茅衛(wèi)東，石銘霄，方超，戴宇峰，李盛良

摘要：對(duì)鋼/鋁接頭直接采用激光焊接時(shí)，接頭極易產(chǎn)生脆性Fe-Al金屬間化合物。針對(duì)該問(wèn)題，采用激光雙道焊接方法研究了銀中間層對(duì)304不銹鋼/6061鋁合金焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，預(yù)置銀為中間層，采用雙道激光焊接工藝，焊后接頭成形良好;組織分析表明，焊縫區(qū)域明顯分為靠近鋁側(cè)的區(qū)域A和靠近鋼側(cè)的區(qū)域B，區(qū)域A由富銀相和富鋁相混合組成，區(qū)域B由純銀（區(qū)域B1）和奧氏體相（區(qū)域B2）組成。此外，焊縫中未出現(xiàn)脆性Fe-Al金屬間化合物。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，斷裂發(fā)生在接頭處的純銀區(qū)，抗拉強(qiáng)度為175.59 MPa，斷后伸長(zhǎng)率約為3%。

關(guān)鍵詞：銀中間層;304不銹鋼;6061鋁合金;激光焊接;脆性金屬間化合物

中圖分類號(hào)：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0126-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.21

0? ? 前言

現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展中，汽車輕量化可提高動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，有助于節(jié)能減排，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。不銹鋼具有強(qiáng)度高、耐蝕性好和抗疲勞性能優(yōu)良等特點(diǎn)，鋁合金具有密度低、塑性好、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)。由于車身不同部位對(duì)材料強(qiáng)度有不同的要求，因此使用不銹鋼與鋁合金的焊接結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮兩種材料各自的性能優(yōu)勢(shì)，減輕質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化[1]。鋼和鋁的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)等熱物理性能差異巨大，焊接時(shí)常常出現(xiàn)裂紋、熔合困難等缺陷，并極易產(chǎn)生大量硬而脆的Fe-Al金屬間化合物[2]，顯著降低了焊接接頭強(qiáng)度、塑性和韌性，因此如何消除Fe-Al金屬間化合物是實(shí)現(xiàn)鋼/鋁異種金屬優(yōu)質(zhì)、高效焊接的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

采用電子束焊[3]、熔釬焊[4-6]可實(shí)現(xiàn)鋼/鋁的連接，但接頭中仍有較多Fe-Al脆性金屬間化合物生成。釬焊[7]與壓力焊[8-9]過(guò)程中母材仍保持固態(tài)，可避免脆性Fe-Al金屬間化合物大面積生成，但這兩種方法受限于工件尺寸和形狀，焊接效率低，特別是接頭區(qū)的強(qiáng)度較低，難以滿足較高強(qiáng)度的使用要求。

激光焊接具有高能量密度、焊接位置精準(zhǔn)可控、生產(chǎn)靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，可以精確控制焊接熱輸入與加熱區(qū)域，抑制兩種材料直接熔合后生成大量金屬間化合物，廣泛應(yīng)用于異種金屬焊接[2，10-12]。文中采用激光雙道焊接的工藝方法，研究了銀中間層對(duì)鋼/鋁焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?04不銹鋼（退火態(tài)）與6061鋁合金（固溶處理+人工時(shí)效），試板尺寸均為50 mm×

50 mm×2 mm。304不銹鋼和6061鋁合金的化學(xué)成分如表1、表2所示。304不銹鋼和6061鋁合金室溫（20 ℃）典型熱物理性能如表3所示。采用純銀作為中間層材料，尺寸為50 mm×2 mm×2 mm。

試驗(yàn)用的激光焊接設(shè)備為額定功率6 000 W的IPG YLS-6000摻鐿多模光纖激光器，光斑直徑0.3 mm，焦距255 mm，波長(zhǎng)1 075 nm。采用對(duì)接接頭，將Ag預(yù)置在鋼-鋁對(duì)接面處，并保證鋁-銀、銀-鋼對(duì)接面緊密接觸，無(wú)間隙，焊前去除焊件表面的氧化膜、油污和水分。激光雙道焊接工藝示意如圖1所示，第一道焊接鋁-銀對(duì)接面，第二道焊接銀-鋼對(duì)接面，保護(hù)氣體采用氬氣，氣體流量15 L/min，其他激光焊接工藝參數(shù)如表4所示。

焊后使用線切割機(jī)沿垂直于焊接方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后進(jìn)行組織分析。采用光學(xué)顯微鏡（VHX-900）觀察焊縫低倍微觀組織，采用掃描電子顯微鏡（JSM-6480）觀察高倍微觀組織。采用X射線衍射儀（D8 Advance）分析接頭相組成，使用能譜儀（TN-4700）分析接頭化學(xué)成分，并且對(duì)接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試，以評(píng)價(jià)銀作為中間層的鋼/鋁激光焊焊接接頭的力學(xué)性能。使用HX-1000標(biāo)準(zhǔn)顯微硬度計(jì)，選用的壓力為100 g，打點(diǎn)間隔為0.15 mm，壓緊時(shí)間為10 s，HX-1000標(biāo)準(zhǔn)顯微硬度計(jì)通過(guò)計(jì)算壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比從而計(jì)算出壓痕所在位置組織的實(shí)際顯微硬度值。拉伸試驗(yàn)時(shí)，將試樣兩端母材裝夾在CMT5205型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上下裝夾裝置。拉伸過(guò)程中，記錄試樣拉斷時(shí)的最大載荷，并根據(jù)測(cè)量出的有效板厚計(jì)算接頭的抗拉強(qiáng)度。接頭抗拉強(qiáng)度由3個(gè)接頭抗拉強(qiáng)度平均值確定，加載速率為2 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫表面成形

焊縫正反兩面成形情況如圖2所示。正面兩道焊縫均成形良好，波紋均勻且細(xì)致美觀，表面未見有氣孔、裂紋等明顯缺陷;反面焊縫亦成形良好，兩道焊縫均已完全熔透。

2.2 接頭微觀組織

接頭橫截面的宏觀形貌如圖3所示。由圖可知，焊縫明顯分為兩個(gè)區(qū)域：靠近鋁一側(cè)為區(qū)域A、靠近鋼一側(cè)為區(qū)域B，兩個(gè)區(qū)域中間有明顯的界面分開。鋁與區(qū)域A的熔合線呈曲線，沿著板厚方向焊縫的熔寬有明顯變化，中間部分熔寬小。區(qū)域A和區(qū)域B之間的界面較為平直，區(qū)域B中明顯分為剩余銀區(qū)（B1）和局部熔化的不銹鋼區(qū)（B2），B1與B2的界面呈鋸齒狀。

圖4a為區(qū)域A與鋁合金界面的掃描電鏡圖像，區(qū)域A與鋁合金界面處熔合良好，有界面反應(yīng)層存在，結(jié)合EDS分析結(jié)果可知，靠近鋁合金界面處的區(qū)域A中的暗色組織為富鋁相（圖4a與表5中點(diǎn)1），亮色組織為富銀相（圖4a與表5中點(diǎn)2），二者構(gòu)成典型的層片狀組織，進(jìn)一步結(jié)合Ag-Al二元合金相圖[14]分析可知，富鋁相為α（Al）固溶體，富銀相為ξ固溶體。

由于區(qū)域A與鋁合金的界面反應(yīng)層中Al含量較多，位于Ag-Al相圖的過(guò)共晶合金區(qū)，在熔池冷卻過(guò)程中，先從液相中結(jié)晶出α（Al）先共晶相，當(dāng)溫度繼續(xù)下降發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，形成了層片狀的共晶組織，其共晶α（Al）相依附于先共晶相長(zhǎng)大難以分辨，因此在顯微形貌中發(fā)現(xiàn)富鋁相與富銀相二者以層片狀分布于區(qū)域A中，并且暗色富鋁相的數(shù)量較多。

圖4b為區(qū)域A中心區(qū)域的掃描電鏡圖像，結(jié)合EDS分析結(jié)果可知，圖4b中大量亮色的卵形晶粒為富銀相（圖4b與表5中點(diǎn)3），而沿晶界析出的為富鋁相（圖4b與表5中點(diǎn)4）。這是由于區(qū)域A中心區(qū)域距鋁合金較遠(yuǎn)，Al含量降低，在激光熱源作用下，熔化后的熔池中液態(tài)金屬成分位于Ag-Al相圖中亞共晶合金區(qū)并且遠(yuǎn)離共晶成分點(diǎn)，在熔池冷卻過(guò)程中先共晶相（ξ固溶體）數(shù)量較多，導(dǎo)致共晶成分中的ξ相依附于先共晶相長(zhǎng)大，α（Al）相則沿著晶界析出，形成所謂的離異共晶現(xiàn)象。

圖4c為區(qū)域A和區(qū)域B1界面的掃描電鏡圖像，可以發(fā)現(xiàn)，界面處的晶粒形態(tài)和分布與區(qū)域A中的晶粒相同，并結(jié)合EDS分析結(jié)果（圖4c與表5中區(qū)域5、6）發(fā)現(xiàn)晶粒的相組成與區(qū)域A也相同，因此推測(cè)該界面處組織形成過(guò)程與區(qū)域A中組織的形成過(guò)程相同。

圖4d為區(qū)域B1與區(qū)域B2界面處的掃描電鏡圖像，可以看到有清晰的界面線，結(jié)合EDS分析結(jié)果可知，區(qū)域B1為純銀區(qū)（圖4d與表5中區(qū)域7），區(qū)域B2成分與母材相同為奧氏體區(qū)（圖4d與表5中區(qū)域8）。根據(jù)Ag-Fe相圖[14]可知，二者在液態(tài)、固態(tài)均互不相溶，因此在焊接過(guò)程中母材加熱熔化形成了鋼液與銀液，在隨后的冷卻過(guò)程中，鋼液首先凝固形成奧氏體區(qū)（區(qū)域B2），銀液隨后凝固形成純銀區(qū)（區(qū)域B1），產(chǎn)生明顯的分層現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步確定焊縫相組成類型，對(duì)焊接接頭的焊縫區(qū)域進(jìn)行XRD衍射分析，結(jié)果如圖5所示。焊縫相主要由富鋁相、富銀相和奧氏體組成，未出現(xiàn)Fe-Al脆性金屬間化合物，XRD分析結(jié)果與能譜分析結(jié)果相一致。

2.3 接頭力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)的典型結(jié)果如圖6所示。可以看出試樣在焊縫處發(fā)生斷裂，試樣抗拉強(qiáng)度為175.59 MPa，斷后伸長(zhǎng)率接近為3%。

在掃描電子顯微鏡下觀察斷口顯微形貌（見圖7），發(fā)現(xiàn)斷口處存在較多韌窩，呈現(xiàn)微孔聚集性斷裂特征，為典型的韌性斷裂。EDS分析結(jié)果顯示Ag所占原子比為100 at.%，因此確定斷裂位置在純銀區(qū)（區(qū)域B1）。

焊接接頭顯微硬度分布曲線如圖8所示，顯微硬度分布極不均勻，區(qū)域B1顯微硬度最低，是接頭中最薄弱的區(qū)域，因此焊接接頭在該區(qū)域發(fā)生斷裂，這主要是因?yàn)閰^(qū)域B1由強(qiáng)度較低的銀組成。

3 結(jié)論

（1）采用2 mm厚度的銀作為中間層，通過(guò)激光雙道焊接的方法實(shí)現(xiàn)了鋼/鋁異種金屬的焊接，焊縫成形良好，表面無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。

（2）采用銀作為中間層，抑制Fe與Al的互擴(kuò)散，避免生成脆性金屬間化合物。顯微組織主要是由富銀相ξ與富鋁相的混合物、銀和奧氏體組成。

（3）焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為175.59 MPa，斷裂發(fā)生在純銀區(qū)，為韌性斷裂，純銀區(qū)（B1區(qū)）是接頭中力學(xué)性能最薄弱的區(qū)域。

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