肖睿，楊瑾，劉紅兵，趙一璇，鄧沛然

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院）

0 引言

近年來，隨著全球?qū)δ茉垂┙o和環(huán)境保護(hù)的重視，各行業(yè)對節(jié)能環(huán)保的要求逐漸提升[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車輕量化與復(fù)合材料的融合促進(jìn)了汽車產(chǎn)品的優(yōu)化，帶來了卓越的減重性能、節(jié)能降耗以及環(huán)保安全[2]，因此鋼/鋁接頭的異種連接在汽車工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。由于鋼與鋁的連接具有不同的物理性能（如熔化溫度、熱膨脹率和導(dǎo)電性），人們探索了多種方法來實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的焊接，如電弧焊[3]、攪拌摩擦焊[4]、電阻點(diǎn)焊[5]、超聲波點(diǎn)焊[6]、激光焊接[7]等。激光深熔焊接作為工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的激光焊接技術(shù)之一，具有能量集中、作用時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，可以有效限制鋁/鋼接頭中有害的金屬間化合物（IMCs）[8]?？茖W(xué)家們通過研究發(fā)現(xiàn)，添加合金元素（如 Si、Cu 和 Ni 等元素）也可以有效抑制連續(xù)層狀 Fe2Al5 相的形成，從而提高力學(xué)性能[9]。

不同于其他傳統(tǒng)合金，高熵合金（HEAs）作為一種新興材料已被廣泛研究。高熵合金（HEAs）具有高熵效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散、嚴(yán)重的晶格畸變和雞尾酒效應(yīng)特點(diǎn)，是一種很有前景的鋁-鋼連接填充材料。HEAs 的高熵效應(yīng)和緩慢擴(kuò)散效應(yīng)使熔合區(qū)容易形成單一固溶體，有助于抑制IMCs。此外，“雞尾酒效應(yīng)”使得HEAs 填充材料在熔點(diǎn)、彈性模量和強(qiáng)度等性能方面具有良好的可調(diào)性，可以更好地緩解激光焊接后的熱殘余應(yīng)力[10]。本文研究了高熵合金（HEAs）粉末對鋁鋼激光深熔點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的實(shí)驗(yàn)材料為 Q235 鋼板和 AA5052鋁合金板材。利用剪板機(jī)分別對鋁板和鋼板進(jìn)行加工，鋼板的加工尺寸為 25 mm×100 mm×1.8 mm，鋁板的加工尺寸為 25 mm×100 mm×2.0 mm。在進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)前，將Q235 鋼母材放置在盛滿酒精的燒杯中進(jìn)行超聲波處理，然后吹干，這樣可以有效去除鋼母材表面的油污。為了防止AA5052 鋁合金表面氧化膜對焊接性能造成影響，對其表面進(jìn)行砂紙打磨，然后將鋁母材放置在盛滿酒精的燒杯中進(jìn)行超聲波處理，最后烘干，以去除鋁母材表明的污漬。鋼和鋁的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 母材的化學(xué)成分的重量百分比Tab.1 Chemical compositions of base materials in weight percent (wt.%)

1.2 高熵合金粉末表征

圖1所示為高熵合金粉末宏觀照片和SEM圖。如圖1 所示，粉末的大小為15～50μm。對不同大小粉末進(jìn)行了EDS 分析，發(fā)現(xiàn)Fe、Co、Ni、Cr 和Mn 成分都接近1，表明了高熵合金粉末成分均勻，表2 為圖1 所示點(diǎn)的EDS 分析。

圖1 高熵合金粉末的SEM 圖像Fig.1 SEM image of high-entropy alloy powder

Tab.2 Corresponding EDS results at selected points as shown in Fig.1(at.%)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究高熵合金對鋁/鋼激光點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能影響，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先在鋁母材上直接鋪展不同厚度的高熵合金粉末，然后進(jìn)行鋼上鋁下的焊接。圖2 為鋪粉和激光鋪粉深熔點(diǎn)焊示意圖。實(shí)驗(yàn)采用5 kW 光纖激光器（IPG YLS-5000）對1.8 mm 的Q235 鋼 和2.0 mm 的AA5052鋁進(jìn)行鋼上鋁下的搭接實(shí)驗(yàn)。為了有效吸收鋁部分的熱量，在鋁母材底部添加銅熱沉。焊接時(shí)激光光束垂直作用于工件表面，采用氬氣側(cè)吹對熔池進(jìn)行保護(hù)。焊接實(shí)驗(yàn)后，使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對接頭進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸速度為1.0 mm/s。通過光鏡、超景深三維數(shù)碼顯微分析系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜分析（EDS）對橫斷面的宏觀成形、組織形貌和界面物質(zhì)組成進(jìn)行觀察與分析。

圖2 鋪粉和激光鋪粉深熔點(diǎn)焊示意圖Fig.2 Diagram of laser powder laying keyhole spot welding of powdering and laser powdering

為研究具體高熵合金粉末對接頭強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)的鋪粉厚度分別為0.1，0.3，0.5 mm。本次實(shí)驗(yàn)采用的激光功率為3.20 kW，離焦量為22 mm，焊接時(shí)間為3 s，保護(hù)氣流量為20 L/min。表3 為激光鋪粉深熔點(diǎn)焊的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表。

表3 激光鋪粉深熔點(diǎn)焊工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of laser powder laying keyhole spot welding

3 結(jié)果及討論

3.1 宏觀結(jié)構(gòu)分析

圖3 為鋁/鋼激光高熵合金鋪粉深熔點(diǎn)焊接頭截面形貌圖。圖3（a）為鋪粉厚度0 mm 的鋁/鋼激光鋪粉深熔點(diǎn)焊截面。可以發(fā)現(xiàn)不填加粉末進(jìn)行焊接時(shí)接頭明顯焊穿，并有大量的裂紋，成形較差。圖3（b）—圖3（d）所示為鋪粉厚度為0.1，0.3，0.5 mm 的鋁/鋼激光鋪粉深熔點(diǎn)焊截面形貌圖。從圖中可以觀察到，在添加粉末進(jìn)行焊接后，接頭成形有明顯的改善，并且形成了錐形接頭。通過觀察還可以發(fā)現(xiàn)，鋁/鋼激光點(diǎn)焊的接頭熔深會(huì)隨著鋪粉的厚度增加而增加，并且錐形熔合區(qū)在鋁側(cè)的寬度也隨鋪粉厚度的增加而增加，說明添加高熵合金粉末對于激光熱輸入有巨大的影響。

圖3 激光鋪粉點(diǎn)焊接頭的橫截面形貌Fig.3 Cross section morphology of laser powder laying keyhole spot welding

3.2 力學(xué)性能分析

如圖4 所示為不同鋪粉厚度的鋁/鋼激光鋪粉深熔點(diǎn)焊接頭拉伸載荷。圖4 顯示，平均拉伸載荷隨著鋪粉厚度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

圖4 鋁鋼激光鋪粉深熔點(diǎn)焊接頭拉伸載荷Fig.4 Tensile shearing load of laser powder laying keyhole spot welding

鋪粉厚度為0 mm 時(shí)，平均拉伸載荷約為1 100 N但存在較大誤差。與不鋪粉的焊接接頭相比，進(jìn)行高熵合金鋪粉時(shí)，接頭載荷有著明顯的提高而且誤差范圍明顯較小，接頭力學(xué)性能較為穩(wěn)定。當(dāng)鋪粉深度為0.3 mm 時(shí)，接頭平均拉伸載荷可以達(dá)到1 580 N，接頭拉伸載荷最大值可以達(dá)到1 810 N，說明高熵合金粉末的添加讓焊接過程更加穩(wěn)定。

3.3 界面微觀組織分析

為深入了解高熵合金粉末對于激光點(diǎn)焊接頭的影響，對激光鋪粉深熔點(diǎn)焊接頭進(jìn)行微觀組織研究。

如圖5（a）所示為填粉厚度為0 mm 情況下激光深熔鋪粉點(diǎn)焊的接頭截面的SEM 圖。從圖5 可以看出，焊接接頭直接焊穿并且在熔化區(qū)內(nèi)部有明顯的裂紋，而且還存在孔洞；圖5（b）為P1 區(qū)域的放大圖。通過對接頭界面處放大，發(fā)現(xiàn)在界面處也有形成明顯的微裂紋，成型較差。大量的裂紋會(huì)嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能；圖5（c）為鋪粉厚度為0.1 mm的激光鋪粉深熔點(diǎn)焊接頭。由圖5可知，鋪粉后再焊接，接頭形狀為成形良好的錐形且可以觀察到?jīng)]有明顯裂紋。

為了進(jìn)一步分析填粉后錐形熔合區(qū)的物質(zhì)及相組成，需要通過EDS 點(diǎn)掃描進(jìn)行分析；圖5（d）為5（c）區(qū)域P2 的放大圖。可以看出，在熔合區(qū)出現(xiàn)了帶狀結(jié)構(gòu)和島狀結(jié)構(gòu)。分別對其進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)在A 點(diǎn)處的元素成分比與Fe3Al 的成分比相近，推測形成了富鐵為Fe3Al。在帶狀結(jié)構(gòu)B 點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)Al 的成分約為Fe 的成分的2 倍，推測為富鋁相金屬間化合物FeAl2。在鋁鋼界面處C 點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)鐵鋁比例近似為1∶1，推測為FeAl。在島狀結(jié)構(gòu)點(diǎn)D 也顯示鋁和鋼成分比相似，為富鐵相金屬間化合物FeAl。

CHEN[11]等人在研究鎳箔對鋁鋼搭接接頭的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)了帶狀組織的形成，并得出了類似的結(jié)論。也說明錐形接頭的形成與激光深熔焊模式的匙孔效應(yīng)有關(guān)，在焊接過程中激光對熔池進(jìn)行了劇烈攪拌，導(dǎo)致了鋼和鋁的劇烈混合以及帶狀結(jié)構(gòu)和島狀結(jié)構(gòu)的生成。但是對接頭EDS 能譜分析卻未發(fā)現(xiàn)高熵合金的成分，這可能是由于0.1 mm 厚度的鋪粉焊接的高熵合金粉末含量太少；圖5（e）為鋪粉厚度為0.3 mm 的激光點(diǎn)焊接頭。由圖5（e）可知，接頭成形良好為錐形接頭。為了進(jìn)一步探究高熵合金粉末對焊接接頭的影響，對熔合區(qū)上部（P3）進(jìn)行放大；圖5（f）為圖5（e）區(qū)域P3 的放大圖。本文分別對圖中熔合區(qū)F點(diǎn)和熱影響區(qū)E點(diǎn)進(jìn)行了能譜分析，發(fā)現(xiàn)了Ni、Cr 和Mn 三種元素的存在，而且熔合區(qū)的Ni、Cr 和Mn 成分比明顯高于熱影響區(qū)E，這說明粉末在攪拌作用下充分混入熔池。在鋼鋁夾層中發(fā)現(xiàn)了熔化粘結(jié)區(qū)，對其點(diǎn)G進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)成分比例與高熵合金粉末分類似，這是因?yàn)樵诤附舆^程中，等離子氣體向邊界的粉末層逸散，大量的熱使高熵合金粘結(jié)形成粘結(jié)區(qū)，但并未與鋁結(jié)合；圖5（g）為鋪粉厚度為0.5 mm 的激光點(diǎn)焊接頭截面SEM 圖像。從圖中可以看出，高熵合金粘結(jié)區(qū)與鋼鋁母材都有進(jìn)行結(jié)合，因此對粘結(jié)區(qū)放大，如圖5（h）所示，發(fā)現(xiàn)雖然與鋁界面形成了結(jié)合，但都出現(xiàn)了細(xì)微的裂紋，這對接頭的力學(xué)性能有影響。

圖5 激光深熔鋪粉點(diǎn)焊的接頭截面的SEM 圖Fig.5 SEM image of joint cross section of laser powder laying keyhole spot welding

表4 圖5 所示點(diǎn)的EDS 分析（at.%）Tab.4 EDS analysis at the points highlighted in Fig.5(at.%)

3.4 斷口分析

錐形接頭對焊接力學(xué)性能有一定的強(qiáng)化作用，而在拉伸時(shí)，界面處的硬脆的Fe-Al IMCs 層會(huì)優(yōu)先開裂，因此必須對激光鋪粉焊接的斷口進(jìn)行分析。圖6 分別為0，0.1，0.3，0.5 mm 厚度的激光深熔鋪粉點(diǎn)焊斷口。由圖6（a）可知，不填加粉末情況下，接頭斷在鋼側(cè)界面附近，這是因?yàn)闊彷斎胩螅撝苯酉陆祵?dǎo)致鋼側(cè)熔合區(qū)變薄，拉伸后優(yōu)先斷裂；從圖6（b）可以看出，當(dāng)鋪粉厚度為0.1 mm 時(shí)，接頭拉伸后，鋼側(cè)錐形接頭出現(xiàn)裂口，鋁側(cè)出現(xiàn)堆積區(qū)；由圖6（c）可知，當(dāng)鋪粉厚度為0.3 mm 時(shí)，只有鋁側(cè)出現(xiàn)堆積區(qū)；從圖6（d）可以看出，當(dāng)鋪粉厚度為0.5 mm 時(shí)，直接斷在熔合區(qū)中心。

圖6 鋁/鋼激光鋪粉點(diǎn)焊斷口圖Fig.6 Fractography image of laser powder-laying keyhole spot welds

進(jìn)一步分析拉伸過程中斷口的形成原因。圖7為激光深熔鋪粉點(diǎn)焊的典型位移-載荷曲線。結(jié)果表明位移-載荷曲線出現(xiàn)了2 種形式：一是試件的接頭斷口荷載在達(dá)到最大值后立即消失（鋪粉厚度為0 mm 和0.5 mm）；二是載荷達(dá)到最大值后出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)（鋪粉厚度為0.1 mm 和0.3 mm）。前者為明顯的脆性破壞，后者為塑性破壞。XIE[12]等人和HUANG[13]等人在鉚接和自鉚接攪拌摩擦搭接等機(jī)械連接工藝研究中的位移載荷曲線也出現(xiàn)了類似的波動(dòng)，因此可以認(rèn)為激光深熔點(diǎn)焊存在機(jī)械結(jié)合，導(dǎo)致了堆積區(qū)的形成。

圖7 激光鋪粉點(diǎn)焊典型位移-載荷曲線Fig.7 Displacement load curve of laser powder-laying keyhole spot welds

4 總結(jié)

本文通過設(shè)計(jì)高熵合金鋪粉厚度，研究了高熵合金粉末對鋁/鋼激光點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能影響，研究了鋁/鋼激光鋪粉深熔點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能、金屬間化合物以及斷裂行為，主要結(jié)論可概括為以下幾個(gè)方面：

（1）在激光鋪粉深熔點(diǎn)焊方式下，添加HEAs 粉末的接頭與未添加粉末相比，力學(xué)性能得到了明顯增強(qiáng)；

（2）通過力學(xué)性能表明，平均拉伸載荷隨著鋪粉厚度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，填粉深度為0.3 mm 時(shí)，接頭平均拉伸斷裂載荷達(dá)到最大值為1 580 N；

（3）通過SEM-EDS 發(fā)現(xiàn)，在接頭熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)了HEAs 粉末的成分，形成了一定的固溶相，對接頭有一定的強(qiáng)化作用，在接頭界面處形成鐵鋁金屬間化合物；

（4）錐形接頭對激光深熔點(diǎn)焊有強(qiáng)化的作用，接頭實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合和機(jī)械聯(lián)鎖的雙重耦合，這有利于提高接頭的拉伸性能。