劉陸濤,浦娟

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 前言

鋁/鋼異種金屬材料連接因兩者的物理性能差異大，難以獲取冶金優(yōu)良的焊接接頭[1]，尤其是界面極易生成脆性的Al-Fe 金屬間化合物，使焊縫產(chǎn)生裂紋，降低焊縫的力學(xué)性能[2]。由此，抑制脆性的Al-Fe金屬間化合物產(chǎn)生是獲得優(yōu)質(zhì)鋁合金/鋼接頭的關(guān)鍵所在。

大量的研究表明，在鋁/鋼焊接中添加不同的元素可以顯著抑制Al，F(xiàn)e 之間的擴(kuò)散冶金反應(yīng)[3-4]，從而提高焊接接頭的力學(xué)性能。Dong 等學(xué)者[5]研究了采用AlSi5 和AlSi12 的焊絲對(duì)鋁/鋼的界面處的IMC 和接頭力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)：相比于AlSi5，由AlSi12 得到焊接接頭的界面IMC 變薄，接頭強(qiáng)度也更高，這說(shuō)明Si 元素具有抑制Fe 原子向Al 原子擴(kuò)散的作用。Xia 等學(xué)者[6]研究發(fā)現(xiàn)加入Si 元素可以抑制Al-Fe 金屬間化合物的生長(zhǎng)。添加合金元素對(duì)改善Al-Fe 金屬間化合物性能的效果同樣顯著[7]，章橋新等學(xué)者[8]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)“合金化”的途徑能夠改善化合物的脆性。到目前為止，研究發(fā)現(xiàn)能夠改善Al-Fe 化合物性能的元素主要包括B，Zr，Sr 及稀土元素Sc，La，Ce 等[9-10]。

抑制脆性的Al-Fe 金屬間化合物生成另一個(gè)重要措施是精準(zhǔn)控制鋁合金和鋼焊接過(guò)程中的熱輸入[11]。于曉全等學(xué)者[12]研究發(fā)現(xiàn)金屬間化合物厚度與鋪展寬度隨熱輸入增加而線性增加。研究認(rèn)為，使用激光作為熱源進(jìn)行焊接具有更高的焊接速度、更低的焊后變形量和更精確的熔化位置的控制，工業(yè)化程度較高。

因此，該文用含Cs 和不含Cs 的AlSi12 藥芯焊絲對(duì)6061 鋁合金和Q235 鋼進(jìn)行激光熔釬焊工藝試驗(yàn)研究，分析藥芯釬劑中Cs 元素對(duì)焊接接頭宏觀形貌、微觀組織構(gòu)成及拉伸性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所選母材為6061 鋁合金（抗拉強(qiáng)度290 MPa）和Q235 低碳鋼（抗拉強(qiáng)度375 MPa），尺寸均為150 mm ×80 mm×2 mm，填充焊絲為直徑1.6 mm 的AlSi12 藥芯焊絲（210 MPa），藥芯成分為無(wú)Cs 型No-clock 釬劑（100% KAlF4）和含Cs 型No-clock 釬劑（97% KAlF4+3%CsAlF4），具體成分見(jiàn)表1。

表1 母材及藥芯焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

用AlSi12 藥芯焊絲對(duì)鋁合金和鋼進(jìn)行激光熔釬焊工藝試驗(yàn)，焊接裝配示意圖如圖1 所示。母材采用對(duì)接的形式裝配，在母材下方放置一塊銅基板，通過(guò)銅的高導(dǎo)熱性，消除焊接過(guò)程中產(chǎn)生的部分熱量減少金屬間化合物的生長(zhǎng)。激光與工件垂直方向偏轉(zhuǎn)10°，防止激光反射對(duì)激光頭造成燒損，具體激光熔-釬焊工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 激光焊接裝配圖

表2 激光熔釬焊工藝參數(shù)

沿著垂直于焊縫方向截取金相試樣與拉伸試樣。對(duì)金相試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕后，用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織觀察，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）和集成能量色散X 射線光譜（EDS）進(jìn)行IMC層半定量成分分析。2 種焊絲各取3 個(gè)部位制備拉伸試樣，進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

圖2 為無(wú)Cs 型和含Cs 型AlSi12 藥芯焊絲激光熔釬焊鋁合金和鋼的接頭宏觀形貌圖。由圖可知，藥芯焊絲中無(wú)Cs 時(shí)，鋁合金/鋼焊接接頭的正面和背面焊縫不夠光滑、連續(xù)，如圖2a 和圖2b 所示。藥芯焊絲加了Cs，激光熔釬焊接頭的正面和背面焊縫較為光滑、連續(xù)，成形更為美觀，如圖2d 和圖2e 所示。對(duì)比圖2c 和圖2f 橫截面圖，可以看出藥芯焊絲中加了Cs 后，焊接接頭的潤(rùn)濕角由44.5°降低至38.2°。由此可知，藥芯焊絲中加Cs 后，焊縫的潤(rùn)濕性顯著提高，焊縫整體形貌更加美觀。這主要是因?yàn)樗幮锯F劑中加入Cs 元素會(huì)使釬劑的熔點(diǎn)變低，釬料的流動(dòng)性增加，從而獲得更為美觀的焊縫形貌。

圖2 不同焊絲鋁/鋼焊接接頭宏觀形貌

2.2 接頭微觀組織

圖3a～圖3c 是無(wú)Cs 型焊絲鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫、鋼側(cè)釬焊區(qū)的微觀組織，圖3d～圖3f 是含Cs 型焊絲鋁側(cè)熔合區(qū)、焊縫、鋼側(cè)釬焊區(qū)的微觀組織。從圖3中可以看出，當(dāng)藥芯焊絲中加入Cs 元素后，鋁側(cè)熔合區(qū)的Al-Si 共晶組織與α-Al 固溶體分布更分散，在焊縫與鋼側(cè)釬焊區(qū)出現(xiàn)了更多更大的塊狀組織，大量的Al-Si 共晶組織從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)獒槜l狀，分布雜亂無(wú)章。因?yàn)镃s 元素的加入使釬料的熔點(diǎn)降低，流動(dòng)性增加，導(dǎo)致Al-Si 共晶不再沿著α-Al 固溶體析出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖3 不同焊絲焊接接頭微觀組織

圖4 為無(wú)Cs 型和含Cs 型鋼側(cè)釬焊區(qū)界面層SEM形貌，表3 為EDS 點(diǎn)掃描結(jié)果。根據(jù)能譜結(jié)果，釬劑中無(wú)Cs 元素時(shí)，IMC 界面層主要為連續(xù)均質(zhì)的τ5-Fe1.8Al7.2Si，靠近鋼側(cè)生成了少量的θ-Fe2(Al,Si)5。當(dāng)釬劑中加入Cs 元素后，IMC 界面層厚度減小，大量的Fe元素向鋁側(cè)擴(kuò)散，在鋼側(cè)形成了Fe3Al 與θ-Fe2(Al,Si)5，IMC 界面層由鋸齒狀變?yōu)楸訝畹摩?-Fe1.8Al7.2Si。

圖4 不同焊絲鋼側(cè)釬焊區(qū)界面層SEM 形貌

表3 圖4 中EDS 點(diǎn)掃結(jié)果

圖5 為無(wú)Cs 型和含Cs 型鋼側(cè)釬焊區(qū)EDS 線掃描結(jié)果。從焊縫到鋼側(cè)母材，Al，F(xiàn)e 和Si 元素均發(fā)生突變，不同焊絲界面層元素呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，Al元素逐漸減少，F(xiàn)e 元素逐漸增加，Si 元素在界面處發(fā)生了偏聚效應(yīng)。當(dāng)釬劑中無(wú)Cs 元素時(shí)，IMC 界面層厚度為2.06 μm，而加入Cs 元素后，IMC 界面層厚度降低為1.64 μm，并且可以發(fā)現(xiàn)靠近鋼側(cè)的IMC 界面層Fe 元素含量比例較高，說(shuō)明大量的Fe 元素進(jìn)入了IMC界面層，而后急劇降低，這與點(diǎn)掃結(jié)果相對(duì)應(yīng)。根據(jù)線掃描結(jié)果，無(wú)論是否含有Cs 元素，IMC 界面層還應(yīng)存在θ-Fe(Al,Si)3[13]，但由于IMC 界面層以τ5-Fe1.8Al7.2Si為主，并且厚度較薄，點(diǎn)掃描并未掃到。

圖5 不同焊絲鋼側(cè)釬焊區(qū)EDS 線掃描

2.3 Cs 元素對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

圖6 為不同焊絲的接頭抗拉強(qiáng)度。據(jù)了解AlSi12的抗拉強(qiáng)度大約是210 MPa[14]，由圖6 可知，當(dāng)釬劑無(wú)Cs 元素時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為203 MPa，達(dá)到了96.7%。當(dāng)釬劑中加入Cs 元素后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度反而降低至182 MPa，達(dá)到了86.7%。這是由于釬劑中加入Cs 元素后，雖然流動(dòng)性增加，提升了鋼側(cè)背部的潤(rùn)濕性，但是在正面的潤(rùn)濕鋪展變低，力學(xué)性能反而不如無(wú)Cs 型AlSi12。

圖6 不同焊絲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度還與界面層相關(guān)，無(wú)Cs 型焊接接頭IMC成分以τ5-Fe1.8Al7.2Si 為主，厚度為2.06 μm，而含Cs 型焊接接頭IMC 成分雖然也以τ5-Fe1.8Al7.2Si 為主，但是根據(jù)EDS 結(jié)果表明，IMC 成分更復(fù)雜，均質(zhì)性不如無(wú)Cs 型，導(dǎo)致結(jié)合力降低。Cs 元素的加入雖然使IMC厚度降低至1.64 μm，但I(xiàn)MC 厚度并不是越低越好，夏鴻博[15]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)界面結(jié)合的IMC 為2～3 μm 的單一τ5-Fe1.8Al7.2Si 相時(shí)，界面具有最高的平均結(jié)合強(qiáng)度和最大的平均斷裂位移。無(wú)Cs 型AlSi12 界面層厚度適中且比較均勻單一，因此焊縫具有更好的抗拉性能。

3 結(jié)論

（1）Cs 元素提高了焊絲在母材表面的潤(rùn)濕鋪展性能，獲得飽滿美觀的焊接接頭。

（2）Cs 元素通過(guò)冶金反應(yīng)進(jìn)入鋁/鋼焊接接頭，一定程度上阻礙了Al，F(xiàn)e 之間的反應(yīng)，降低了接頭界面反應(yīng)層的金屬間化合物IMC 厚度，IMC 界面層厚度從2.06 μm 降低至1.64 μm。

（3）Cs 元素降低了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，從203 MPa降低至182 MPa。