尹丹青 ，邱然鋒 ，王楠楠 ，石紅信，張柯柯

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003）

0 前言

近年來，為了提高燃料利用率、減少CO2氣體排放量以盡可能降低對(duì)環(huán)境的污染，使得汽車工業(yè)在追求高安全性、外觀靚麗、乘用舒適型車身設(shè)計(jì)的同時(shí)將關(guān)注的目光投向了車身輕量化。現(xiàn)在，輕快、安全與舒適已成為汽車車身設(shè)計(jì)的主題。為了既能實(shí)現(xiàn)車身輕量化又能保證其安全性系數(shù)，“混合材料型車身結(jié)構(gòu)”越來越受到汽車工業(yè)的青睞[1]。在這種車身結(jié)構(gòu)里，承重部位及加強(qiáng)零件使用傳統(tǒng)的鋼材或超高強(qiáng)度鋼以確保安全性，其余部位則采用鋁合金、鎂合金等輕材料以實(shí)現(xiàn)車身整體輕量化[2]。因此，在焊裝這種車身結(jié)構(gòu)時(shí)，將必然涉及到鋁合金和鋼之間的異種材料連接。但是鋼與鋁合金的熱物理、冶金性能差異很大，焊接時(shí)不僅容易形成裂紋、未熔合等缺陷，且在接合界面極易生成金屬間化合物硬脆相，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能降低[3-4]。因此鋁合金與鋼異種金屬的優(yōu)質(zhì)、高效焊接是材料制造領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)難題。近年來，國內(nèi)外研究者采用多種固相焊方法研究鋼與鋁的焊接，如采用摩擦焊[5]、擴(kuò)散焊[6]、攪拌摩擦焊[7]等。雖然采用固相焊接技術(shù)焊接異種材料能夠抑制界面金屬金屬間化合物的形成，可以提高接頭性能，但是其應(yīng)用受到焊件形狀、尺存和設(shè)備容量的限制。為了解決鋁合金與鋼異種金屬連接技術(shù)難題，探討、開發(fā)新型異種材料焊接技術(shù)是非常必要的。

激光焊接是一種高能密度熔焊方法，具有效率高、變形小、接頭質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)深熔焊、高速焊及遠(yuǎn)程焊，是將來可取代電阻點(diǎn)焊用于汽車車身焊裝的一種焊接方法。與傳統(tǒng)熔化焊一樣，采用小孔激光焊焊接鋁合金與鋼時(shí)，由于冶金反應(yīng)是發(fā)生在液態(tài)鋁合金與液態(tài)鋼之間，在接合界面生成大量脆性相并有裂紋產(chǎn)生致使接頭性能不高[8-9]。最近，在激光熱傳導(dǎo)焊接方法基礎(chǔ)之上研發(fā)出了一種名為“離焦激光焊”的新型焊接技術(shù)。采用這種新型焊接方法焊接鋁合金與鋼時(shí)界面反應(yīng)發(fā)生在液態(tài)鋁合金和固態(tài)鋼之間，從而抑制了界面金屬件化合物的生長，進(jìn)而改善了接頭性能。在此介紹這一新型焊接技術(shù)，并就其在鋁合金/鋼異種材料接合上的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

1 鋼/鋁焊接存在的難點(diǎn)

鋼/鋁焊接存在一定困難，兩者焊接難以獲得優(yōu)良焊縫，其根源主要是鋼、鋁及鋁合金材料中的主要元素Fe和Al的物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、晶格參數(shù)、組織結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)。兩者在密度、熔沸點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等物理參數(shù)上相差懸殊，如表1所示[10]。懸殊較大的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)使焊接過程中接頭處變形嚴(yán)重，并且存在很大的焊接應(yīng)力，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；Fe、Al晶格結(jié)構(gòu)上存在較大差異，如表2所示[11]。Fe與Al之間相互固溶能力差，易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金屬間化合物，導(dǎo)致焊接接頭塑韌性降低。另外，焊接過程中Al母材表面形成難熔的Al2O3氧化膜，并且熔池溫度越高，表面氧化膜越厚。這種氧化膜既能形成焊縫夾渣，又直接影響焊縫金屬的熔合，導(dǎo)致焊縫塑性差、承載能力低、抗沖擊能力差。

2 鋁合金與鋼的離焦激光焊技術(shù)

激光焊接是利用具有高能量密度的激光照射于待焊接的部位，通過工件吸收激光獲得能量來加熱材料至熔化，待材料在液態(tài)下相互混合、冷卻凝固后形成熔合焊縫。根據(jù)材料表面被照射的光功率密度或材料中是否形成小孔，將激光焊接分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊接。激光熱傳導(dǎo)焊接是金屬表面受激光照射并吸收能量后局部升溫形成溫度場，熱量按照固體材料的熱傳導(dǎo)學(xué)理論向材料內(nèi)部擴(kuò)散，以此來熔化被焊接的兩構(gòu)件。

表1 Fe、Al的物理化學(xué)性能參數(shù)

表2 Fe、Al的晶格常數(shù)

界面金屬間化合物的生長與原子在界面的擴(kuò)散有關(guān)[12-13]。鑒于原子在液/液界面的擴(kuò)散速率大于固/液界面的[14]，在激光熱傳導(dǎo)焊接基礎(chǔ)之上研發(fā)出了離焦激光焊。離焦激光焊是利用鋁合金和鋼熔點(diǎn)的差異，通過調(diào)整離焦量對(duì)焊接熱輸入進(jìn)行精確控制，保證高熔點(diǎn)的鋼在不發(fā)生熔化的前提下使低熔點(diǎn)的鋁合金熔化，熔化的鋁合金與固態(tài)的鋼發(fā)生固液界面反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)連接。

鋁合金與鋼異種材料離焦激光焊接時(shí)，將高熔點(diǎn)的鋼置于低熔點(diǎn)的鋁合金之上進(jìn)行搭接（見圖1a），激光束對(duì)鋼板照射。通過調(diào)整離焦量df，控制界面溫度使靠近界面的鋼不發(fā)生熔化，而靠近界面的鋁合金利用傳導(dǎo)熱發(fā)生熔化，達(dá)到圖1b所示的固液界面反應(yīng)，凝固后實(shí)現(xiàn)連接。

3 鋁合金與鋼的離焦激光焊研究現(xiàn)狀

日本長崗技術(shù)科學(xué)大學(xué)的宮下幸雄等人基于非定常熱傳導(dǎo)利用境界要素法對(duì)鋁合金與鋼異種材料激光焊接合界面溫度分布進(jìn)行了解析，解析結(jié)果如圖2所示[15]。由圖2可知，在不同激光輸出功率條件下界面附近溫度分布與焊接速度有關(guān)。通過調(diào)整焊接速度改變界面溫度，以致界面溫度達(dá)到鋁合金和鋼兩種材料熔點(diǎn)之間（圖2兩條虛線之間），從而使界面冶金反應(yīng)為固/液反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)控制界面脆性相的生成和提高接頭性能。研究結(jié)果為高鋁合金與鋼異種材料離焦激光焊提供了理論依據(jù)。

圖1 鋁合金/鋼離焦激光焊原理示意和斷面示意

圖2 鋁合金/鋼激光焊界面溫度分布解析結(jié)果

為了進(jìn)一步改善鋁合金/鋼離焦激光焊接頭性能，可以通過選用不同材質(zhì)的墊砧來改變熱流方向，進(jìn)而優(yōu)化界面特性。Ti、S45C鋼、Cu墊砧以及不采用墊砧焊接獲得鋁合金/鋼接頭界面反應(yīng)層厚度如圖3所示。結(jié)果顯示采用導(dǎo)熱性高的Cu墊砧獲得接頭界面反應(yīng)層厚度較薄[14]。

圖3 鋁合金/鋼離焦激光焊接頭界面反應(yīng)層厚度與焊接速度、墊砧材質(zhì)的關(guān)系

采用導(dǎo)熱性高的材質(zhì)作為墊砧雖然能夠增加冷卻速度、抑制界面反應(yīng)層生長、改善接頭性能，但是由于冷卻速度過大、熱流改變太過靈敏，采用Cu質(zhì)墊砧時(shí)鋁合金與鋼異種材料離焦激光焊的可焊范圍較窄、焊接窗口較小（解析結(jié)果如圖4所示）。因此，有關(guān)界面反應(yīng)層的抑制與可焊范圍之間平衡協(xié)調(diào)還需進(jìn)一步工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 采用不同材質(zhì)墊砧時(shí)鋁合金與鋼離焦激光焊焊接窗口

東京工業(yè)大學(xué)的熊井等人通過工藝性實(shí)驗(yàn)，對(duì)1.2 mm厚的鋁合金A6111與1.0 mm厚的低碳鋼SPCC的離焦激光焊接頭界面微觀特性和力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究[16-17]。研究結(jié)果顯示，通過調(diào)整離焦量不僅能夠控制鋁合金、鋼側(cè)兩個(gè)熔池尺度，還可抑制界面反應(yīng)層的生長。如表3所示，增大離焦量可以抑制界面反應(yīng)層的生長，這是由于離焦量的增大致使激光能量密度減小。但是增大離焦量也會(huì)導(dǎo)致光斑直徑增大，進(jìn)而造成鋼、鋁合金側(cè)熔池寬度增大；雖然鋼側(cè)熔池最大深度沒有變化，仍能保證界面反應(yīng)處于液固反應(yīng)，但鋁合金側(cè)熔池最大深度卻急劇增大，甚至熔透。離焦量變化所致的熔池尺度變化對(duì)接頭性能影響仍有待進(jìn)一步深入研究。

表3 A6111/SPCC離焦激光焊接頭熔池及界面反應(yīng)層厚度與離焦量的關(guān)系

調(diào)整工藝參數(shù)能夠獲得厚度不同的界面反應(yīng)層。反應(yīng)層厚度、寬度與接頭強(qiáng)度關(guān)系如圖5所示[16]。從中可知，只有獲得薄而窄的界面反應(yīng)層才能改善接頭強(qiáng)度。這一成果給今后研究提供了參考。

圖5 工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響

4 結(jié)論

鋼與鋁焊接的主要問題是兩者熔點(diǎn)差異大、熱物理性能差異大。焊接區(qū)極易生成金屬間化合物脆硬相，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能降低。離焦激光焊焊接過程通過調(diào)整焊接速度、輸出功率、墊砧材質(zhì)以及離焦量精密控制熱輸入使靠近界面的鋁合金熔化、而靠近界面的鋼則仍保持固態(tài)，保證界面反應(yīng)為液固反應(yīng)，可以獲得可靠的鋼與鋁接頭性能。與其他焊接方法相比，離焦激光焊具有高效節(jié)能、靈活方便的特點(diǎn)將會(huì)受到越來越多的重視。

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