陳建斌 彭遲 程東海 陳益平 胡德安 向盼

1. 概述

在當今世界，汽車是溫室氣體的排放大戶，車身及構(gòu)件的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)汽車行業(yè)節(jié)能減排的主要途徑之一。但是，鋼/鋁異種金屬的焊接作為汽車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一項關(guān)鍵問題始終沒有得到有效的解決。

由于鋁與鋼的物理性能相差很大，很難實現(xiàn)鋁與鋼的直接可靠焊接。目前鋁/鋼焊接的主要方法有摩擦焊、爆炸焊、擴散焊、釬焊、熔焊、電弧焊激光焊及磁脈沖焊等。這些焊接方法都存在一些局限性和不足?；鹧驸F焊與其他焊接方法相比，極少受操作上的限制，故一般適用于品種多且形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，通常應(yīng)用于大批量的生產(chǎn)中。由于火焰釬焊的設(shè)備價格低廉，而且使用方便，可以保證獲得較高的釬焊質(zhì)量；可釬焊形狀不規(guī)則的產(chǎn)品；釬焊接頭平整光滑，外形美觀；可隨時觀察到釬焊過程中的不良狀態(tài)，及時控制，避免產(chǎn)生過多的不良品；釬料輸送實現(xiàn)自動控制，保證了釬料填充的均勻性和穩(wěn)定性；釬焊溫度的大小及釬焊時間均可自由設(shè)定等優(yōu)點，從而研究鋁鋼的火焰釬焊對鋁鋼異種材料連接有較大的實際應(yīng)用意義與高效生產(chǎn)。

2. 試驗材料及方法

試驗選用1mm厚的LF6鋁合金以及1mm的Q235鋼板材作為火焰釬焊的焊接材料，其各自的化學(xué)成分如表1、表2所示。并采用HL402鋁硅銅釬料和HL505鋅鋁釬料為焊接釬料，其化學(xué)成分及部分性能分別如表3、表4所示。

采用氣焊設(shè)備進行焊接試驗， 燃燒氣體為乙炔，并采用還原焰。母材加工成1 0 0mm×2 0mm，采用對接接頭。對焊接試樣進行拉剪強度測試及金相組織分析。

表1 LF6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 Q235鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表3 HL402鋁硅銅釬料的化學(xué)成分及性能

表4 HL505鋅鋁釬料的化學(xué)成分及性能

圖1 距焰心長度與拉伸強度的關(guān)系

圖2 距焰心5mm焊縫中心顯微組織

3. 試驗結(jié)果及分析

（1）鋅基釬料力學(xué)性能及顯微組織分析 第一，鋅基釬料試樣的力學(xué)性能分析。

由圖1 可知，在焊接范圍內(nèi)，工件距焰心4mm左右時所獲得的接頭強度最高，且在焊接范圍內(nèi)，未必焊接熱量越大其強度越高。由圖知在距焰心5mm下降至距焰心4mm時，試樣對應(yīng)的拉伸強度呈上升趨勢，即在該焊接范圍內(nèi)，距焰心>4mm時，隨著距焰心距離的減小，試樣的拉伸強度增大，這主要是因為熱量增大而使元素擴散充分；在距焰心4mm下降至距焰心3mm時，試樣對應(yīng)的拉伸強度呈下降趨勢，即隨著距焰心距離的增大，試樣的拉伸強度越高，主要是由熱量相對較大，使鋁、鐵元素在焊縫中相互擴散和反應(yīng)，生成一系列金屬間化合物而使力學(xué)性能的一部分下降。在距焰心為4mm時，所得試樣的拉伸強度達到最大值，在該試驗參數(shù)時試驗的拉伸強度為133.6MPa。

對試樣背面的熱影響區(qū)的測量可得到距焰心5mm時熱影響區(qū)長度為1.7c m；距焰心4mm時為2.1cm；距焰心3mm時為2.5cm。

綜合上述的分析可以得出：在材料具有焊接性前提下，焊接熱影響區(qū)的寬度隨著熱輸入的增大而變大，但在一定范圍內(nèi)，隨著熱輸入的增大，火焰釬焊試樣的拉伸強度逐漸增加，但是當火焰溫度達到某個臨界值時，火焰釬焊試樣拉伸強度也達到最大值并且隨著溫度的增加而下降。

第二，鋅基釬料焊接試樣接頭的組織分析：圖2為工件距焰心5mm時焊接所得接頭截面的顯微組織形貌。由圖可見，火焰釬焊接頭主要由鋁母材、鋼母材及釬焊縫組成。暗黑色部分為鋁母材側(cè)，淺色部分為鋼母材側(cè)，鋼和鋁之間的區(qū)域是填充釬料，釬焊縫又可分上下兩部分（圖中的左側(cè)和中間兩部分），可以從圖中清楚的看出靠左側(cè)的釬焊縫上部組織和中間的釬焊縫下部的組織明顯不同，焊縫上部有大量的白色網(wǎng)格狀物質(zhì)均勻分布，而在焊縫下部主要為顏色介于鋁和鋼的淺灰色組織。在釬焊縫的上部由于距離母材較遠，母材元素較難擴散至此，因此主要是由Zn和Al元素組成，其組織也和釬料較為接近。由Zn-Al相圖可知其中的白色物質(zhì)為富鋅固溶體，灰黑色物質(zhì)為富鋁相物質(zhì)。而在焊縫的下部由于釬料較少，且釬焊時元素擴散較為充分，使得在此區(qū)域其組織較為復(fù)雜，主要由Zn、Al和Fe元素組成，由于Fe和Al元素在加熱條件下會反應(yīng)生成一系列脆性的金屬間化合物而導(dǎo)致接頭強度的下降。

如圖可知，在靠近鋼側(cè)的連接界面輪廓較鋁側(cè)的界面清晰，主要是由于鋼的熔點高，釬焊時幾乎不反應(yīng)，而鋁的熔點較低，且和釬料的成分較為接近，易于釬料互溶反應(yīng)。在鋁一側(cè)為鋁合金熔核邊緣為胞狀晶結(jié)構(gòu)，是由于在熔核凝固前夕，液態(tài)熔核邊緣前沿的許多晶粒處于半溶化狀態(tài)，不同取向的晶粒之間彼此被液態(tài)的釬料潤濕，同時釬料也向母材中潤濕擴散。在接頭開始凝固后，熔核液態(tài)邊緣的溫度開始降低，并最先處于過冷狀態(tài)，處于半熔融狀態(tài)的晶粒，由于表面能量低而作為異質(zhì)晶核進行非均勻成核，晶核不斷地長大為枝晶。由于熔核邊緣半熔化的金屬與熔核區(qū)的液態(tài)金屬的化學(xué)成分相近、晶格類型相同，所以此過渡區(qū)的晶?？偸锹?lián)生生長，并且保持著同一晶軸。

圖3和圖4分別為距焰心3mm和4mm的焊縫中心顯微組織照片，由圖可知，距焰心3mm和4mm焊縫中均存在網(wǎng)狀或條狀的白色物質(zhì)，且距離焰心越近網(wǎng)狀物質(zhì)越少，而上圖中的顏色較深的為富鋁相固溶體，該物質(zhì)出現(xiàn)幾乎和富鋁相固溶體相反。經(jīng)初步推斷該物質(zhì)為富鋅相固溶體，距焰心越近的接頭其組織中該物質(zhì)含量越少，主要是由于Zn的熔沸點很低但蒸汽壓較高，從而溫度越高鋅的蒸發(fā)損耗越嚴重。由以上兩圖可見，焊縫區(qū)為樹枝晶組織，結(jié)合Al-Zn二元合金相圖和金屬材料金相圖譜可知，其組織構(gòu)成為枝晶富鋁固溶體(Al)和枝間分布的富鋅固溶體(Zn)，并且在枝間析出了細小白色相。富鋁固溶體呈深灰色，富鋁固溶體中高含量的鋅得益于鋅在鋁中的高固溶度，兩種固溶體中都存在一定含量的氧，并且氧含量的增加會導(dǎo)致焊縫組織中出現(xiàn)少量的黑色富氧相。

圖3 距焰心4mm焊縫中心顯微組織照片

圖4 距焰心3mm焊縫中心顯微組織照片

圖5 鋅基釬料焊接試樣掃描電鏡線掃描宏觀圖

圖6 距焰心距離與拉伸強度關(guān)系

表5 圖5中各點的化學(xué)成分EDS分析結(jié)果

第三，距離焰心4mm鋁∕鋼鋅基釬料焊接試樣接頭的能譜分析：圖5為鋁鋼釬焊接頭的掃描電鏡化學(xué)成分線掃描圖，表5為圖中各點的點掃描結(jié)果。由圖可知，從接頭的鋁側(cè)經(jīng)釬焊縫到鋼側(cè)，F(xiàn)e元素從鋁側(cè)和近鋁側(cè)焊縫幾乎為零的含量到靠近鋼側(cè)釬焊縫的少量再到鋼母材大量，為遞增的趨勢；而Al元素的變化趨勢則與F e元素大致相反，只是在釬焊縫中Al元素的含量變化沒有Fe的明顯，主要是由于鋼的熔點高，擴散較難且釬料中也含有Al元素，從而使得A l元素較F e元素在焊縫中分布較為均勻。b1、b 2、b 3分別為在鋁側(cè)、釬焊縫和鋼側(cè)的掃描電鏡掃描點。從表中的b 1、b 2、b 3點的掃描結(jié)果可以看出，靠近焊縫底部的界面金屬化合物區(qū)域主要是Fe元素和Al元素組成，這主要是由于Z n元素熔點低且蒸汽壓較大，在焊接時大量揮發(fā)所致。b 1點的A l和Fe元素含量分別為97.6At.%、2.40At.%，可知此處的組織主要為a-Al組織和少量固溶Fe的富鋁相固溶體。b2點的Al元素的含量為73.11At.%，F(xiàn)e元素的含量為26.89At.%，由Al-Fe相圖分析可知，此處很可能為金屬間化合物Fe2Al5。b3點的Al和Fe元素含量分別為5.24At.%、94.76At.%，可知在鋼一側(cè)的Al的含量要少于鋁側(cè)Fe元素的含量，這與以上的分析一致。

（2）鋁硅銅釬料力學(xué)性能及顯微組織分析 第一，鋁硅銅釬料試樣的力學(xué)性能分析：如圖6距焰心距離與拉伸強度的對應(yīng)關(guān)系可知：鋁硅銅釬料與鋅鋁釬料類似，在距焰心5mm下降至距焰心4mm時，試樣對應(yīng)的拉伸強度逐漸上升；在距焰心為4mm時，試樣的拉伸強度達到最大；從4mm下降至距焰心3mm時，試樣對應(yīng)的拉伸強度逐漸下降。在距焰心為4mm時，試樣的拉伸強度達到最大，其強度為106.6MPa。并測得在距焰心5mm時工件的熱影響區(qū)寬度為1.6c m，距焰心4mm時寬度為2.0c m，距焰心3mm時其寬度為2.3cm。這與Zn-Al釬料接頭相似，即焊接熱影響區(qū)只與焊接的熱輸入有關(guān)，同時為影響接頭強度最主要的焊接參數(shù)。

第二，距離焰心4mm鋁∕鋼鋅基釬料焊接試樣接頭界面的組織和能譜分析：圖7為鋁鋼釬焊接頭的掃描電鏡化學(xué)成分線掃描圖，表6為圖中各點的點掃描結(jié)果。由圖可知從釬焊接頭的鋁側(cè)到鋼側(cè)，F(xiàn)e元素的含量為遞增的趨勢；而Al元素含量的變化趨勢則變化不太大，主要是由于釬料為鋁硅銅釬料其本身含有大量的Al元素，從而使得Al元素較Fe元素在焊縫中分布較為均勻，而Fe元素則主要靠加熱時的元素擴散進行。從圖中可知，在鋼側(cè)界面較鋁側(cè)界面要平滑和清晰，主要是由于鋁的熔點低且釬料同為鋁基更易與鋁母材反應(yīng)。b4、b5、b6分別為在鋁側(cè)、釬焊縫和鋼側(cè)的掃描電鏡掃描點，從表6的掃描結(jié)果可以看出，b6點主要為Fe元素其含量為94.94At.%，Al元素含量為5.06At.%，其主要通過界面從釬料中擴散到鋼中。b4點的Fe元素含量為2.80At.%，Al元素含量為97.2At.%，各元素的擴散和鋅基釬料的接頭類似，b5點的Al元素的含量為72.2At.%，F(xiàn)e元素的含量為27.8At.%，由Al-Fe相圖分析可知，在該處所形成的金屬間化合物可能為Fe2Al5和鋅基釬料類似。

圖7 鋁基釬料焊接試樣掃描電鏡線掃描宏觀圖

表6 圖6中各點的化學(xué)成分EDS分析結(jié)果

4. 結(jié)語

(1)通過合理設(shè)置工藝，在采用鋅基釬料和鋁硅銅釬料時都可以得到較為理想的單面焊雙面成形的焊接接頭。兩種釬料都在距焰心4mm時得到最高的抗拉強度接頭試樣，鋅基釬料的接頭抗拉強度可達133.6MPa，略高于鋁硅銅釬料時接頭106.6MPa的抗拉強度。

(2) 鋅基和鋁基釬料焊接試樣的釬焊縫形貌類似，即鋼側(cè)有清晰平直的界面，而鋁側(cè)的連接界面較為模糊，鋅基釬料的焊縫顯微組織中均存在網(wǎng)狀的白色的富鋅相固溶體和顏色較深的塊狀為富鋁相固溶體，且距離焰心越近網(wǎng)狀物質(zhì)越少，鋁基釬料中主要為富鋁相固溶體。

(3) 鋅基和鋁基釬料釬焊接頭的元素分布類似即Fe元素的含量為漸變的趨勢；而A l元素含量的變化趨勢則不太大，且在接頭處均生成了Fe-Al金屬間化合物，該化合物均為Fe2Al5。

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