國旭明， 汪建梅， 徐榮正

(沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

鋁/鋼異種金屬連接的復(fù)合結(jié)構(gòu)充分利用了鋁和鋼兩種金屬材料的固有優(yōu)勢，其輕量化、多功能性等特點(diǎn)在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景［1，2］。目前，鋁與鋼的焊接工藝方法主要包括固相焊、釬焊和熔化焊三類，對于釬焊和摩擦焊等連接方法來說，盡管可以得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，但對工件形狀和尺寸有較高要求，限制了其接頭的形狀和應(yīng)用范圍。由于鋁與鋼的物理、化學(xué)性能存在很大的差異，導(dǎo)致在熔化焊時(shí)得到的焊接接頭組織不均勻，有較大的殘余應(yīng)力存在，容易萌生裂紋，而且焊縫中易生成大量硬而脆的 Al－Fe金屬間化合物［3］。

為了解決鋁/鋼熔化焊界面易產(chǎn)生金屬間化合物問題，國內(nèi)的李亞江等［4］提出在鋼一側(cè)鍍Zn，Ag等過渡層可以控制中間脆性金屬間化合物的形成;雷振等［5］提出大光斑激光－電弧復(fù)合熱源焊接方法以及石常亮等［6］采用的冷金屬過渡技術(shù)(CMT)，通過嚴(yán)格控制焊接的能量輸入來減少金屬間化合物的生成;Jácome 等［7］研究了釬料中 Si，Mn 的加入對接頭組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)Si可以有效地抑制金屬間化合物層(IMP)的形成。

基于以上的研究，本工作探索了純鋁與鍍鋅低碳鋼板的MIG熔－釬焊工藝，焊絲采用5183型的Al－5Mg和4043型的Al－5Si兩種焊絲，選擇合理的焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩種材料的熔－釬焊，對所得焊接接頭的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并對比了Mg，Si元素對焊接接頭的組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)選用鍍鋅鋼板和純鋁板(1060)，尺寸分別為100mm×60mm×2mm和100mm×50mm×3mm。5183和4043焊絲的化學(xué)成分見表1，焊絲直徑為1.2mm。焊接接頭采用搭接方式，鋼板下、鋁板上，搭接長度為15mm。焊前用鋼刷和砂紙將鋁板表面的氧化膜、油污清理干凈，然后用丙酮擦拭鋁板、鋼板表面。焊接設(shè)備采用Qunito 403MIG焊機(jī)的電弧釬焊模式，焊接電流為90A，焊接電壓為19V。

表1 焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of the welding wire(mass fraction/%)

焊接后，用線切割沿接頭橫斷面切取15mm×15mm的金相試樣，經(jīng)研磨和拋光，采用配比為1mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO3+95mL H2O 混合酸進(jìn)行腐蝕。用OLYMPUS GX71金相顯微鏡、KYKY－2008B掃描電子顯微鏡觀察接頭的微觀組織，用能譜儀(EDS)分析金屬間化合物層的化學(xué)成分。將試件切割成70mm×6mm的條形試樣作拉伸性能測試，拉伸速率為1mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的成形特點(diǎn)

圖1為鋁與鋼熔－釬焊的搭接接頭形貌。由于鋁與鋼的熔點(diǎn)相差較大(鋁的熔點(diǎn)是660℃，鋼的熔點(diǎn)是1400℃)，在電弧作用下，只有上側(cè)鋁板熔化，下側(cè)鋼板未熔化，所以焊接過程對鋁而言是熔化焊過程，對于鋼來說是鋁及焊絲熔化后在鋼板表面潤濕鋪展及反應(yīng)過程，形成圖1所示的典型的熔－釬焊接頭。所以焊接接頭由焊縫區(qū)和界面區(qū)組成。熔化的鋁板和焊絲冷卻結(jié)晶形成的區(qū)域?yàn)楹缚p區(qū)，焊縫區(qū)和未熔化的鋼板之間的區(qū)域?yàn)榻缑鎱^(qū)。在界面反應(yīng)的過程中，焊縫中心處的溫度最高，原子擴(kuò)散速率最快，所以Al－Fe金屬間化合物生長最快，厚度比焊縫的兩側(cè)要大。

2.2 焊接接頭界面微觀組織特征

圖2顯示了填充焊絲分別為ER5183和ER4043時(shí)焊縫與鍍鋅鋼板界面層的微觀組織形貌?？梢姾缚p金屬由α－Al基體與晶界分布的共晶相組成。焊縫區(qū)與鍍鋅鋼板的界面處形成了厚度不均勻的反應(yīng)層。對圖3中的不同化合物層進(jìn)行EDS分析，結(jié)果列于表2中。由于電弧溫度較高，而鋅的揮發(fā)溫度僅為906℃，極易揮發(fā)，所以該區(qū)域沒有檢測到Zn元素。當(dāng)填充焊絲為5183時(shí)，金屬間化合物層厚度約為6 ～8μm，由 θ－Al3Fe和 η－Al5Fe2兩相組成，且靠近焊縫區(qū)一側(cè)和靠近鍍鋅鋼板一側(cè)都參差不齊，表明焊接過程中反應(yīng)層向兩側(cè)生長，靠近鍍鋅鋼板一側(cè)呈齒狀，靠近鋁焊縫一側(cè)有絮狀組織并向內(nèi)部生長。當(dāng)填充焊絲為4043時(shí)，金屬間化合物層厚度約為3 ～5μm，由 θ－Al3Fe，η－Al5Fe2和 AlFeSi三相組成，反應(yīng)層也向兩側(cè)生長，靠近鍍鋅鋼板一側(cè)反應(yīng)層(η－Al5Fe2相)比較平直，比填充5183焊絲的反應(yīng)層薄。

圖1 焊接接頭的橫截面圖Fig.1 Cross－section of the aluminum/steel lap joint

表2 金屬間化合物的化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Composition comparison of IMC(atom fraction/%)

兩種焊絲焊接獲得的界面層形態(tài)存在顯著差異主要是由于填充焊絲中合金元素不同所致。在焊接接頭中界面金屬間化合物層的生長順序是由生成相的吉布斯自由能ΔG決定的，吉布斯自由能低的化合物首先析出，根據(jù)熱力學(xué)公式可以計(jì)算出Al－Fe化合物的吉布斯自由能，宋建嶺等［8］計(jì)算得出各金屬間化合物形成的吉布斯自由能隨溫度的變化規(guī)律分別為:

可見鋁和鋼TiG熔釬焊過程中，ΔGO(Al3Fe)＞ΔGO(Al5Fe2)＞ΔGO(AlFeSi)。

在電弧釬焊過程中，鍍鋅鋼板直接與液態(tài)鋁合金溶液接觸，在界面接觸區(qū)Al，F(xiàn)e兩種元素進(jìn)行相互擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層。當(dāng)界面附近原子濃度達(dá)到飽和時(shí)，首先在界面處形成了吉布斯自由能較低的η－Al5Fe2相晶核，然后晶核長大，隨著Al原子的繼續(xù)擴(kuò)散和不斷增加，形成了θ－Al3Fe相。

當(dāng)填充焊絲為5183時(shí)，焊絲中所含的Mg不與Fe發(fā)生反應(yīng)，只是固溶到Al基體中或與鋁反應(yīng)生成 Al－Mg 共晶，Mg 元素不參與 Al－Fe 金屬間化合物的形成過程，焊接接頭中界面化合物層的生長順序如圖4a所示。由于原子的各向異性擴(kuò)散，且在η－Al5Fe2相長軸方向(垂直于界面方向)擴(kuò)散速率最快［9］，最終導(dǎo)致 η－Al5Fe2相以舌狀鍥入鋼基體中(如圖3a所示)。填充焊絲為含有5%Si元素的4043時(shí)，由于AlFeSi相的吉布斯自由能較η－Al5Fe2和θ－Al3Fe相低，AlFeSi相在界面的晶界處首先形核并長大，隨著原子的不斷擴(kuò)散，Al原子穿過初生層與Fe反應(yīng)，在AlFeSi相與Fe的界面處形成η－Al5Fe2相，在AlFeSi相的外側(cè)，鋁與溶解在鋁合金溶液中的鐵反應(yīng)生成θ－Al3Fe相，即在AlFeSi相與焊縫的界面形成θ－Al3Fe相，金屬化合物層的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4b所示。填充焊絲4043中的Si元素，一方面使得界面處率先析出吉布斯自由能更低的AlFeSi三元化合物層，阻礙了液態(tài)鋁合金溶液與鋼表面的直接接觸，且AlFeSi相生長較慢［8］，另一方面還能降低 Al原子在 α－Fe 中的活度系數(shù)［10，11］，而抑制了η－Al5Fe2相形成和長大。因此，鋼側(cè)金屬間化合物層較平直且薄。當(dāng)加熱完成后，隨著溫度降低，鐵在鋁中的溶解度降低，溶解于液態(tài)鋁合金中的Fe原子將以富鋁化合物的形式析出，在原有 θ－Al3Fe相上生成了針片狀或絮狀的Al3Fe相，所以與填充5183焊絲相比，填充4043焊絲時(shí)，鋁一側(cè)金屬間化合物層厚度幾乎沒變。

圖4 金屬間化合物層的結(jié)構(gòu)圖解 (a)ER 5183;(b)ER 4043Fig.4 Schematic representation of structural IMP composition (a)ER 5183;(b)ER 4043

2.3 接頭的力學(xué)性能

在對搭接接頭進(jìn)行拉伸測試時(shí)，拉力并不在一條直線上，應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，為了減小剪切力，采用側(cè)向加緊，進(jìn)行拉伸，其焊接接頭的斷裂照片如圖5所示。拉伸斷口呈兩種斷裂方式，填充5183焊絲，接頭斷在焊縫與鋼的釬接界面處;填充4043焊絲，接頭斷裂在焊縫區(qū)。

圖5 接頭斷裂宏觀照片F(xiàn)ig.5 Macrographs of fractured joint

表3 接頭的拉剪強(qiáng)度Table 3 Shear strength of the welding joint

兩種填充焊絲焊后接頭拉剪強(qiáng)度見表3。填充4043焊絲，獲得的最大拉剪強(qiáng)度為132.6 MPa。雷振［12］等研究發(fā)現(xiàn)金屬間化合物層的厚度太薄或太厚都會(huì)影響焊接接頭的性能，其厚度在1.5～4μm范圍為最佳，此時(shí)焊接接頭中的Al和Fe原子擴(kuò)散比較充分，故接頭強(qiáng)度最高。填充4043焊絲，其含有一定的Si元素在某種程度上提高了熔化的鋁及焊絲的流動(dòng)性、潤濕性，此時(shí)界面處有效潤濕的區(qū)域較大，Al，F(xiàn)e原子充分?jǐn)U散，生成一定厚度致密的金屬間化合物層，形成了鋁鋼的有效連接，同時(shí)AlFeSi相雖然是脆性相，但較θ和η相有較高的強(qiáng)度，所以釬接界面處強(qiáng)度較高，接頭斷裂在焊縫處;填充5183焊絲獲得的拉剪強(qiáng)度較小，由顯微組織照片可以看出反應(yīng)生成的金屬間化合物層較厚且疏松，界面結(jié)合強(qiáng)度較低，此處為整個(gè)焊接接頭相對薄弱的位置，所以此時(shí)在釬接界面處斷裂。

3 結(jié)論

(1)MIG熔－釬焊可以實(shí)現(xiàn)純鋁板(1060)與鍍鋅鋼板兩種異種材料的有效連接，搭接形式的焊接接頭由焊縫區(qū)，界面區(qū)和母材三部分組成。

(2)與Mg元素相比，焊縫中Si元素一方面參與形成吉布斯自由能更低的AlFeSi三元化合物層，阻礙液態(tài)鋁合金溶液與鋼表面的直接接觸;另一方面，降低了Al原子在α－Fe中的擴(kuò)散速率，從而有效地抑制金屬間化合物層的生長。

(3)填充4043焊絲，獲得的拉剪強(qiáng)度最大為132.6MPa，此時(shí)整個(gè)焊接接頭相對薄弱的位置在焊縫處。

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