黃健康，邵 玲，石 玗，顧玉芬

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050）

為能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，汽車輕量化已成為當(dāng)前的緊迫需求[1，2］。鋁合金具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，使用鋁合金代替部分鋼材來制造汽車零部件可以有效減輕整車質(zhì)量、減少耗油量和尾氣排放。將鋁合金和鋼連接成為異種金屬結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟(jì)效益，在汽車、船舶、石油化工、航空航天等行業(yè)具有很大的應(yīng)用前景[3－6］。

目前鋁合金與鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備主要采用鉚接、粘接和焊接等。傳統(tǒng)的鉚接、粘接等機(jī)械連接方法具有效率低、表面成形差等不足，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如焊接[7］。而鋁與鋼的固溶度很低，晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性能差別很大，使得兩種金屬的熔化焊接性極差，其中最顯著的特征是在焊接過渡區(qū)易形成脆性的Fe－Al金屬間化合物，嚴(yán)重降低了接頭的力學(xué)性能和使用性能[8，9］。為了抑制脆性的Fe－Al金屬間化合物的產(chǎn)生，研究者采用摩擦焊、擴(kuò)散焊、冷壓焊和超聲波焊等固態(tài)連接方法實(shí)現(xiàn)了鋁合金與鋼的連接。盡管固態(tài)連接方法可以得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，但在一定程度上均易受工件形狀和尺寸的影響[10－12］。而熔釬焊接技術(shù)利用鋁合金與鋼的熔點(diǎn)差異，通過控制焊接熱輸入使高熔點(diǎn)的鋼不熔化而低熔點(diǎn)的鋁合金熔化，填充的鋁合金焊絲作為釬料與鋁合金母材形成熔焊接頭，并一起與鋼形成釬焊接頭，焊接過程兼具熔焊和釬焊的雙重特性[13］。比較典型的鋁合金與鋼的熔釬焊方法有直流脈沖 MIG 電弧釬焊[14］，TIG 電弧釬焊[15］，激光熔釬焊[16］，激光＋電弧復(fù)合熱源熔釬焊[17］以及CMT冷金屬過渡熔釬焊[18，19］等。

為了能夠精確控制焊接熱輸入，來有效地控制金屬間化合物的生長，本工作提出一種新型高效低熱輸入的電弧焊焊接方法：脈沖旁路耦合電弧GMAW熔釬焊（Pulsed DE－GMAW熔釬焊），進(jìn)行鋁合金與鍍鋅鋼異種金屬的搭接并對(duì)其焊縫成形、組織形態(tài)、顯微硬度和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用鋁合金母材為5052鋁合金，鋼板母材為鍍鋅層厚度100g／m2的鍍鋅鋼板（基體為Q235低碳鋼），尺寸均為200mm×80mm×1mm。填充材料為直徑1.2mm的ER4043鋁硅合金焊絲，焊絲和鋁合金母材的化學(xué)成分如表1所示。

Pulsed DE－GMAW基本原理為通過將GMAW焊和GTAW焊兩個(gè)電弧進(jìn)行耦合，流經(jīng)焊絲的焊接電流即總的焊接電流Itot，在電弧弧柱區(qū)分為兩個(gè)部分，一部分是旁路電流Ibm，另一部分是母材加熱電流Ibp，使得用于熔化焊絲的電流較高，有利于提高焊絲的熔化速度，從而提高熔敷率。而通過TIG焊槍構(gòu)成的旁路，分流了一部分熔化焊絲的焊接電流，在保證了熔敷率的同時(shí)，減小了母材的熱輸入。由戴維南定理，焊接電流組成的基本關(guān)系為：

表1 5052鋁合金和ER4043焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Compositions of 5052Al alloy and ER4043welding wire（mass fraction／%）

實(shí)驗(yàn)前用丙酮清洗鍍鋅鋼板和鋁合金板，以除去表面污漬，然后將鍍鋅鋼板和鋁合金板組成鍍鋅鋼板在下鋁合金板在上，搭接長度為10mm的搭接接頭，并將兩者固定在焊接卡具上進(jìn)行搭接焊，保證主路和旁路的焊槍在同一平面上，調(diào)整好角度，并將焊絲尖端對(duì)準(zhǔn)位置，搭接方式及搭接長度如圖1所示。

在表2所示的焊接參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。焊槍對(duì)準(zhǔn)位置對(duì)搭接過程及焊縫成形有很大的影響，選擇不同焊槍對(duì)準(zhǔn)位置對(duì)鋁合金板和鍍鋅鋼板進(jìn)行了脈沖旁路耦合電弧GMAW焊接實(shí)驗(yàn)。保證主路焊槍和旁路焊槍在同一平面上，主路焊槍的焊絲尖端分別對(duì)準(zhǔn)3個(gè)不同位置對(duì)1mm厚度的5052鋁合金板和鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接，如圖1（a）所示，來分析焊槍在對(duì)準(zhǔn)中間、偏向鍍鋅鋼板一側(cè)及偏向鋁合金板一側(cè)的位置對(duì)焊接接頭的影響，以確定焊槍在哪個(gè)位置上進(jìn)行焊接時(shí)能得到良好的焊接接頭，每個(gè)位置相隔1.5mm。

圖1 鋁鋼脈沖旁路耦合電弧GMAW搭接示意圖（a）平行焊接方向視圖；（b）工作平臺(tái)側(cè)視圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed DE－GMAW lap（a）view of paralleling to welding direction；（b）lateral view of working platform

表2 Pulsed DE－GMAW焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters of pulsed DE－GMAW

當(dāng)焊槍對(duì)準(zhǔn)中間位置時(shí)，能夠獲得成形良好的接頭，對(duì)鍍鋅鋼板鋅層的破壞較少，如圖2（a）所示；當(dāng)焊槍偏向鍍鋅鋼板一側(cè)時(shí)，電弧直接在鍍鋅板表面燃燒，焊絲在其表面過渡并攤開，形成堆焊焊縫，鋁合金母材只有少量熔化，形成不連續(xù)焊縫，見圖2（b）；當(dāng)焊槍偏向鋁合金板一側(cè)時(shí)，焊接電弧和高溫的熔滴直接將鋁合金母材燒穿，然后在鋁合金板下方的鍍鋅鋼板上冷卻形成焊縫，鋁合金板一側(cè)呈卷曲狀，沒有和鍍鋅鋼板結(jié)合，如圖2（c）所示。利用Pulsed DE－GMAW 進(jìn)行鋁合金與鍍鋅鋼搭接焊時(shí)，大多數(shù)情況下，焊槍對(duì)準(zhǔn)位置以選在搭接中間位置成形最好；但是當(dāng)電流偏大時(shí)，為防止鋁合金側(cè)受熱過大，產(chǎn)生嚴(yán)重變形，影響焊接成形，應(yīng)該把焊槍位置往鍍鋅板側(cè)偏移。

圖2 焊槍不同對(duì)準(zhǔn)位置的搭接焊縫（a）焊槍對(duì)準(zhǔn)中間位置；（b）焊槍偏向鍍鋅鋼板側(cè)；（c）焊槍偏向鋁合金板側(cè)Fig.2 Lap seams of different alignment positions of welding torch（a）welding torch at intermediate position；（b）welding torch bias galvanized steel plate side；（c）welding torch bias aluminum alloy plate side

通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)獲得成形良好的焊縫，采用線切割的方法沿焊縫橫截面制成規(guī)格如圖3所示的搭接接頭試樣。采用0.5%HF溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕。利用6700F高分辨掃描電子顯微鏡，二次電子像分辨率為1.0nm（15kV）／2.2nm（1kV）下觀察鋁合金－鍍鋅鋼P(yáng)ulsed DE－GMAW熔釬焊搭接接頭界面中心區(qū)的微觀組織特征，并進(jìn)行EDS區(qū)域元素分析；通過EPMA 1600電子探針儀分析界面中心區(qū)的元素變化；利用HVS－1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭的顯微硬度進(jìn)行測試分析；在室溫下用電子萬能拉伸機(jī)進(jìn)行鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭的力學(xué)性能測試。

圖3 搭接接頭橫截面Fig.3 Cross section of lap joint

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭界面中心區(qū)顯微組織

利用SEM觀察Pulsed DE－GMAW熔釬焊的界面中心區(qū)的微觀組織，如圖4所示。從圖4可以看出，在鋁合金與鍍鋅鋼之間，生成了金屬間化合物過渡層，且化合物層包含兩層。靠近鋁一側(cè)，化合物呈針狀或鋸齒狀向鋁方向生長；靠近鋼一側(cè)的化合物生長得平齊。

圖4 鋁合金－鍍鋅鋼熔釬焊界面中心區(qū)的微觀組織Fig.4 Microstructure of interface center of aluminum alloy and galvanized steel welding－brazing

采用EPMA對(duì)搭接接頭界面中心區(qū)進(jìn)行面掃描，分析搭接接頭界面中心區(qū)的元素分布，如圖5所示。可見，在搭接接頭界面中心區(qū)處發(fā)生了Fe，Al和Si 3種元素為主的擴(kuò)散，Si在界面中心區(qū)處有富集的現(xiàn)象，而Fe和Al相互擴(kuò)散較為充分。推測，鋁側(cè)針狀或鋸齒狀化合物和鋼側(cè)生長平齊的化合物可能是Fe－Al化合物或Fe－Al－Si化合物。

圖5 鋁合金－鍍鋅鋼熔釬焊界面中心區(qū)的元素面分布 （a）背散射圖；（b）Al；（c）Fe；（d）SiFig.5 Element scanning maps at interface center of aluminum alloy and galvanized steel welding－brazing（a）back scattered electron micrograph；（b）Al；（c）Fe；（d）Si

為了確定界面中心區(qū)微觀組織的物相，對(duì)其進(jìn)行EDS分析。分別對(duì)圖6（a）中的A區(qū)域和圖6（b）中的B區(qū)域進(jìn)行EDS分析，其結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3中EDS結(jié)果顯示A區(qū)域中的Fe，Al原子個(gè)數(shù)比接近1∶3，B區(qū)域中的一部分Fe，Al原子個(gè)數(shù)比接近2∶5而另一部分Fe，Al原子與Si原子個(gè)數(shù)比接近7∶30∶3?？芍狝區(qū)域中的是FeAl3，B區(qū)域中的是Fe2Al5和Fe0.7Al3Si0.3。

圖6 界面中心區(qū)處不同區(qū)域的EDS分析 （a）A區(qū)域；（b）B區(qū)域Fig.6 EDS analysis of different areas of interface center （a）area A；（b）area B

表3 界面中心區(qū)處不同區(qū)域的成分Table 3 Compositions of different areas of interface center

2.2 接頭顯微硬度

利用HVS－1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭的顯微硬度進(jìn)行了測試分析，顯微硬度載荷為2.94N，承載時(shí)間為10s，測量結(jié)果如圖7所示。鋁合金與鍍鋅鋼界面中心區(qū)的硬度平均為405HV，最大達(dá)到461HV，明顯大于兩側(cè)鍍鋅鋼基體和鋁合金熔化區(qū)的硬度，進(jìn)一步證明鋁合金與鍍鋅鋼界面中心區(qū)由硬度高的金屬間化合物組成。

圖7 鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭顯微硬度分布Fig.7 Micro－h(huán)ardness distribution of lap joints of aluminum alloy and galvanized steel

2.3 接頭力學(xué)性能

從用Pulsed DE－GMAW得到的鋁合金與鍍鋅鋼搭接焊縫上截取100mm×10mm條形試樣，在室溫下以2mm／min的拉伸速率在電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭的力學(xué)性能測試。圖8是20個(gè)搭接接頭試樣的拉剪強(qiáng)度的分布圖，從圖8中，可知5052鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭試樣的拉剪強(qiáng)度主要分布在120MPa到180MPa之間，而且平均拉剪強(qiáng)度達(dá)到144.85MPa，最高拉剪強(qiáng)度達(dá)到186.73MPa，是鋁合金母材強(qiáng)度的88.5%（實(shí)驗(yàn)用5052鋁合金拉剪強(qiáng)度為211MPa）。

圖8 鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭拉剪強(qiáng)度分布Fig.8 Tensile－shear strength value distribution of lap joints of aluminum alloy and galvanized steel

圖9是5052鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭在最高拉剪強(qiáng)度186.73MPa時(shí)的斷裂位置。與圖9對(duì)應(yīng)的負(fù)荷－位移曲線如圖10所示。表明試樣的斷裂位置主要發(fā)生在鋁合金側(cè)的熱影響區(qū)，這主要是由于熱影響區(qū)在焊接過程中受熱晶粒變粗大，力學(xué)性能降低造成的。圖11是拉剪斷口形貌特征照片，斷口大部分出現(xiàn)韌窩，斷裂方式為韌性斷裂。

圖9 鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭斷裂位置 （a）俯視圖；（b）側(cè)視圖Fig.9 Fracture position of lap joint of aluminum alloy and galvanized steel （a）top view；（b）side view

圖10 拉剪試樣負(fù)荷－位移曲線Fig.10 Load－displacement curve of tensile－shear sample

圖11 鋁合金與鍍鋅鋼搭接接頭拉剪斷口形貌Fig.11 Tensile－shear fracture morphology of lap joint of aluminum alloy and galvanized steel

3 結(jié)論

（1）Pulsed DE－GMAW熔釬焊方法，實(shí)現(xiàn)了5052鋁合金板與鍍鋅鋼板異種金屬的熔釬焊接，且得到的搭接接頭外觀成形良好、變形小。

（2）搭接接頭界面中心區(qū)的金屬間化合物層由鋁側(cè)針狀或鋸齒狀的FeAl3金屬間化合物層和鋼側(cè)平齊的Fe2Al5和Fe0.7Al3Si0.3金屬間化合物層組成。搭接接頭的顯微硬度測試，進(jìn)一步證明了搭接接頭界面中心區(qū)由硬度高的金屬間化合物組成。

（3）搭接接頭的平均拉剪強(qiáng)度達(dá)到了144.85MPa，最高拉剪強(qiáng)度達(dá)到了186.73MPa，是鋁合金母材強(qiáng)度的88.5%。觀察拉剪斷口形貌特征，斷裂方式為韌性斷裂。

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