戎 易，李海濤，熊震宇，程?hào)|海，陳益平，胡德安，王 德，劉釗澤，李文杰

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063)

鎂合金與鋼的連接在航空、航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，由于鎂合金密度小，與鋼連接時(shí)能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)與節(jié)能減排[1]。目前，實(shí)現(xiàn)鎂/鋼異種材料的高質(zhì)量連接存在較多的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在Mg與Fe物化性能差異大、Fe與Mg之間不互溶也不產(chǎn)生金屬間化合物這兩個(gè)方面[2]。

目前，為解決鎂合金與鋼之間不互溶也不產(chǎn)生金屬間化合物的問(wèn)題，學(xué)者們通過(guò)外加Ni，Cu，Ag，Zn，Sn，Cu-Zn和Zn-xAl中間層或鍍層促進(jìn)界面化合物的生成[3-10]，焊接后接頭獲得較高力學(xué)性能。在激光焊接過(guò)程中交變磁場(chǎng)與感應(yīng)電流作用產(chǎn)生電磁力，交變電磁力，促使熔池產(chǎn)生正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加劇熔池中的對(duì)流運(yùn)動(dòng)[11]。Avilov等[12]對(duì)2205雙相鋼板進(jìn)行了激光全熔透對(duì)接實(shí)驗(yàn)。在熔池采用一種非接觸式交流感應(yīng)電磁系統(tǒng)來(lái)防止焊根因重力下垂，從而提高焊接質(zhì)量。劉洪喜等[13]利用交變磁場(chǎng)輔助激光熔覆實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)后熔池金屬液表面產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和交變電磁力，使熔覆層頂部組織由樹(shù)枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，緩解了熔覆層裂紋、氣孔等缺陷。Zhang等[14]通過(guò)數(shù)值模擬研究了鋁合金全熔透激光焊接中交變磁場(chǎng)對(duì)熱流體流動(dòng)和抑制焊根駝峰的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)周期性變化的電磁力對(duì)熔池施加向上支撐，使熔池流動(dòng)更加穩(wěn)定。丁浩等[15]在DC51D+AZ鍍鋅鋼/6061鋁合金激光對(duì)接焊接實(shí)驗(yàn)中外加交變磁場(chǎng)。結(jié)果表明，磁場(chǎng)的攪拌作用能改善焊縫的形貌，減少焊縫中的氣孔，細(xì)化針狀FeAl3相，抑制脆性Fe/Al化合物的生長(zhǎng)，接頭的力學(xué)性能得到有效提高。由此可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)外加交變磁場(chǎng)輔助同種或異種材料激光焊已有一定研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)外加交變磁場(chǎng)輔助激光焊接能改變?nèi)鄢剡\(yùn)動(dòng)，優(yōu)化焊縫成形，提高焊接接頭的力學(xué)性能。

Ni在凝固時(shí)能夠與Mg，F(xiàn)e元素分別形成金屬間化合物和固溶體，添加Ni中間層可以實(shí)現(xiàn)鎂/鋼異種材料的冶金連接。同時(shí)，在交變磁場(chǎng)的作用下優(yōu)化搭接接頭的焊縫成形，從而達(dá)到提升接頭力學(xué)性能的效果。故本工作運(yùn)用交變磁場(chǎng)輔助鎂/鋼異種金屬激光熔釬焊搭接實(shí)驗(yàn)，分析不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下添加Ni中間層的鎂/鋼接頭的微觀組織、焊縫成形和力學(xué)性能，為改善外加交變磁場(chǎng)輔助鎂合金與鋼異種金屬的連接提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)的母材為120 mm×60 mm×1 mm的AZ31B鎂合金(Mg-3Al-1Zn-0.2Mn-0.1Si，質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)和Q235低碳鋼(Fe-0.7Mn-0.3Si-0.2C)。中間層為60 mm×10 mm×0.1 mm的N6鎳片。實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備是YLS-6000CUT型光纖激光器。焊接時(shí)，試樣的頂部表面用純度99%的氬氣以15 L/min的速度通過(guò)16 mm直徑的噴嘴保護(hù)。用夾具將AZ31B鎂合金搭接在Q235低碳鋼上，并在兩者之間夾入0.1 mm厚的鎳片進(jìn)行固定。外加交變磁場(chǎng)鎂/鋼搭接激光焊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。將焊后試樣用線切割機(jī)沿垂直于焊縫方向截取，采用XQ-1型熱鑲嵌機(jī)制作成鑲嵌塊，對(duì)其進(jìn)行打磨、拋光。經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)后，無(wú)中間層鎂/鋼搭接激光焊選定焊接工藝參數(shù)為：激光功率P=600～800 W(每50 W為一個(gè)遞增單位)，焊接速度v=20 mm·s-1。添加Ni中間層鎂/鋼搭接激光焊選定焊接工藝參數(shù)為：P=1100～1350 W(每50 W為一個(gè)遞增單位)，v=20 mm·s-1。外加交變磁場(chǎng)激光焊接工藝參數(shù)為：P=1250 W，v=20 mm·s-1，選定交流磁場(chǎng)參數(shù)為：磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0～20 mT(每5 mT為一個(gè)遞增單位)，磁場(chǎng)頻率f=35 Hz。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)研究外加縱向交變磁場(chǎng)后的界面金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)層，使用WDW-100型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)研究接頭力學(xué)性能，拉伸速率為0.5 mm/min，拉剪試樣尺寸如圖2所示，每組參數(shù)拉剪3組試樣，求其平均值，算出對(duì)應(yīng)的接頭拉剪線載荷F。

圖1 外加交變磁場(chǎng)焊接裝置示意圖

圖2 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭橫截面與微觀組織分析

對(duì)AZ31B鎂合金與Q235鋼直接進(jìn)行激光熔釬焊搭接實(shí)驗(yàn)。圖3(a)為P=650 W，v=20 mm·s-1時(shí)，鎂/鋼激光熔釬焊接頭橫截面形貌。觀察可知，在激光的作用下，由于鎂合金與鋼的熔點(diǎn)差異，上方的鎂合金熔化，下方的鋼板微量熔化。圖中接頭由鎂側(cè)焊縫、鎂/鋼界面、鋼母材組成。根據(jù)二元合金相圖發(fā)現(xiàn)，由于鎂與鐵不固溶也不產(chǎn)生金屬間化合物，激光的攪拌作用將微量熔化的鋼帶入鎂側(cè)焊縫中，界面連接依靠鎂合金與鋼的機(jī)械結(jié)合。

為達(dá)到鎂/鋼接頭的冶金結(jié)合，在鎂合金與鋼的界面中添加Ni中間層。圖3(b)為P=1250 W，v=20 mm·s-1時(shí)添加Ni中間層鎂/鋼熔釬焊接頭橫截面形貌，可知圖中接頭由5部分組成，其中包括鎂側(cè)焊縫、Ni中間層、金屬間化合物層、鋼側(cè)焊縫、鋼母材。對(duì)圖3(b)進(jìn)行SEM觀察可知，IMC層可分為兩個(gè)區(qū)域，兩側(cè)未熔化的Ni中間層與鎂合金液態(tài)金屬反應(yīng)形成類似釬焊的區(qū)域,中間熔化的Ni與鎂合金液態(tài)金屬反應(yīng)和微量熔化的鋼固溶形成類似熔焊的區(qū)域。進(jìn)一步對(duì)圖中紅色區(qū)域進(jìn)行SEM觀察與EDS分析，結(jié)合圖4(b)與表1中E點(diǎn)的EDS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熔化的鎳片向下與微量熔化的鋼形成Fe-Ni固溶體，F(xiàn)e-Ni固溶體與鎂側(cè)焊縫之間存在類熔焊區(qū)IMC層。拉剪實(shí)驗(yàn)后的試樣發(fā)現(xiàn)Ni片粘連在鎂合金側(cè)，說(shuō)明拉剪實(shí)驗(yàn)后接頭沿著鋼與鎳片之間的間隙與類熔焊區(qū)IMC層斷裂。由于類熔焊區(qū)IMC層面積較小，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，類熔焊區(qū)IMC層是接頭的薄弱區(qū)域。結(jié)合圖4(b)與D點(diǎn)的能譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)類熔焊區(qū)IMC層由樹(shù)枝狀聚集的AlNi相組成。通過(guò)上述觀察與分析可知，加入Ni中間層后界面存在IMC層，接頭達(dá)到冶金連接。由于接頭為搭接形式，F(xiàn)e-Ni固溶體在鋼側(cè)熔池底部凝固，在接頭的斷裂過(guò)程中，接頭在Fe-Ni固溶體上方斷裂，導(dǎo)致有效熔深的下降，界面實(shí)際的連接長(zhǎng)度下降，導(dǎo)致接頭連接強(qiáng)度有待近一步提高。

表1 鎂/鋼接頭不同位置EDS分析

圖4 較大放大倍數(shù)下IMC層類熔焊區(qū)SEM照片

為解決添加Ni中間層后由于固溶體在熔池底部堆積導(dǎo)致界面實(shí)際連接長(zhǎng)度下降，利用交變磁場(chǎng)輔助激光焊接。觀察圖3(c)～(e)可知，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B=5 mT時(shí)，少量塊狀Fe-Ni固溶體被攪拌到鎂側(cè)焊縫內(nèi)部，凝固后Fe-Ni固溶體在熔池底部分布相對(duì)較少，厚度減小。當(dāng)B=10 mT時(shí)，F(xiàn)e-Ni固溶體厚度進(jìn)一步減小且延伸進(jìn)鎂側(cè)焊縫中，溝壑狀的Fe-Ni固溶體增加了界面的結(jié)合面積。當(dāng)B=20 mT時(shí)，大塊Fe-Ni固溶體堆積在熔池中。

圖4(c)～(e)分別為當(dāng)P=1250 W，v=20 mm·s-1，f=35 Hz時(shí)，交變磁場(chǎng)強(qiáng)度B=5，10，20 mT下接頭焊縫橫截面的SEM圖片。其中方框內(nèi)為相似位置的類熔焊區(qū)IMC層區(qū)域，觀察圖4并結(jié)合EDS結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加B=5 mT的交變磁場(chǎng)時(shí)，類熔焊區(qū)IMC層由樹(shù)枝狀聚集AlNi相與部分連續(xù)的納米級(jí)AlNi層組成。當(dāng)B=10 mT時(shí)，類熔焊區(qū)IMC層樹(shù)枝狀A(yù)lNi相消失，形成連續(xù)的納米級(jí)AlNi層。當(dāng)B=20 mT時(shí)，類熔焊區(qū)IMC層微觀組織情況與無(wú)磁場(chǎng)類似，類熔焊區(qū)IMC層樹(shù)枝狀聚集AlNi相重新出現(xiàn)。外加交變磁場(chǎng)后，接頭類熔焊區(qū)IMC層均有AlNi相組成，界面化合物形貌存在差異。在類熔焊區(qū)界面處一部分Ni元素與Fe元素形成混合液態(tài)Fe和Ni，當(dāng)Fe-Ni溫度降至凝固點(diǎn)附近時(shí)，形成Fe-Ni固溶體，由于AlNi化合物的熔點(diǎn)明顯高于Fe-Ni固溶體的熔點(diǎn)[16]，因此，在Fe-Ni固溶體凝固前，部分Ni原子與鎂合金溶池中Al發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)先形成AlNi化合物。無(wú)磁場(chǎng)作用下，類熔焊區(qū)生成樹(shù)枝狀的聚集AlNi相。在交變磁場(chǎng)的作用下，Ni原子擴(kuò)散范圍更廣，導(dǎo)致未生成樹(shù)枝狀的聚集AlNi，類熔焊區(qū)形成一層連續(xù)的納米級(jí)AlNi層。在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)輔下接頭類熔焊區(qū)IMC層由聚集樹(shù)枝狀或連續(xù)納米級(jí)層狀A(yù)lNi相組成，接頭實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

2.2 接頭焊縫成形與力學(xué)性能分析

為進(jìn)一步研究接頭焊縫成形與力學(xué)性能的關(guān)系，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。圖5(a)為拉剪實(shí)驗(yàn)斷裂后的試樣，觀察發(fā)現(xiàn)接頭斷裂后Ni中間層粘連在鎂合金側(cè)，接頭實(shí)際的斷裂位置在類熔焊區(qū)IMC層處，斷裂路徑詳見(jiàn)圖5(b)黑色虛線處。引用界面實(shí)際連接長(zhǎng)度L分析接頭焊縫成形，測(cè)量方法如圖5(b)紅色虛線處，L通過(guò)CAD軟件對(duì)接頭三處微觀橫截面進(jìn)行測(cè)量求平均值得出。同時(shí)，接頭在拉伸后基本無(wú)變形，將接頭拉剪后的線載荷定義為拉剪線載荷。

圖5 接頭斷裂位置宏觀形貌與放大示意圖

圖6為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下鎂/鋼接頭界面實(shí)際連接長(zhǎng)度與拉剪線載荷。由圖可知，外加交變磁場(chǎng)后接頭的拉剪線載荷均大于未外加磁場(chǎng)的拉剪線載荷。這主要是由于外加交變磁場(chǎng)后，在交變間歇的磁場(chǎng)電磁力作用下熔池中的液態(tài)金屬被正反向攪拌，導(dǎo)致熔池中元素?cái)U(kuò)散發(fā)生變化，影響Fe-Ni固溶體在熔池底部分布，從而影響界面實(shí)際連接長(zhǎng)度。其次，由于外加交變磁場(chǎng)后鎂合金汽化的金屬蒸氣電離產(chǎn)生的光致等離子體受到磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，因而會(huì)偏離熔池上方，金屬蒸氣與等離子體的屏蔽效應(yīng)下降，這會(huì)促進(jìn)金屬板材對(duì)激光能量的吸收增加且作用面積集中，使得激光熔釬接頭窄而深，增加界面實(shí)際連接長(zhǎng)度，焊縫成形良好，導(dǎo)致外加交變磁場(chǎng)后接頭的拉剪線載荷均大于未外加磁場(chǎng)的拉剪線載荷。

圖6 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下鎂/鋼接頭界面實(shí)際連接長(zhǎng)度與拉剪線載荷

隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，接頭的界面實(shí)際連接長(zhǎng)度和拉剪線載荷呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。接頭的界面實(shí)際連接長(zhǎng)度是影響接頭拉剪線載荷的主要因素。在激光焊接過(guò)程中外加交變間歇磁場(chǎng)進(jìn)行焊接，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B=5 mT時(shí)，首先由于磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較小，熔池中受到的電磁力較小，少量塊狀Fe-Ni固溶體被攪拌到鎂側(cè)焊縫內(nèi)部，導(dǎo)致凝固后Fe-Ni固溶體在熔池底部分布相對(duì)較少。同時(shí)，母材上方的小部分光致等離子體偏離熔池上方，金屬蒸氣與等離子體的屏蔽效應(yīng)下降，這導(dǎo)致鎂側(cè)熔池加深，界面實(shí)際連接長(zhǎng)度增加。所以，與無(wú)磁場(chǎng)相比拉剪強(qiáng)度提升，但提升效果相對(duì)不明顯。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增至20 mT，這時(shí)由于磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，雖然等離子體的屏蔽效應(yīng)下降，但是熔池的攪拌作用過(guò)強(qiáng)使得大塊Fe-Ni固溶體堆積在熔池中，在斷裂時(shí)，堆積的Fe-Ni固溶體導(dǎo)致應(yīng)力集中發(fā)生斷裂，界面實(shí)際連接長(zhǎng)度大大減小，接頭拉剪強(qiáng)度減小。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，接頭的界面實(shí)際連接長(zhǎng)度和拉剪線載荷的趨勢(shì)相同，接頭的界面實(shí)際連接長(zhǎng)度是影響接頭拉剪線載荷的主要因素。

當(dāng)P=1250 W，v=20 mm·s-1，B=10 mT，f=35 Hz時(shí)，F(xiàn)達(dá)到最大值163 N/mm。添加Ni中間層協(xié)調(diào)鎂合金與鋼的冶金連接，當(dāng)外加B=10 mT的縱向交變磁場(chǎng)時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，等離子體的屏蔽效應(yīng)下降。同時(shí)，觀察上圖3(d)可知，熔池中液態(tài)金屬對(duì)流使得Fe-Ni固溶體延伸進(jìn)鎂側(cè)焊縫中，這些溝壑狀的Fe-Ni固溶體增加了界面的結(jié)合面積，產(chǎn)生了機(jī)械咬合的作用，使得界面實(shí)際連接長(zhǎng)度達(dá)到最大值1885 μm，接頭力學(xué)性能提高。

綜上所述，通過(guò)添加Ni中間層協(xié)調(diào)鎂合金與鋼的冶金連接，施加不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的縱向交變磁場(chǎng)，增加金屬板材對(duì)激光能量的吸收，特別是通過(guò)調(diào)控Fe-Ni固溶體的形貌，增加界面實(shí)際連接長(zhǎng)度，使得接頭焊縫成形優(yōu)化，接頭力學(xué)性能提高。

3 結(jié)論

(1)添加Ni中間層鎂/鋼熔釬焊接頭由鎂側(cè)焊縫、Ni中間層、金屬間化合物(IMC)層、鋼側(cè)焊縫、鋼母材組成。交變磁場(chǎng)輔助的接頭類熔焊區(qū)IMC層由樹(shù)枝狀或連續(xù)納米級(jí)層狀A(yù)lNi相組成，接頭實(shí)現(xiàn)冶金連接。

(2)外加交變磁場(chǎng)后Fe-Ni固溶體厚度減小且延伸進(jìn)鎂側(cè)焊縫中，溝壑狀的Fe-Ni固溶體增加了界面的結(jié)合面積。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)接頭實(shí)際界面連接長(zhǎng)度與拉剪線載荷有很大的聯(lián)系，激光熔釬焊接頭實(shí)際界面連接長(zhǎng)度與拉剪線載荷隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)當(dāng)P=1250 W，v=20 mm·s-1，B=10 mT，f=35 Hz時(shí)，添加Ni中間層協(xié)調(diào)鎂合金與鋼的冶金連接，外加縱向交變磁場(chǎng)優(yōu)化接頭焊縫成形，接頭拉剪線載荷最高，達(dá)到163 N/mm。