喷丸预处理对铝合金与钢TIG熔-钎焊的影响

安 琦，袁新建，张文龙，臧若锦

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400030）

喷丸预处理对铝合金与钢TIG熔-钎焊的影响

安 琦，袁新建，张文龙，臧若锦

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400030）

为了使铝合金与钢的连接更加牢固，以Al-Si（6%～8%）为钎料，采用TIG熔-钎焊对5052铝合金和镀锌钢板进行连接，并对铝合金板的熔-焊区进行表面喷丸预处理，研究了表面喷丸对接头界面组织及力学性能的影响.研究表明：喷丸预处理能细化接头熔焊区柱状晶晶粒并使其分布更均匀，促进钢/熔池金属间的界面反应；表面喷丸明显改变了钢/铝扩散层厚度，厚度由6.0 μm增加到9.5 μm.力学性能测试结果表明，表面喷丸显著改善了连接质量，接头拉剪强度达到238.6 N/mm.

铝合金；镀锌钢；熔-钎焊；喷丸处理；显微组织；力学性能

用轻质铝合金代替车身用钢是实现汽车车身轻量化和节能减排的有效手段.由于其本身性能的限制，铝合金还不能完全取代高性能钢材作为汽车车身结构，因而在采用铝合金作为车身时不可避免地要涉及铝合金与钢的焊接.但由于铝合金与钢物理性能差异较大，且冶金兼容性较差，采用传统熔焊方法难以实现二者的连接.因此，国内外学者采用激光焊［1-3］，爆炸焊［4-6］，摩擦焊［7-8］，搅拌摩擦焊［7-8］，电阻点焊［9-10］等多种方法试图实现铝-钢的可靠连接.尽管通过以上方法可以实现铝-钢的连接，但这些单一的连接方法很难获得满意的组织结构和高效高强的性能，且难以实现大规模的工业应用.

近年来，国内外学者针对铝合金与钢的复合焊接开展了相关研究工作，TIG熔-钎焊以其独特的优势受到人们的重视，具有焊接热影响区小、对表面光洁度要求不高、节能高效、易实现自动化、焊接性能好的优点.在作者的前期工作中，采用TIG熔-钎焊已成功实现了Ti与Mg的连接［11］.文献［12-16］针对铝合金与钢开展了熔-钎焊的研究工作［12-13］以及镀锌层所发挥的作用［14］，获得了较好的焊接效果和焊接质量.但即使采用复合焊接方法，铝基体的表面氧化膜仍难以避免，合金表面在空气中极易形成致密的氧化层（Al2O3），氧化膜的性质与铝基体截然不同，氧化膜的熔点达到了2 050℃，而铝基体熔点仅为660℃，二者熔点相差1 390℃，这些差异对基体的焊接产生极大影响.焊接温度介于铝基体与钢基体熔点之间无法熔化氧化铝，因此，只能依靠溶解和TIG电弧清理的方式清除氧化膜，由于焊接持续时间短，致密的氧化膜不易被清除，严重影响液态铝合金在钢表面的铺展，且溶解到焊缝中的大尺寸氧化物形成夹渣对焊接性能也极其不利［15］.铝基体表面氧化膜在熔-钎焊中的溶解消除问题已严重制约了铝合金与钢的焊接性能.

目前，尚未见将表面机械研磨处理应用于TIG熔-钎焊的报道.而机械研磨处理在热处理及扩散中的研究表明，表面机械研磨处理可以显著细化晶粒［16］.MHAEDE等认为铝合金经喷丸处理后表面形貌发生了显著改变［17］，此外，表面喷丸处理可显著去除零件表面氧化膜，克服了传统化学方法费用高周期长的缺点［18］.更进一步的研究表明，由于形成纳米晶层，表面高能喷丸处理会显著改变材料表面的扩散和冶金反应动力学特征［19］.因而可以预见，在钢-铝的连接中，对铝合金进行表面高能喷丸，由于其表面氧化膜的大部分清除使得氧化物夹杂减少以及表面层扩散反应特征的改变，可能对连接接头冶金反应和界面组织产生影响.而界面组织直接决定了接头连接质量，因而有必要探明表面喷丸对接头组织和性能的影响规律，以合理利用表面喷丸来达到改善接头强度的目的.为此，本文将研究以TIG电弧为热源氩气作为保护气体情况下，对比分析铝母材熔焊区表面在未喷丸处理和喷丸处理后的条件下，铝合金与钢进行TIG熔-钎焊焊接得到的接头组织与力学性能，探究喷丸预处理对接头的显微组织和力学性能的影响.

1 试 验

试验母材是镀锌钢板和轧制态5052铝合金板，尺寸均是80 mm×50 mm×1.5 mm，以Al-Si （6%～8%）焊丝作为钎料采用搭接的方式进行熔-钎焊；镀锌钢板焊接前采用乙醇清洗表面油污和杂质，用乙醇清洗母材并吹干；焊接工艺参数为焊丝直径1.0 mm，氩气流量10 L/min，钨极直径1.6 mm，钨极下端距离母材的高度是2.5 mm，钨极偏离竖直方向的角度为15°～20°，送丝速度19.0 mm/s，焊接速度2.8 mm/s.铝板的待焊区及附近表面预处理在喷丸机上进行双面喷丸，对焊后的接头剖面，在铝合金一侧通过金相腐蚀的方法观测熔焊区的组织；在铝-钢界面，采用带EDS 的SEM分析界面组织和反应产物.为测定接头力学性能，将焊件切割为宽度15 mm的标准样，在万能拉伸试验机上测定其拉剪强度，每个参数采用3个标准样测试，取其平均值作为最后结果.采用SEM观察拉伸断口形貌，通过拉伸后试样剖面金相观察判定拉伸断裂位置.

2 结果与分析

2.1 焊接电流的选择

试验前通过一系列未喷丸的对比实验，采用单位长度所能承受的最高拉力表征接头的拉剪强度得到接头强度和热输入量的关系如表1所示.由表1可以看到，随着焊接电流的变化，接头的拉剪强度先增加而后减小；本试验中材料尺寸采用90 A焊接电流获得接头力学性能最好.因此，采用90 A作为本次试验的焊接电流，比较有无喷丸预处理的焊接试样在显微组织和力学性能上的差异.

表1 焊接电流与接头拉剪强度的关系

2.2 焊接接头的分析

图1是在90 A的焊接电流下得到的焊缝宏观形貌，可以看到，经过喷丸预处理后焊缝铺展更均匀，焊缝宽度有所增加，这是因为经过表面喷丸处理后铝母材组织细化，受热更均匀.

图1 焊缝的宏观形貌

图2为在90 A焊接电流下经过喷丸预处理后得到的搭接接头的宏观形貌照片，图3则是焊缝与铝母材的连接界面金相图.在该区域观察到柱状晶，代表熔焊界面，是明显的铸态组织；同时发现，柱状晶界面的杂质偏聚较其他地方富集，是脆弱结合面，力学性能不够高，因此，常常是拉伸测试微裂纹的萌发区，最终在附近区域发生断裂.通过二者金相照片可以看出，经过喷丸预处理后熔焊区柱状晶晶粒尺寸减小且组织更均匀，这是由于铝母材经喷丸处理后组织细化受热更均匀，而柱状晶在未融化晶粒的基础上形核长大，因此，铝母材与熔焊区相邻组织的大小直接决定了熔焊区柱状晶的大小.同时晶界的增多可以为热传导和原子扩散提供更多通道，并有利于杂质的均匀分布，对于提升力学性能是有显著作用的.

图4是90 A电流时焊接接头焊缝与钢母材钎焊界面处的SEM以及线扫描能谱图.

图2 搭接接头宏观形貌

图3 焊接接头处熔焊区金相照片

图4 焊接接头界面SEM及线扫描能谱图

从图4可知：未喷丸预处理的接头处界面层分布均匀性相对较差，经过喷丸预处理的界面层分布均匀；并可以观察到钎焊界面层实质上是扩散形成的，焊接过程中钢母材的Fe元素向焊缝扩散，同时焊缝熔池中的Al元素也向钢母材中扩散，扩散界面层主要靠金属键和化学键结合，结合强度高.对二者界面层进行点扫描后发现，未喷丸时Fe和Al的原子分数为19.6%和80.4%，而经过喷丸预处理后Fe和Al的原子分数为27.4%和72.6%，说明喷丸预处理后钎焊界面层Fe原子比例增加；同时对腐蚀后的焊缝进行能谱打点分析，基体为α-Al，发现少量的Si元素，这些Si来自于钎料偏聚在晶界处形成Al-Si脆性相，对接头的力学性能不利.

从线扫描能谱图可以得到经过喷丸预处理的界面扩散层厚度约为9.5 μm，而未喷丸的界面扩散层厚度约为6.0 μm，说明表面喷丸预处理使界面扩散层的厚度增加，而钢铝熔-钎焊接头的力学性能随界面层厚度的增加先增加后减小［20］，喷丸预处理可以优化力学性能.

喷丸预处理对钎焊界面层存在上述影响的主要原因是喷丸引起的铝母材晶粒细化有效减小热阻，促进了传热［21-22］，有助于扩散的进行，使得界面层金属化合物的Fe原子比例增加，扩散层的厚度也有所提升.但如果仅提高焊接电流则会由于镀锌层的剧烈蒸发使得电弧边缘上翘，减小电弧与工件接触面积，反而降低了热输入量［14］.

2.3 试样力学性能和拉伸断口分析

对试样进行拉伸测试，图5是拉伸试样的宏观断裂位置图像，从宏观上观察到两者的断裂位置均是熔焊区域附近.

图5 断裂位置

图6是喷丸预处理后接头铝母材一侧断口金相图，观察到喷丸处理后断裂发生在柱状晶区，此断裂位置所对应的焊接接头力学性能较好，经过喷丸预处理后的焊接接头拉剪强度达到了238.6 N/mm，而未喷丸试样拉剪强度为216.09 N/mm，熔焊区柱状晶晶粒细化且分布更均匀是拉剪强度得到提高的主要原因.

图7是试样拉伸性能测试的断口电子扫描图像，可以看到，未喷丸接头的断口属于脆性的解理断口，存在明显尺寸较小的解理平台，接头总体呈现脆性特征；喷丸后的断口形貌呈韧窝特征，但这些韧窝也是一些细小Al-Si相脆性断裂形成的解理平台，并不是一般韧性材料断裂断口常见的韧窝，韧窝特征是由于这些脆性相的弥散均匀分布造成的.

图6 喷丸预处理后接头铝母材一侧断口金相照片

图7 断口形貌

进一步对断口放大观察，如图7（c）、（d）所示，发现二者断口表面存在韧性断裂特征的撕裂棱，比较发现经过喷丸预处理后的断口撕裂棱更加明显且数量更多，说明经过喷丸预处理后接头的韧性得到改善，力学性能得到了提升；韧窝底部点能谱分析显示元素的组成是大量的Al与少量的Si（质量分数2%～6%），Si来自于钎料偏聚在晶界处形成脆性Al-Si相，韧窝底部的解理平台正是由于该Al-Si相的脆性断裂所致.可以看到喷丸预处理后接头韧性增强，力学性能更好.

3 结 论

1）表面喷丸预处理可以细化铝母材从而促进传热，有利于钢与熔池金属的相互扩散，适当增加扩散层的厚度（由6.0 μm增加到9.5 μm），并增加了钎焊界面处Fe原子比例.

2）未喷丸的接头拉剪强度随热输入量的增加先增大后减小，90 A的焊接电流得到的拉剪强度最高（216.09 N/mm）；铝母材熔焊区表面喷丸预处理，可以使熔焊区柱状晶晶粒细化且分布更均匀，导致接头断口表面的撕裂棱增加，韧性得到提升，拉剪强度达到238.6 N/mm.

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（编辑 吕雪梅）

Effect of shot-peening pre-treatment on TIG-welding braze aluminum alloy to steel

AN Qi，YUAN Xinjian，ZHANG Wenlong，ZANG Ruojin

（School of Materials Science&Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

To firmly bond aluminum with steel，TIG-welding braze of Zn-coated steel to 5052 aluminum alloy was carried out using Al-Si（6%～8%）filler.A shot-peening pre-treatment of the 5052 aluminum plate was performed to investigate its effect on the interfacial microstructure and mechanical properties of the resultant joint.It was found that the grains of fusion welding columnar crystal at the joint are uniformly distributed with the help of shot-peeing to promote the reaction between steel and welded metal.At the same time，the thickness of diffusion layer increased form 6.0 μm to 9.5 μm with shot-peening pre-treatment.Further，the mechanical properties of the surface peening significantly improved quality of jiont to achieve a joint tensileshear strength of 238.6 N/mm.

aluminum alloy；Zn-coated steel；TIG-welding brazing；shot-peening；microstructure；shear strength

TG113.26

A

1005-0299（2015）06-0077-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150614

2014-06-12.

中央高校基本科研业务费资助项目（CDJZR13130040）.

安 琦（1993—），男，学士.

袁新建，E-mail：xinjianyuan@yahoo.com.