閆飛，周一凡，唐本刊，胥永剛，王春明

(1.武漢理工大學(xué),現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢,430070；2.西南交通大學(xué),材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都,610031；3.華中科技大學(xué),武漢,430074)

0 序言

鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)兼具鋁的輕質(zhì)性和鋼的高強(qiáng)性，可以使整體構(gòu)件在滿足使用性能的前提下降低能耗，節(jié)約成本，因而在航空航天、汽車、船舶制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2].焊接是實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種材料連接的高效方法之一，但由于鋁/鋼物化性能迥異，導(dǎo)致熔焊時(shí)Al-Fe 界面易形成脆性金屬間化合物(IMCs)，嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性能，極大地限制了該構(gòu)件在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用.

為解決上述問(wèn)題，不少學(xué)者采用電弧焊、激光焊、釬焊、攪拌摩擦焊等多種焊接方法進(jìn)行鋁/鋼異種材料焊接[3-5]，其中激光焊由于焊接過(guò)程能量精確可控、熱輸入小等優(yōu)點(diǎn)，可以有效調(diào)控Al-Fe 冶金反應(yīng)，成為鋁/鋼異種材料連接比較理想的方法.Xia 等人[6]進(jìn)行鋁/鋼異種金屬激光熔釬焊，發(fā)現(xiàn)雙光點(diǎn)激光焊接不僅可以減小界面IMCs 的整體厚度，還可以均質(zhì)化界面IMCs 的分布.Yan 等人[7]研究發(fā)現(xiàn)界面多種IMCs 的形成與鋁/鋼焊接過(guò)程中的成分偏析有關(guān)，提出減少焊接熱輸入抑制界面IMCs 及其誘導(dǎo)的裂紋.Su 等人[8]發(fā)現(xiàn)鋁/鋼熔焊過(guò)程加入鋅基焊料，促使界面形成低硬度脆性的新型FeAl IMCs，提高接頭的承載能力.研究表明，激光焊在調(diào)控界面IMCs 厚度和形態(tài)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以改善接頭成形與性能，但未能有效解決接頭成分偏析與組織不均性問(wèn)題，因而鋁/鋼異種材料的高質(zhì)效焊接仍需深入研究.

外加磁場(chǎng)輔助激光焊接具有價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單并能有效調(diào)控焊縫凝固組織等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.戎易等人[9]采用交變磁場(chǎng)調(diào)控添加鎳中間層的鎂/鋼接頭中化合物的形貌與分布，提高了接頭的力學(xué)性能.丁浩等人[10]對(duì)預(yù)制粉末的鋁/鋼對(duì)焊試驗(yàn)施加交變磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)熔池的攪拌作用可以減少氣孔缺陷，細(xì)化針狀FeAl3IMCs，抑制脆性Fe-Al IMCs 的生長(zhǎng).Zhou 等人[11]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)熔池的攪拌作用可以促進(jìn)傳熱傳質(zhì)、液態(tài)金屬對(duì)流和溶質(zhì)交換，以及彌散Mg-Al IMCs 的分布.可見，外加磁場(chǎng)輔助激光焊接方法結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，在提升鋁/鋼等異種材料接頭性能方面具有巨大潛能.

基于此，文中擬通過(guò)預(yù)置縱向交變磁場(chǎng)對(duì)鋁/鋼異種材料進(jìn)行激光搭接深熔焊試驗(yàn)，研究交變磁場(chǎng)對(duì)接頭宏觀形貌、顯微組織、元素分布、力學(xué)性能及其斷裂方式的影響，為外加磁場(chǎng)輔助鋁/鋼等異種材料激光焊接技術(shù)實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與工藝參考.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用1 mm 厚的DP590 熱鍍鋅鋼板和6061-T6 鋁合金板材，其中鍍鋅鋼板表層的鍍鋅層厚度為50 μm.試驗(yàn)樣板的尺寸規(guī)格為200 mm ×150 mm × 1 mm，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1 所示.為了提高焊接接頭質(zhì)量，焊前需要采用一系列物理化學(xué)方法去除待焊表面的氧化薄膜與油污.

表1 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal

試驗(yàn)用光纖激光器的型號(hào)為 YLS-30 000，該激光器主要參數(shù)如下：焦點(diǎn)直徑0.5 mm，焦距300 mm，激光波長(zhǎng)1 070 nm.焊接接頭采用搭接形式，搭接長(zhǎng)度為30 mm.焊接保護(hù)氣體選用氬氣，以防止鋁/鋼焊縫在高溫下氧化.為防止焊接過(guò)程產(chǎn)生的飛濺損壞保護(hù)鏡片，需要焊接過(guò)程中施加壓縮空氣.鋁/鋼激光焊接示意圖如圖1 所示.為了調(diào)控Fe-Al 界面的冶金反應(yīng)，焊接過(guò)程中需施加交變磁場(chǎng)，試驗(yàn)中磁場(chǎng)裝置由控制柜和線圈組成，通過(guò)控制單元設(shè)定試驗(yàn)所需的交變磁場(chǎng)變量.

圖1 磁場(chǎng)輔助激光焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic field assisted laser welding

為了對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，在前期研究基礎(chǔ)上，焊接過(guò)程采用加入和不加入磁場(chǎng)進(jìn)行激光焊接研究.試驗(yàn)的工藝參數(shù)如表2 所示.焊后采用線切割方式制備金相試樣和拉伸試樣，選用金相顯微鏡和電子掃描顯微鏡分別觀察接頭宏觀形貌、微觀組織及元素分布，選用萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能，評(píng)估接頭的質(zhì)量和探究接頭的失效機(jī)理.

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭表面成形

不同焊接工藝條件下鋁/鋼接頭的焊縫成形如表3 所示.可以看到鋁/鋼未加磁場(chǎng)焊接時(shí)焊縫表面平直且呈亮白色，魚鱗狀細(xì)膩連續(xù)分布，焊縫中心部位稍微下凹，表面成形質(zhì)量較好.焊接過(guò)程施加交變磁場(chǎng)時(shí)，焊縫整體呈淺黃色，飛濺明顯增多.相對(duì)未加磁場(chǎng)焊縫而言，熔寬開始變小，魚鱗狀長(zhǎng)度明顯拉長(zhǎng)，且末端有一定余高，這可能與熔池中交變磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的洛倫茲力有關(guān)[12]，交變磁場(chǎng)的作用促使洛侖茲力發(fā)生周期性變化，導(dǎo)致熔池的運(yùn)動(dòng)發(fā)生周期變化波動(dòng).研究還發(fā)現(xiàn)，施加磁場(chǎng)后焊縫的熔深明顯增加，這與磁制動(dòng)力作用下熔池內(nèi)向兩側(cè)和后方流動(dòng)作用減弱有關(guān).已有文獻(xiàn)表明[13-14]，外加縱向磁場(chǎng)，由于Hartmann 效應(yīng)，熔池內(nèi)液態(tài)金屬M(fèi)arangoni 對(duì)流減弱.熔池吸收的激光能量進(jìn)一步聚集在熔池前部，使得最高溫度增大，打孔作用增強(qiáng)，最后使得焊縫熔深增加.此外鋁/鋼搭接焊結(jié)合面的面積明顯增加，這有助于進(jìn)一步提高接頭的承載能力.

表3 不同磁場(chǎng)條件下焊縫成形Table 3 Weld formation at different magnetic fields

2.2 接頭顯微組織

鋁/鋼激光搭接焊接頭的顯微組織如圖2 所示.從圖2a 可以看到低倍下鋁/鋼界面層主要由帶狀組織、塊狀組織以及島狀組織組成，這些組織形貌迥異，大小不一，分布極不均勻.鋁/鋼激光熔焊時(shí)，由于鐵在鋁中的固溶度較低，而焊接熔池較小、冷卻時(shí)間較快，焊縫凝固過(guò)程中溶質(zhì)原子無(wú)法在短時(shí)間充分?jǐn)U散，導(dǎo)致界面層形成Fe-Al 化合物(圖2b)，這些化合物具有較大的硬度和脆性，它們?cè)诮缑鎸舆B續(xù)分布時(shí)會(huì)由于自身特性降低材料自身的塑性變形能力，增大裂紋的敏感性.研究還發(fā)現(xiàn)，帶狀組織之間形成不規(guī)則的裂紋(圖2c)，裂紋的形成主要與焊接過(guò)程的冶金因素和力學(xué)因素有關(guān)，前者是Fe 和Al 元素的偏析促進(jìn)脆性Fe-Al 化合物的生成，降低材料自身的塑韌性，后者是組織的差異導(dǎo)致接頭中形成較大的應(yīng)力，兩者的共同作用導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生.

圖2 接頭顯微組織Fig.2 Microstructure of the joints.(a) joint interface without magnetic field;(b) region A without magnetic field;(c)region B without magnetic field;(d) joint interface with magnetic field;(e) region A with magnetic field;(f) region B with magnetic field

外加交變磁場(chǎng)后，鋁/鋼界面形狀相對(duì)未加磁場(chǎng)而言開始變得比較規(guī)則，焊縫區(qū)嵌入鋁基體的塊狀Fe-Al 化合物明顯減少，而帶狀或島狀Fe-Al 化合物得到細(xì)化(圖2e)，這依賴于交變磁場(chǎng)對(duì)熔池的電磁攪拌作用，該作用力促進(jìn)熔池凝固過(guò)程中晶粒的破碎和二次形核，細(xì)化Fe-Al 化合物組織.另外，界面層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋缺陷，這主要是由于熔池中電磁力的攪拌作用改變了溫度梯度分布，減小了焊接熱應(yīng)力.從圖2e 和圖2f 可以看到部分Fe-Al 化合物被α-Al 包圍，這表明熔池中電磁力的作用除了誘導(dǎo)Fe-Al 化合物離散分布外，還促進(jìn)熔池中溶質(zhì)元素的遷移，降低焊縫中的成分偏析，其中α-Al 固溶體具有良好的變形能力，外力作用下，該晶體可以優(yōu)先發(fā)生塑性變形(以滑移和孿生形式)消耗大部分畸變能，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能.

2.3 接頭元素分析

鋁/鋼接頭界面層的能譜分析結(jié)果如圖3 所示.從圖3a 可以看到，未加交變磁場(chǎng)焊接時(shí)，焊縫中部分Fe 元素遷移進(jìn)入鋁側(cè)，而僅有少量Al 元素遷移進(jìn)入鋼側(cè)，這主要是因?yàn)镕e 原子質(zhì)量大于Al 原子質(zhì)量，激光輻照下液態(tài)金屬在重力作用下發(fā)生遷移，而界面層Fe 和Al 原子的富集導(dǎo)致連續(xù)脆而硬Fe-Al 化合物的形成，這將減小界面結(jié)合處的性能.外加交變磁場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)部分Al 元素在電磁力的作用下遷移進(jìn)入焊縫，連續(xù)分布的Fe-Al 脆性化合物被離散(圖3b)，這將減小焊縫中的成分偏析，有利于降低界面層的裂紋敏感性.

圖3 不同焊接條件下接頭界面元素分布Fig.3 Element distribution at joint interfaces under different welding conditions.(a) no magnetic field;(b) alternating magnetic field

鋁/鋼界面析出物的能譜分析如圖4 和表4 所示.根據(jù)Al 元素的含量[15]可以推測(cè)界面形成的Fe-Al 脆性IMCs 主要是ζ-FeAl2，θ-FeAl3和β2-FeAl.在焊縫冶金過(guò)程中，鋁和鐵有限的溶解度是脆性IMCs 形成的主要原因.

表4 點(diǎn)能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 EDS spot composition analysis results

圖4 鋁/鋼界面顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructures at the Al/steel interface

從熱力學(xué)的角度可知[16]，富鋁的IMCs (如FeAl3等化合物)在冶金反應(yīng)中由于具有較小的焓變和吉布斯自由能變而優(yōu)先生成.與富鐵的IMCs(如FeAl2和FeAl 等化合物)相比，富鋁的IMCs 具有較大的脆性.富鋁的IMCs 析出會(huì)增大材料的裂紋傾向性和降低材料的塑韌性，因此該析出相通常是有害的，在冶金反應(yīng)中應(yīng)盡量減少.在鋁/鋼激光焊接過(guò)程中，交變磁場(chǎng)的加入誘導(dǎo)焊接熔池中產(chǎn)生電磁力，該作用力可以對(duì)熔池進(jìn)行攪拌作用，促進(jìn)熔池傳熱傳質(zhì)同時(shí)細(xì)化焊縫中晶粒，有效地實(shí)現(xiàn)了脆性IMCs 的離散處理，將有助于接頭性能的改善.

2.4 接頭力學(xué)性能

為了評(píng)估兩種工藝條件下焊接接頭的力學(xué)性能，采用線切割方式對(duì)焊接樣件進(jìn)行加工制備相應(yīng)的拉伸試樣(圖5).考慮到搭接拉伸樣品的特性，在拉伸過(guò)程中需要預(yù)放置等厚的板材，確保拉伸過(guò)程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

圖5 拉伸試樣示意圖(mm)Fig.5 Diagram of tensile specimens

剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，可以看到測(cè)試試樣的載荷能力、伸長(zhǎng)量分別為0.89 kN 與0.38 mm，0.96 kN 與1.01 mm.與未加磁場(chǎng)焊接接頭相比，外加磁場(chǎng)后焊接接頭承擔(dān)能力和斷后伸長(zhǎng)率分別提高8.09%和166%.接頭載荷能力的提高主要與兩個(gè)因素有關(guān)：搭接區(qū)域的結(jié)合面積和微觀組織.從圖2 可以看到外加交變磁場(chǎng)后鋁/鋼接頭搭接面積明顯增加，這將有利于提高接頭載荷能力.另外，外加交變磁場(chǎng)的作用促使焊接熔池中產(chǎn)生周期性變化的電磁力，該作用力促進(jìn)溶質(zhì)的遷移和IMCs組織細(xì)化，一定程度提高了材料的變形能力.接頭斷口形貌如圖7 所示，可以看到未加磁場(chǎng)焊接時(shí)接頭斷面呈現(xiàn)沿晶界開裂的裂紋和從材料內(nèi)部開裂的微裂紋，斷口形貌相對(duì)比較平整(圖7a)，接頭的斷裂形式屬于脆性斷裂，典型斷裂形貌的產(chǎn)生與接頭結(jié)合面處的微觀組織有關(guān).從前面的分析可以看出，未加磁場(chǎng)焊接鋁/鋼異種材料時(shí)，結(jié)合面形成大量連續(xù)分布的Fe-Al IMCs，這些IMCs 具有較大的脆性和硬度，塑性變形能力比較差，外力作用下容易發(fā)生開裂，導(dǎo)致接頭失效.焊接過(guò)程加入交變磁場(chǎng)后(圖7b)，接頭斷面裂紋明顯減少，斷口出現(xiàn)一些撕裂棱和韌窩，表明接頭斷裂過(guò)程發(fā)生一定的塑性變形，接頭斷裂形式屬于混合斷裂，這與焊縫中的組織演變有關(guān).在外加磁場(chǎng)作用下，焊接熔池中產(chǎn)生方向周期性變化的電磁力，該作用力對(duì)熔池的進(jìn)行不斷攪拌，促進(jìn)溶質(zhì)的遷移，減少了成分的偏析.Al 元素的遷移促使界面層中形成α-Al 組織，該組織具有較好的塑性變形能力，可以降低裂紋的敏感性，提高材料的載荷能力.

圖6 不同焊接接頭的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of different welded joints

圖7 接頭斷裂形貌Fig.7 Joint fracture morphology.(a) no magnetic field;(b) alternating magnetic field

3 結(jié)論

(1) 外加交變磁場(chǎng)輔助鋁/鋼異種材料激光焊接可以獲得成形良好的接頭，焊接過(guò)程交變磁場(chǎng)的加入促使接頭焊縫的熔寬減小、熔深增加.

(2) 未加磁場(chǎng)鋁/鋼焊接接頭界面層形成連續(xù)分布的Fe-Al IMCs，誘導(dǎo)裂紋產(chǎn)生，而加入交變磁場(chǎng)后鋁/鋼焊接接頭界面層組織細(xì)化，成分偏析得到減少，裂紋缺陷明細(xì)得到抑制.

(3) 焊接過(guò)程加入交變磁場(chǎng)后接頭中形成多種IMCs(可能為ζ-FeAl2，θ-FeAl3和β2-FeAl)，焊接熔池中電磁力對(duì)熔池的攪拌作用促進(jìn)界面IMCs 的離散分布，有效地提高材料的變形能力.

(4) 與未加磁場(chǎng)焊接相比，加入交變磁場(chǎng)后焊接接頭的力學(xué)性能明顯得到提高，主要原因是結(jié)合面積的增加與IMCs 組織的細(xì)化，接頭斷裂形式由脆性斷裂向混合斷裂方式轉(zhuǎn)變.