度條件下，焊絲熔化后，依然有一部分熱輸入對(duì)鋼基體作用，導(dǎo)致IMC層厚度增大，而對(duì)鋼基體的熱輸入增大，形成IMC的過(guò)冷度增大，生成θ-Fe4Al13相。隨送絲速度增加，對(duì)鋼基體的熱輸入減少，導(dǎo)致IMC層厚度減小，形成IMC的過(guò)冷度減小，生成θ-Fe4Al13相所需過(guò)冷度不足，因此生成在較低過(guò)冷度下也能獲得的η-Fe2Al5相。當(dāng)對(duì)鋼基體的熱輸入繼續(xù)減小時(shí)，過(guò)冷度繼續(xù)減小，導(dǎo)致無(wú)法生成η-Fe2Al5、θ-Fe4Al13相，而生成所需過(guò)冷度更低的FeAl3、Al2Cu相。由于IMC與母材基體的結(jié)合能力較弱，呈現(xiàn)硬脆性，當(dāng)IMC的厚度增加時(shí)，與母材基體的結(jié)合能力下降，從而降低了界面處的斷裂強(qiáng)度，斷裂往往在這里發(fā)生。Al2Cu相對(duì)界面具有時(shí)效強(qiáng)化的作用[6]，因此在具有Al2Cu相的界面處，斷裂強(qiáng)度得到提高。

圖4 三種送絲速度下界面微觀形貌

表5 接頭界面IMC層EDS分析結(jié)果

2.3 鋁/鋼焊接接頭的力學(xué)性能

圖5為不同焊接送絲速度下接頭抗拉強(qiáng)度圖。由圖5可知，在送絲速度從1150 mm/min增加到1320 mm/min的過(guò)程中，強(qiáng)度曲線呈陡增然后降低的趨勢(shì)。在送絲速度為1210 mm/min的條件下，獲得最優(yōu)接頭抗拉強(qiáng)度的平均值為170.6 MPa。在送絲速度為1150 mm/min的條件下，接頭的平均抗拉強(qiáng)度最低，為72 MPa。在送絲速度為1320 mm/min的條件下，接頭的平均抗拉強(qiáng)度為92.6 MPa。主要原因是：隨著焊接送絲速度增加，焊縫中氣孔數(shù)量先減少、后增加，焊縫金屬與鋼基體熔覆率先增加、后減少，界面IMC 層厚度持續(xù)降低，接頭抗拉強(qiáng)度受三者的共同影響，最終測(cè)得圖5所示的抗拉強(qiáng)度值。

為了進(jìn)一步探究接頭力學(xué)性能對(duì)接頭斷裂行為的影響，采用掃描電鏡觀察在最優(yōu)送絲速度為1210 mm/min的條件下的接頭斷口形貌，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，斷口形貌中存在大量韌窩特征，說(shuō)明接頭擁有較強(qiáng)的抗裂能力和一定的塑韌性。盡管如此，也存在層狀撕裂的特征，使接頭強(qiáng)度弱化，最終造成以韌性斷裂為主的混合型斷裂模式。

圖5 三種送絲速度下接頭抗拉強(qiáng)度

圖6 在1210 mm/min送絲速度下斷口微觀形貌

3 結(jié)論

1）采用ER2319 焊絲作為填充焊絲金屬，成功獲得了5052鋁和304不銹鋼TIG電弧熔釬焊接頭。通過(guò)釬劑的去膜作用，液態(tài)金屬能夠在鋼基體表面潤(rùn)濕鋪展，發(fā)生冶金反應(yīng)，形成釬焊接頭，在鋁合金一側(cè)形成熔焊接頭。2）隨著焊接送絲速度的增加，焊縫區(qū)域的氣孔數(shù)量呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，焊縫上部與鋼基體熔覆率先增加、后減少，氣孔越少，熔覆率越高，接頭整體抗拉強(qiáng)度增加。3）由于送絲速度的不同，界面IMC層的厚度不同，IMC層厚度在6～9 μm范圍內(nèi)變化，滿足界面IMC層厚度要求（＜10 μm），隨著送絲速度增加，單位焊絲熱輸入降低，界面IMC層厚度逐漸下降，提高了接頭整體的強(qiáng)度。4）在送絲速度為1210 mm/min的條件下，對(duì)鋼基體的熱輸入減少，界面處IMC層厚度較低，有效控制了界面IMC層的生長(zhǎng)；焊縫上表面及中心孔洞減少，增強(qiáng)接頭的平均抗拉強(qiáng)度。在拉伸載荷下，獲得平均抗拉強(qiáng)度值為170.6 MPa（約為鋁合金母材強(qiáng)度的81.2%），接頭斷裂位置出現(xiàn)在界面處，是以韌性斷裂為主的混合型斷裂。