镀锌钢/铝合金激光熔钎焊接头组织及力学性能

陈大林，赵青山

兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060

0 前言

铝合金密度小、质量轻、比强度高、导电导热性和耐腐蚀性良好，工业上应用广泛[1]；钢的塑韧性较好、强度较高、价格较低，是加工性能良好的黑色金属材料，在装备制造业中的地位至今无可替代[2-3]，“铝+钢”复合结构具有明显的优势和广泛的应用价值.但由于铝/钢固溶度低，两者的物理、化学性能差异明显，焊接过程中容易出现氧化、焊缝成分不均，焊接变形大，夹渣、气孔、裂纹等缺陷，并形成大量的FeAl脆性金属间化合物，从而影响接头性能。因此，实现铝/钢异种金属焊接是研究的热点，亦是难点[4-7]。

目前，扩散焊、摩擦焊、爆炸焊、电弧焊、钎焊等均可实现铝/钢异种金属焊接，但也存在焊接效率低、生产成本较高、工件形状尺寸受限、热输入不易控制等问题，限制了铝/钢焊接在实际生产中的应用。相比于其他焊接方法，激光焊具有控制热输入精准、减少铝/钢界面金属化合物的厚度等优势，也是铝/钢异种金属焊接研究热点[8]。国内外学者对铝/钢激光焊进行大量的研究。王晓江等[9]采用“钢上铝下”的搭接形式获得了成形良好的异种钢激光焊接接头，且添加Fe-B-Si中间层的界面金属间化合物边界平整，厚度减小，接头力学性能提高。陈树海[10]等采用对铝/不锈钢激光焊搭接接头进行研究，试验中先后添加Ni箔、AlSi5焊丝，研究焊接热输入对焊缝显微组织及力学性能的影响，结果表明在较低激光功率下得到的焊缝铝/钢界面金属化合物厚度较薄，接头强度更高。OZAKI等[11]采用激光压焊实现铝/钢的焊接，当金属间化合物厚度为5 μm时，接头强度最大。由此可知，铝/钢异种金属焊接接头界面金属间化合物厚度对力学性能有重要的影响。

激光熔钎焊是一种使铝熔化，而钢母材不熔化或少量熔化，依靠液态铝在钢母材上良好的铺展性与钢母材实现钎焊连接，从而形成熔钎焊接头的工艺方法，激光熔钎焊成为抑制或减少FeAl脆性金属间化合物产生最有效的工艺方法。文中采用激光熔钎焊焊实现了铝/钢薄板的有效搭接，得到质量良好的熔钎焊接头，并进一步分析激光功率对镀锌钢/5052铝合金熔钎焊搭接接头组织及力学性能的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料及设备

试验材料为5052铝合金和镀锌钢板，板材尺寸均为100 mm×100 mm×2 mm，其化学成分分别如表1、表2所示。试验主要设备为FANUC M-10iA/12型焊接机器人配套IPG公司的YLR-4000光纤激光器，最大输出功率4 kW，焦距250 mm。

表1 5052铝合金化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of 5052 aluminum alloy（wt.%）

表2 镀锌钢板化学成分（质量分数，%）Table 2 Chemical composition of galvanized steel sheet（wt.%）

1.2 实验方法

试验前，用锉刀对5052铝合金进行表面机械清理，有效清除铝合金表面氧化膜并提高对激光的吸收率，再用丙酮清洗铝合金与镀锌钢板表面油污。试验采用如图1所示的“铝上钢下”的搭接接头形式。激光束垂直于试板入射，无填充材料，用99.5%Ar对焊缝金属进行保护，气体流量15 L/min，光纤激光器离焦量为0 mm，焊接速度5 mm/s。有文献提出，激光功率较小时，铝/钢之间因焊接热输入较小而无法实现较好的连接；激光功率过大则会出现试板烧穿现象，经多次试验，文中选取激光功率为2 400～2 800 W，最终获得所需的焊缝。

图1 铝/钢搭接接头示意Fig.1 Schematic diagram of aluminum/steel lap joint

焊接完成后，采用电火花线切割将试板加工成金相试样和拉伸试样。参照GB11363-2008《钎焊接头强度试验方法》，采用SHT4505微机控制电液伺服万能试验机在室温（23±5）℃以0.2 mm/s的拉伸速度进行拉伸测试，拉伸试样如图2所示。拉伸力大小取3个试样的平均值，随后进行断口分析；金相试样经取样、镶嵌、磨抛至试样表面光洁、无明显划痕后，用keller试剂腐蚀；采用QUANTA FEG-450扫描电子显微镜（SEM）对5052铝合金和镀锌钢板接头的显微组织进行观察。

图2 拉伸试样示意Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen

2 试验结果及分析

2.1 接头力学性能

在激光束垂直于试板进行焊接，焊接速度为5 mm/s，保护气体Ar流量为15 L/min，激光离焦量为0 mm，无填充材料的条件下，采用激光功率为2 400 W，2 500 W，2 600 W，2 700 W，2 800 W进行不同激光功率搭接熔钎焊工艺试验。当激光功率为2 800 W时试板被烧穿，将其他4种激光功率焊接接头加工成拉伸试样后进行抗剪强度测试，结果如图3所示。

图3 激光功率与抗剪强度关系曲线Fig.3 Relation curve of laser power and shear strength

当激光功率为2 400 W、2 500 W时，焊缝热输入较小，表面成形较差，有未焊透、未熔合等缺陷，焊接接头性能较差；当激光功率为2 600 W时，热输入增加，焊缝熔深增大，表面成形较好，焊接缺陷较少，抗剪强度显著提高；激光功率增大至2 700 W时，因热输入较大，焊接过程中易产生飞溅、下塌、气孔等缺陷，抗剪强度下降[12]。由此可见，随着激光功率的增大，焊缝抗剪强度先增大后减小，当激光功率为2 600 W时，抗剪强度达到最大值164.4 MPa。图4为激光功率为2 600 W时的焊缝宏观形貌，焊缝无表面缺陷、成形较好。

图4 焊接接头外观形貌（P=2 600 W）Fig.4 Appearance of welded joint

2.2 接头界面显微组织

激光功率为2 600 W时焊缝接头界面微观形貌如图5所示。由图5a可知，整个焊缝熔合良好，因焊接时采用“铝上钢下”的搭接接头，铝侧热输入多而钢侧较少，同时考虑两金属物理性质差异，表现出以焊缝中心线为对称中心，左右界面形状具有一定的对称性，焊缝-铝、焊缝-钢两界面均呈现出参差不齐的锯齿状。由图5b可知，焊缝两侧紧密结合，组织致密，无明显内部缺陷，且钢-焊缝界面宽度不大。

图5 焊缝接头界面微观形貌Fig.5 Microstructure of weld joint interface

图6为图5接头结合界面各元素能谱线扫描照片。由图6可知，整个界面可分为三个区域，即钢、铝、焊缝区。整个界面区域Fe、Al、Zn、Mg原子之间发生了扩散，镀锌钢板表面锌层中的Zn元素大部分停留在焊缝区位置，也有部分Fe、Al原子扩散到内部，该区域主要为Zn的固溶体。

图6 接头界面线扫描Fig.6 Energy spectrum line scanning of elements at joint interface

利用能谱分析（EDS）对钢、铝、焊缝区三区域各结合界面组织的特征点进行点扫描分析。图7对组织特征较明显的4个点进行能谱分析，表3为特征点的能谱分析结果。

图7 接头结合界面点扫描Fig.7 Spot scanning at joint interface

表3 结合界面点分析结果Table 3 Analysis results of spots at joint interface

由表3各元素分析可知，点1主要为Zn和少量的Fe、Al、Mg，该组织为Zn的固溶体；点2主要为Al、Fe，且Fe、Al原子数比例约为2∶5，根据Fe-Al二元相图可知该组织为金属间化合物Fe2Al5；点3主要为α-Al基体；点4主要为Fe、Al两元素，且比例接近1∶1，该组织为金属间化合物FeAl。由文献[13]可知，抑制Fe-Al金属化合物的生成或铝/钢界面金属间化合物厚度≤10 μm，均能提高焊缝接头力学性能。由图6可知，整个焊缝区域金属间化合物厚度不足10 μm。

2.3 断口分析

对2 600 W拉伸试样断口进行扫描，如图8所示，断口形貌平整，图8a断口为典型的解理断裂形貌，中心区域有少量韧窝，图8b断口形貌未找到明显的韧窝，只有大面积河流状和台阶状的撕裂棱。结合拉伸试样断裂位置及解理台阶的形貌，综合分析断口为脆性断裂。

图8 接头断口形貌Fig.8 Appearance of fracture of joint

3 结论

（1）在激光束垂直于试板进行焊接，焊接速度为5 mm/s，保护气体Ar流量为15 L/min，激光离焦量为0 mm，无填充材料的条件下，随着激光功率的增大，焊缝抗剪强度先增大后减小，当激光功率为2 600 W时，抗剪强度达到最大值164.4 MPa。

（2）镀锌钢/铝接头界面处存在Zn的固溶体、α-Al、Fe2Al5、FeAl等组织。激光功率为2 600 W时，整个焊缝区域金属间化合物厚度不足10 μm，接头性能较好。

（3）焊接接头断口形貌有大面积河流状和台阶状的撕裂棱，中心区域有少量的韧窝，为脆性断裂。