摘要：

運用感應(yīng)靜壓焊接技術(shù)制備了三種不同鍍鋅量低合金鋼與鋁合金的搭接接頭，研究不同鍍鋅量對感應(yīng)靜壓焊接頭界面連接狀態(tài)、微觀組織形貌以及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，三種不同鍍鋅量搭接接頭連接界面較平直，連接質(zhì)量良好。接頭中間界面區(qū)由靠近鋼側(cè)的Fe2Al5和靠近鋁側(cè)的FeAl3組成。對比三種不同鍍鋅量接頭微觀組織發(fā)現(xiàn)，Zn元素能改善鋼鋁界面初始潤濕機制，強化低合金鋼與鋁合金之間的連接效果，提高搭接接頭力學(xué)性能。當(dāng)使用鍍鋅量為140 g/m2的低合金鋼板進行焊接時，在焊趾位置發(fā)現(xiàn)了明顯的富鋅區(qū)缺陷，導(dǎo)致接頭剪切性能急劇下降。低合金鋼板與鋁合金的搭接接頭的剪切性能隨著鍍鋅量的增加呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，挑選厚度適中的鍍鋅層對提高接頭力學(xué)性能具有重要意義。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)靜壓焊接；鍍鋅量；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

中圖分類號：TG456.9

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.012

Effects of Amount of Galvanization on Microstructure and Mechanics

Properties of Joints Made by Induction-pressure Welding of Low

Alloy Steel/5052 Aluminum Alloy

GAO Kai1，2 LI Kun1，2 GU Hongli1，2

1 School of Automotive and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，430065

2 Analysis and Testing Center，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，430081

Abstract： Three lap joints of low-alloy steel plates with different galvanizations and aluminum alloys were prepared using IPW technique. The effects of different amounts of galvanization on the interfacial connection state， microstructure characteristics and mechanics properties of the joints were studied. The results show that the connection interfaces of the three different amount of galvanization joints are straighter and the connection quality is good. The middle interface area of the joint consists of Fe2Al5 near the steel side and FeAl3 near the aluminum side. By comparing the microstructure and morphology of the joints with three different amount of galvanization， it is found that Zn element may improve the initial wetting mechanism at the steel-aluminum interfaces， strengthen the connection effect between aluminum alloy and low-alloy steel， and improve the mechanics properties of the lap joints. When welding with a low alloy steel plate with a galvanization of 140 g/m2， a significant zinc-rich zone defect is found at the weld toe position， resulting in a sharp drop in the shear properties of the joints. The shear properties of lap joints of low-alloy steel sheets and aluminum alloys show a trend of increasing and then decreasing with the amount of galvanization， and it is important to select a moderate thickness of galvanization to improve the mechanics properties of the joints.

Key words： induction-pressure welding（IPW）； amount of galvanization； microstructure； mechanics property

收稿日期：2022-04-25

基金項目：

國家自然科學(xué)基金（51905390）

0 引言

近年來，因資源和環(huán)境的壓力，輕量化設(shè)計在汽車工業(yè)中備受關(guān)注。為在實現(xiàn)節(jié)能減排的同時保持甚至改善輕量化設(shè)計的性能，采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)車身是一個很好的選擇［1］。鋼鋁混合結(jié)構(gòu)既可以實現(xiàn)車身的輕量化又可以使車身具有良好的安全性，然而，鋼、鋁兩種材料的熔點、熱導(dǎo)率以及熱膨脹率存在巨大差異，而材料性能的這些差異會導(dǎo)致在焊接中產(chǎn)生較大的應(yīng)力和脆性金屬間化合物（IMC），從而降低焊縫強度，因此制造車身結(jié)構(gòu)所需的鋼鋁異種金屬焊接技術(shù)是一個巨大的挑戰(zhàn)［2-3］。另一方面，在鋼鋁異種金屬焊接技術(shù)中，鍍鋅鋼與鋁合金的焊接是非常重要的，鍍鋅鋼表面的鋅涂層可以極大地提高鋼板的耐腐蝕性，鍍鋅鋼板對汽車工業(yè)中車體的防護有著重要的作用［4］。

為了實現(xiàn)鍍鋅鋼和鋁合金的有效焊接，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。MA等［5］使用雙焊道激光焊接工藝實現(xiàn)鍍鋅高強度雙相鋼DP590與鋁合金（AA）6061板材的連接，此焊接技術(shù)第一道焊為散焦激光點，加熱接合面處的鋅涂層，使其熔化并部分氣化，第二道焊使用聚焦激光點進行焊接。采用這種雙道激光焊接工藝可獲得無明顯缺陷的鍍鋅鋼/鋁合金搭接接頭。WANG等［6］研究了鋁/鍍鋅鋼的電磁脈沖焊接，其焊接接頭的焊接區(qū)域隨放電能量的增加而增大，隨著放電能量的增加，無鋅區(qū)長度增加，有助于提高磁脈沖焊接接頭的機械強度。MIRZA等［7］研究了不同焊接能量下鋁與兩種工業(yè)鍍鋅鋼板的異種超聲點焊，研究發(fā)現(xiàn)，在低焊接能量輸入下，拉伸斷裂發(fā)生在鋁合金上，而在高焊接能量輸入下，失效模式為橫向貫穿的裂紋擴展，裂紋擴展發(fā)生在鋁側(cè)的熔核區(qū)邊緣位置。

針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文將一種新型的感應(yīng)靜壓焊接技術(shù)運用到鍍鋅低合金鋼與5052鋁合金的焊接中，研究不同鍍鋅量對低合金鋼板鋁合金感應(yīng)靜壓焊接的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的母材為冷軋熱鍍鋅低合金鋼板，單面鍍鋅量分別為40 g/m2、60 g/m2、140 g/m2，鍍鋅低合金鋼板牌號依次為DX51D-Z40/40、DX51D-Z60/60、DX51D-Z140/140；鋁合金為Al-Mg系5052鋁合金板，規(guī)格尺寸均為160 mm×80 mm×2 mm。鍍鋅鋼板與鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）見表1。

1.2 試驗方法

圖1為感應(yīng)靜壓焊工藝試驗系統(tǒng)及焊接裝配圖。試驗系統(tǒng)由多軸聯(lián)動數(shù)控機床、高頻感應(yīng)加熱電源、次級變壓器、感應(yīng)器和靜壓力裝置組成。電磁感應(yīng)器由導(dǎo)磁體和雙匝線圈構(gòu)成，導(dǎo)磁體和雙匝線圈的材料分別是鐵氧體和紫銅，方形線圈的截面尺寸為10 mm×10 mm。

焊接試驗前，使用360號、600號、1000號砂紙依次打磨鋁合金表面氧化膜，然后用丙酮清洗鍍鋅鋼板和打磨完成的鋁合金板，待其自然風(fēng)干后，將試件按圖1所示的方式裝配，采用“鐵上鋁下”搭接形式進行試驗，搭接量為80 mm×80 mm，將裝配好的試件放入夾具，通過壓力螺栓給鍍鋅鋼板施加靜壓力，焊接的具體參數(shù)見表2。

焊接過程中，感應(yīng)器通過電磁感應(yīng)原理形成高頻磁場，并作用于處于磁場中的鍍鋅鋼板，由于渦流效應(yīng)與集膚效應(yīng)，鍍鋅鋼板表面快速升溫，在靜壓力的配合下使鍍鋅鋼板與5052鋁合金連接。焊接試驗分別使用三種不同鍍鋅量的低合金鋼板與5052鋁合金板制成三種不同類型搭接接頭，將其分別命名為40g接頭、60g接頭、140g接頭。圖2為剪切試驗裝配圖，因焊接方式為搭接焊，為確保拉伸力通過試樣中心軸線，故進行剪切試驗時兩側(cè)需墊墊片以抵消厚度。

金相試樣由砂紙和拋光機進行研磨、拋光，使用4%（體積分數(shù)）的硝酸酒精對試樣進行腐蝕。通過AxioCam MRc5型光學(xué)顯微鏡（OM）和Nova NanSE400型電子掃描顯微鏡（SEM）對鋼鋁連接界面的微觀組織進行觀察，采用此型號SEM自帶的X射線色散能譜儀（EDS）測量鋼鋁連接界面各區(qū)域的金屬間化合物的化學(xué)成分，采用Xpert PRO MPD型X射線衍射儀（XRD）分析各區(qū)域金屬間化合物的種類。

2 結(jié)果與分析

2.1 界面宏觀成形特點

不同鍍鋅量低合金鋼與5052鋁合金的三組焊接試驗均成功連接，圖3所示為鋼側(cè)焊點的宏觀形貌。觀察到鍍鋅鋼表面的鍍鋅層在感應(yīng)器的熱輸入下明顯形成三個不同區(qū)域。根據(jù)感應(yīng)靜壓焊熱影響、熔化程度的差異，可以將焊接接頭的界面區(qū)劃分為中間界面區(qū)、過渡界面區(qū)和富鋅區(qū)（富鋅區(qū)僅在140g鍍鋅板接頭中明顯觀測到）三個區(qū)域。

三個區(qū)域的宏觀劃分如圖4所示，位于焊接中間界面區(qū)的鋼表面加熱溫度高達1250 K，遠高于鋅元素的沸點。圖5為過渡界面區(qū)測溫曲線，測溫點距感應(yīng)器加熱中心位置35 mm。在感應(yīng)加熱開始后試件表面升溫迅速，2.5 s后鍍鋅鋼板表面升溫至700 K，達到鍍鋅層的熔點，5 s后達到5052鋁合金熔點溫度900 K，10 s后過渡界面區(qū)溫度開始進入穩(wěn)定，測溫點感應(yīng)加熱最高溫度為1050 K，過渡界面區(qū)焊接時溫度高于鋁合金與鋅元素的熔點，低于鋅元素沸點，故過渡界面區(qū)鋁合金與鍍鋅層在焊接時處于熔融狀態(tài)，過渡界面區(qū)邊緣位置

可能會出現(xiàn)富鋅區(qū)。同鋼側(cè)相對應(yīng)的鋁側(cè)界面較平直，鋁表面熱影響區(qū)邊緣位置分布著一圈存在不同穿透程度的微小氣孔。

2.2 中間界面區(qū)微觀組織分析

圖6所示為40g接頭、60g接頭、140g接頭的中間界面區(qū)微觀組織形貌。三種不同鍍鋅量中間界面區(qū)試樣從上到下可以劃分為三個區(qū)域：鋼基體區(qū)域、界面區(qū)域、鋁合金基體區(qū)域。鋁合金基體與鋼基體之間生成了一層連續(xù)但不規(guī)則的界面區(qū)域。從界面形態(tài)來看，界面區(qū)金屬間化合物呈現(xiàn)三種不同形態(tài)：柱狀、層狀、針狀［8］。

對三種接頭中間界面區(qū)的柱狀金屬間化合物、層狀金屬間化合物、針狀金屬間化合物依次進行EDS點掃描。圖7所示為中間界面區(qū)點掃描結(jié)果。中間界面區(qū)所有點掃描結(jié)果中，僅在掃柱狀金屬間化合物頂端的點A、E、I時發(fā)現(xiàn)極其微量的Zn元素；對于層狀金屬間化合物的點，B、F、J點鋁元素原子比分別為74.7%、72.5%、72.0％；對于針狀化合物的點，C、G、K點鋁元素原子比上升，鐵元素原子比下降；對于柱狀金屬間化合物頂端的點，A、I兩點鐵元素占比較高，是鐵基體劃入點掃區(qū)域所致。鐵鋁金屬間化合物相的一些晶體學(xué)特征及界面IMC層的熱力學(xué)計算結(jié)果（晶體學(xué)特征及熱力學(xué)計算結(jié)果見2.3節(jié)）表明，柱狀和層狀的金屬間化合物為Fe2Al5，針狀金屬間化合物為FeAl3［9］。圖8所示為中間界面區(qū)XRD結(jié)果，結(jié)果表明三個試件中心界面區(qū)IMC層確實由Fe2Al5和FeAl3組成。

2.3 中間界面區(qū)界面反應(yīng)機理

圖9所示為三種不同鍍鋅量接頭中間界面區(qū)線掃描結(jié)果。線掃描位置和方向為沿鋼基體區(qū)域垂直指向鋁合金基體區(qū)域（圖6）。三組不同試樣中間界面區(qū)的線掃描圖像走勢大致相同，線掃結(jié)果中鋅元素的相對強度極低，幾乎為零，在圖8中，間界面區(qū)XRD結(jié)果中不存在鐵鋁鋅三元化合物，這意味著在中間界面區(qū)感應(yīng)加熱溫度極高，超過鋅元素的沸點，位于感應(yīng)加熱中心的鍍鋅鋼鋅涂層氣化，Zn原子不參加界面區(qū)的反應(yīng)［10］，中間界面區(qū)金屬間化合物主要由Al和Fe構(gòu)成。

隨著掃描區(qū)域從鍍鋅鋼基體進入界面區(qū)，F(xiàn)e元素含量下降，Al元素含量上升，界面區(qū)內(nèi)Al、Fe元素含量相對穩(wěn)定，出現(xiàn)明顯平臺。整體來看：Fe元素相較于Al元素在界面區(qū)與鐵基體之間相對強度變化波動較小，這是因為Fe元素在Al元素中的溶解度低，元素的擴散性能有限；而Al元素在界面區(qū)相對強度高，Al元素溶解度相對較高［11］，圖9c中Al元素有一個陡然的下降，這是由在此線掃位置的界面區(qū)柱狀金屬間化合物生長不完整所致。

Fe、Al之間相互作用可以形成Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5及FeAl3等一系列金屬間化合物，但在反應(yīng)過程中，Gibbs生成自由能的大小決定了金屬間化合物的種類和生成順序。根據(jù)熱力學(xué)公式計算Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5及FeAl3的Gibbs生成自由能［12］：

ΔG0298=ΔH0298-TΔS0298

式中，ΔG0298、ΔH0298、ΔS0298、T分別為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下Fe/Al化合物的Gibbs生成自由能、標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下Fe/Al化合物的生成焓、標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下Fe/Al金屬間化合物的熵變值、絕對溫度。

位于焊接中間界面區(qū)的鋼表側(cè)加熱溫度為1250 K，工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強度降低為表層渦流的0.365倍時將該處到表面的距離δr稱為渦流透入深度，溫度上升到居里點時的渦流透入深度公式為

δr=500f

式中，δr為渦流透入深度，mm；f為電流頻率。

試驗工藝參數(shù)下的中間界面區(qū)渦流透入深度約為2.89 mm，低合金鋼板厚度為2 mm，中間界面區(qū)感應(yīng)加熱界面溫度為1250 K。

對5種反應(yīng)進行計算，并表示如下：

3Fe+Al1250 KFe3Al

Fe+Al1250 KFeAl

Fe+2Al1250 KFeAl2

2Fe+5Al1250 KFe2Al5

Fe+3Al1250 KFeAl3

每摩爾 Fe/Al金屬間化合物的生長自由能計算如下：

ΔG0Fe3Al=-67659+90.77T

ΔG0FeAl=-58950+15.99T

ΔG0FeAl2=-102577+30.20T

ΔG0Fe2Al5=-293571+85.91T

ΔG0FeAl3=-142770+50.58T

計算出每摩爾Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3在不同溫度下的Gibbs自由能，變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10可知，在低合金鋼/鋁合金感應(yīng)靜壓焊接過程中，F(xiàn)e原子和Al原子發(fā)生互相擴散，當(dāng)界面層的Al原子和Fe原子達到一定濃度后，由于在1250 K的溫度下Fe2Al5的Gibbs生成自由能最低，故在界面處最先生成。隨著Al原子向鐵基擴散，F(xiàn)e2Al5先沿界面橫向生長，連成整體，形成連續(xù)的Fe2Al5層。由于Fe2Al5具有斜方晶系結(jié)構(gòu)，晶體沿垂直于界面方向存在大量空位，因此Al原子在此方向有更快的擴散速度，從而導(dǎo)致Fe2Al5向鋼基體區(qū)域快速生長，形成柱狀的Fe2Al5金屬間化合物［13］。隨著Fe2Al5層的不斷生長變厚，由于在Fe2Al5相中的Fe原子擴散系數(shù)較小［14］，阻礙Fe原子和Al原子的相互接觸，柱狀Fe2Al5生長逐漸變得緩慢甚至停止生長。感應(yīng)加熱停止后，在Fe2Al5層與鋁合金界面處產(chǎn)生FeAl3相，隨著溫度的進一步降低，鋁液內(nèi)部開始產(chǎn)生FeAl3相。故最終在Fe、Al界面處形成連續(xù)的層狀Fe2Al5相、柱狀的Fe2Al5相和針狀的FeAl3相。

2.4 鍍鋅量對中間界面區(qū)的影響

由中間界面區(qū)金屬間化合物生長的最高峰計算出三種不同接頭金屬間化合物的最大厚度，依次為36 μm、42 μm、46 μm，IMC層的最大厚度隨著低合金鋼表面鍍鋅量的增加而增加，對比圖6三種不同接頭中間界面區(qū)的微觀組織形貌可以發(fā)現(xiàn)，柱狀金屬間化合物生長形貌隨著鍍鋅量的增加而逐漸變得長而稀疏，這是由于雖然Zn元素不參與中間界面區(qū)的界面反應(yīng)，但是Zn元素的存在與鍍鋅層的厚度都會影響感應(yīng)靜壓焊低合金鋼板與鋁合金之間的初始潤濕機制［15］。

在低合金鋼/鋁合金感應(yīng)靜壓焊中，由于感應(yīng)加熱溫度沒有達到低合金鋼板的熔點，低合金鋼板未熔化，所以Al原子和Fe原子在界面上的擴散是金屬間化合物生長的主要影響因素。Fick擴散定律如下：

xh=Dt

其中，xh、D、t分別表示IMC層的厚度（μm）、生長速率常數(shù)（μm2/s）和生長時間（s）。生長速率常數(shù)D與溫度有關(guān)，可以用Arrhenius公式表示［16］：

D=D0exp（QTR）

式中，D0為生長系數(shù)；Q為激活能；R為氣體常數(shù)。

通過感應(yīng)靜壓焊將鋁合金焊接到鍍鋅低合金鋼板上的時候，至少有三步重要的潤濕機制：第一個重要步驟是感應(yīng)加熱開始時，鋁合金接收到鍍鋅鋼傳遞的熱量開始升溫，溫度升高的鋁合金與空氣接觸會在其表面產(chǎn)生一層氧化層，但由于鍍鋅層的熔化溫度更低，故會先形成液態(tài)薄膜覆蓋到鋁合金上，隔絕空氣與鋁合金的進一步接觸，抑制鋁合金的氧化；第二個步驟是鋁合金受熱熔化，液態(tài)的鋁合金與液態(tài)鋅混合，鋅元素的存在會阻止熔融鋁合金在鋼界面的進一步氧化；第三個步驟是熔融態(tài)鋁合金表面的氧化層因熱效應(yīng)和機械效應(yīng)而破裂，氧化層的破裂導(dǎo)致熔融態(tài)的鋁合金與鋼表面接觸，鋁原子開始在鋼表面擴散，由于此時感應(yīng)加熱中間界面區(qū)的溫度超過了鋅元素的沸點，鋅元素的氣化會不斷破壞熔融態(tài)鋁合金表面的氧化層，加快熔融態(tài)鋁合金與鋼的接觸，增加鋁元素在鋼表面的擴散時間［17-18］。

三種潤濕機制的改變會顯著改善鋁合金與鍍鋅鋼之間的接觸，增加鋁元素在鋼表面的擴散時間，而在搭接焊的情況下，鋅層熔化蒸發(fā)所吸收的熱量較感應(yīng)靜壓焊的熱輸入量來說相對較小，因此鋅層厚度變化導(dǎo)致其氣化所吸收熱量的不同對整體熱交換的影響不那么重要，所以IMC層的最大厚度隨著低合金鋼表面鍍鋅量的增加而增加。

隨著柱狀金屬間化合物向鐵基內(nèi)部繼續(xù)深入生長，擴散到Al原子濃度低的位置，柱狀金屬間化合物生長變得緩慢甚至停止生長［19］。由于鍍鋅層對潤濕機制的影響，Al原子在140g試樣中擴散最為充分，因此140g試樣中間界面區(qū)金屬間化合物最大厚度最大，柱狀金屬間化合物生長的長而稀疏。

2.5 過渡界面區(qū)

圖11所示為140g試樣過渡界面區(qū)微觀組織形貌，過渡界面區(qū)金屬間化合物厚度小于中間區(qū)金屬間化合物厚度，界面區(qū)整體以板狀生長，柱狀化合物生長相對于中間界面區(qū)不明顯。

圖12所示為140g試樣過渡界面區(qū)線掃結(jié)果。過渡界面區(qū)存在鋅元素，在感應(yīng)加熱過程中，過渡界面區(qū)中鋅元素與鋁合金都以熔融態(tài)存在，由于Fe-Al的電子親和力大于Al-Zn與Fe-Zn的電子親和力，故在過渡界面區(qū)鐵鋁金屬間化合物優(yōu)先產(chǎn)生［20］。在過渡界面區(qū)900～1050 K的溫度下，F(xiàn)e2Al5的Gibbs生成自由能最低，過渡界面區(qū)最先形成的也是與中間界面區(qū)類似的連續(xù)Fe2Al5層，由于Fe2Al5層的阻斷作用以及過渡界面區(qū)的熱輸入量比中間界面區(qū)的熱輸入量小，F(xiàn)e原子與Al原子擴散不活躍，柱狀Fe2Al5化合物生長緩慢，所以界面區(qū)整體為板狀形態(tài)。

在Fe-Al金屬間化合物中Fe2Al5可以溶解Zn，液態(tài)鋁中的Zn原子占據(jù)Fe2Al5晶格中的空位［21］，參與金屬間化合物的形成，因此過渡界面區(qū)金屬相為Fe2Al5Znx。Fe2Al5Znx中x的值趨于0.4時，該化合物相

狀態(tài)趨于穩(wěn)定，由此可以推測中間界面區(qū)形成的三元化合物相為Fe2Al5Zn0.4［22］。Fe2Al5Zn0.4相的Gibbs自由能在900～1050 K范圍內(nèi)大于Fe2Al5的Gibbs自由能且小于零［23］，因此，該化合物相在過渡界面區(qū)可能存在且于Fe2Al5之后生成。

2.6 富鋅區(qū)

三種試樣中，僅在140g試樣中觀察到明顯的富鋅區(qū)。圖13所示為140g試樣富鋅區(qū)界面微觀組織形貌，在此區(qū)域中，由于感應(yīng)焊接邊緣溫度較低，鍍鋅板上只發(fā)生熔化而沒有揮發(fā)的鋅被保留下來，過渡界面區(qū)的鋅原子會由于電子親和力的不同被推到焊趾部位富集，保留下來的鋅和部分熔化的鋁合金母材在鍍鋅板表面鋪展，在熔化的鋁合金的推動下，在接頭的一側(cè)形成富鋅區(qū)［24］。

圖14為富鋅區(qū)面掃圖，可以觀察到富鋅區(qū)的鋅元素大量富集，出現(xiàn)氣孔，氣孔周圍存在少量鋁元素，整個富鋅區(qū)幾乎沒有鐵元素。在焊接過程中，由于感應(yīng)靜壓焊熱影響區(qū)邊緣位置溫度較低，所以富鋅區(qū)位置保留下來的鋅與過渡界面區(qū)被推動到此位置的鋅在鋁合金表面鋪展，由于鋅原子半徑比鋁原子半徑小以及鋅的大量富集，在一定程度上阻止了鐵鋁之間的相互作用，并且由于富鋅區(qū)溫度較低，故在富鋅區(qū)與鐵之間幾乎沒有反應(yīng)層。根據(jù)鋅鋁元素的分布與鋁鋅二元合金相圖可以判斷，位于富鋅區(qū)孔洞周圍的亮白色物相為鋁鋅α固溶體，暗灰色物相為單一的鋅元素富集。

2.7 鍍鋅量對接頭力學(xué)性能的影響

圖15所示為鍍鋅板/5052鋁合金接頭的鋁側(cè)斷口宏觀形貌。試件斷裂位置均位于鋁側(cè)焊趾氣孔密集處，且均能觀測到橫向的氣孔通道。在確定了感應(yīng)靜壓焊的功率與焊接時間的前提下，鍍鋅板/5052鋁合金接頭的剪切性能主要由三個因素共同決定：一是脆性金屬間化合物厚度；二是界面結(jié)合強度；三是焊接缺陷。

40g接頭、60g接頭、140g接頭的金屬間化合物最大厚度依次為為36 μm、42 μm、46 μm。

界面結(jié)合強度可以由界面結(jié)合能進行比對，由表3摻雜Zn元素前后的界面能可知，Zn原子會替換界面處的Fe原子，使得界面結(jié)合能增加，體系更穩(wěn)定，有利于界面的結(jié)合，添加Zn元素之后的界面偏聚能為7.6497 eV［20］。

鍍鋅低合金鋼板與5052鋁合金感應(yīng)靜壓焊接的缺陷分為氣孔出現(xiàn)與富鋅區(qū)。氣孔出現(xiàn)的原因主要是鋅蒸汽的溢散與液態(tài)鋁在快速冷卻中溢出的氫氣［25-27］，由于氣孔出現(xiàn)位置與富鋅區(qū)位置存在一定重合，氣孔呈橢圓形離散分布于焊點周圍，富鋅區(qū)呈橢圓形環(huán)繞于焊點邊緣，所以焊接缺陷對接頭的性能影響較大。

圖16為三種不同鍍鋅量鋼板與鋁合金感應(yīng)靜壓焊頭剪切強度-位移的變化曲線。由圖16可以看出，隨著鋼板鍍鋅量的增加，接頭最大剪切強度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)鍍鋅量為單面60 g/m2時，接頭的抗剪切強度達到最大，為44 MPa；當(dāng)鍍鋅量為140 g/m2時，接頭的剪切強度急劇下降。由此可見，低合金鋼板/5052鋁合金感應(yīng)靜壓接頭剪切強度與鍍鋅量密切相關(guān)，雖然60g接頭其脆性金屬間化合物

最大厚度比40g接頭的最大厚度增加了6 μm，但是Zn元素的增加有利于界面處的結(jié)合，從而改善界面的脆性斷裂。隨著鍍鋅量的進一步增加，140g接頭產(chǎn)生明顯的富鋅區(qū)缺陷，大大降低接頭的力學(xué)性能。

在三種接頭界面微觀組織與力學(xué)性能的對比中，鍍鋅量為60 g/m2的低合金鋼與鋁合金在感應(yīng)靜壓焊接中獲得相對均勻緊湊的界面，且不會有明顯的富鋅區(qū)出現(xiàn)，從而具備相對較好的力學(xué)性能。本文采用的感應(yīng)靜壓焊接工藝與其他成熟的焊接工藝［28-29］所得到的接頭力學(xué)性能之間還存在一定的差距，在后續(xù)研究中會通過進一步優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來提高接頭的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）采用感應(yīng)靜壓焊接技術(shù)實現(xiàn)了鍍鋅量為40 g/m2、60 g/m2、140 g/m2的低合金鋼板與5052鋁合金的有效連接，且連接界面較平直，連接質(zhì)量良好。

（2）低合金鋼板/5052鋁合金感應(yīng)靜壓焊接中鍍鋅層的Zn元素在中間界面區(qū)不參與反應(yīng)但會影響鋼鋁潤濕機制；在過渡界面區(qū)可能占據(jù)Fe2Al5晶格中的空位，參與金屬間化合物的反應(yīng)生成Fe2Al5Zn0.4相；在富鋅區(qū)大量的富集和形成少量鋁鋅α固溶體。

（3）當(dāng)感應(yīng)靜壓焊接功率為40 kW，加熱時間為25 s時，隨著鍍鋅量的增加，低合金鋼/5052鋁合金接頭剪切性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)鍍鋅量為60 g/m2時，接頭剪切強度最大，為44 MPa。

（4）試件斷裂位置均位于鋁側(cè)焊趾處，斷裂主要發(fā)生在富鋅區(qū)和氣孔密集處，斷口呈半圓形，與富鋅區(qū)和氣孔分布相吻合。

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：

高 愷，男，1989年生，博士。研究方向汽車輕量化技術(shù)，智能制造。E-mail：gaokai@wust.edu.cn。