宋新華，金湘中，袁 江，張明軍，宋 斌，馮斌華

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院航空制造工程系，張家界427000；2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙410082）

激光深熔釬焊車用鋁／鋼異種金屬試驗研究

宋新華1，2，金湘中2*，袁 江1，2，張明軍2，宋 斌1，馮斌華1

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院航空制造工程系，張家界427000；2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙410082）

為了實現車用鋁／鋼異種金屬良好連接，采用光纖激光對車用鋁合金與鍍鋅鋼對接接頭進行了激光深熔填絲釬焊工藝試驗，并對焊縫接頭的成形、界面金屬間化合物層，以及力學性能進行了分析。結果表明，鋁合金一側是激光深熔焊接接頭，而鍍鋅鋼一側是釬焊接頭；在鍍鋅鋼與釬焊縫中間界面存在金屬間化合物層，厚度小于10μm；金屬間化合物主要為Al7.2Fe2Si和（Al，Si）13Fe4；拉伸試樣主要斷裂于鋁合金熱影響區(qū)處，平均抗拉強度為145MPa；接頭的斷裂方式主要是韌窩斷裂。

激光技術；激光深熔釬焊；鋁合金；鍍鋅鋼；金屬間化合物

引 言

由于各項節(jié)能減排政策的出臺，汽車制造商必將減低汽車車身燃油消耗，車身輕量化可以實現這一目標。采用鋁合金材料代替鋼材是汽車車身輕量化的重要途徑之一。然而，鋁合金與鋼材異種金屬的連接仍是一大技術難題。這是由于鋁合金與鋼兩者的物理性能（如熔點、熱膨脹系數等）相差懸殊，更重要的是，在室溫下鐵在鋁中的溶解度幾乎為0，從而導致脆性Fe-Al金屬間化合物的產生［1］。

常用鋁／鋼異種金屬連接方法有固相連接、反應濕潤連接或激光焊接。其中固相連接包括擴散焊、摩擦焊和攪拌摩擦焊，連接過程中鋁合金和鋼都處于固態(tài)，避免了鋁與鋼直接混合，有效抑制了Fe-Al金屬間化合物的形成［2］。典型焊接方法如弧焊、電阻電焊和釬焊，用來固態(tài)鋼與液態(tài)鋁的連接。由于激光焊接具有極高的能量密度、焊接速率快和加熱時間短等優(yōu)勢［3］，因此，鋁／鋼異種金屬激光焊接工藝成為國內外學者研究的熱點［4-12］。鋁／鋼異種金屬激光焊接工藝主要包括激光深熔焊接［3-7］、激光深熔釬焊［8-9］和激光熔釬焊接［10-12］。單純激光深熔焊接時液態(tài)鋼與液態(tài)鋁的混合短時間難以精確控制，容易產生Fe-Al金屬間化合物［3］；激光深熔釬焊由于沒有填充釬焊材料，工業(yè)上難以獲得均勻的熔釬焊縫且對接間隙難以精確保證；激光熔釬焊接往往需要開設一定形狀的坡口，方可獲得成形良好的焊縫［12］。

本文中采用激光深熔填絲釬焊方法，實現了車用鋁合金和鍍鋅鋼異種金屬對接接頭的優(yōu)質連接，并對焊縫的成形、界面金屬間化合物層，以及力學性能進行了分析。

1 試驗方法

試驗材料為車用6016鋁合金和H220YD＋ZF鍍鋅鋼板，厚度分別為1.15mm和1.2mm，鍍鋅鋼板雙面鍍鋅層厚度各約為10μm；填充焊絲為ER4043，直徑為1.2mm，熔點為650℃。試驗材料的化學成分如表1所示。試驗中采用IPG光子公司生產的YLR-4000光纖激光器，操作光纖芯徑為300μm，準直焦距為150mm，聚焦焦距為200mm，獲得聚焦光斑直徑為0.4mm。試驗時將激光束沿焊接方向前傾10°入射，送絲角度為35°，同軸保護氣體為氬氣，試驗裝置示意圖如圖1所示。試驗前用細砂紙打磨去除鋁合金表面氧化膜，并用丙酮去除表面的油污，在鍍鋅鋼對接邊及上下表面涂覆一層薄的KAlF4焊劑。試驗工藝參量規(guī)范為：激光功率為2600W，焊接速率為1m／min，送絲速率為2.22m／min，離焦量為5mm，同軸Ar保護氣流量為16L／min。

根據國家標準GB228-2002，采用線切割方法將已焊試件切割成標準拉伸試樣，如圖2所示（圖中R為曲率半徑，F為拉伸時的拉力）。打磨線切割邊后，在WDW-100微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉力加載速率為1.0mm／min。同時，用砂紙對線切割所得焊縫橫截面進行打磨與拋光處理，然后分別用凱勒試劑和硝酸酒精溶液對鋁合金和鍍鋅鋼進行腐蝕處理，在XTZ-10ST視頻顯微鏡下觀察焊縫橫截面；采用MM-6臥式金相顯微鏡對接頭進行金相組織觀察分析；采用QUANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡（environment scanning electron microscope，ESEM）及其配備的能譜儀（energy disperse spectroscopy，EDS）和Bruker D8 ADVANCE X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）對接頭顯微結構和界面層化學成分進行分析；采用HXD-10007顯微硬度計，對焊縫接頭的顯微硬度進行測試。

Table1 Chemical compositions of galvanized steel，aluminum and fillerwire

Fig.1 Schematic illustration experimental set-up

Fig.2 Schematic illustration of tensile testing sample

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫成形特點

采用激光深熔填絲釬焊方法可以實現鋁合金與鍍鋅鋼對接接頭熔釬焊連接。圖3為鋁合金與鍍鋅鋼板激光深熔填絲釬焊對接接頭成形照片。由右圖可知，在鋁合金一側獲得了成形飽滿的激光深熔焊接頭，主要由熔焊焊縫、熱影響區(qū)及鋁合金母材組成；在鍍鋅鋼一側，填充焊絲釬料在鍍鋅鋼對接端面和上下表面實現了良好的鋪展浸潤效應，獲得了上下均勻連接的釬焊接頭，主要由釬焊縫、連接界面以及鍍鋅鋼母材組成。

Fig.3 Cross-section of laser deep penetration welding-brazing Al／steel joint

2.2 界面金屬間化合物層顯微結構與成分分析

圖4為鍍鋅鋼與釬焊縫界面層的SEM背散射電子圖像，其中圖4a～圖4d分別對應圖3中方框標示的A～D區(qū)域。由圖4可知，每個釬焊界面都有一層薄的中間金屬間化合物層，厚度各不相同。鍍鋅鋼上表面與釬焊縫界面層厚度較均勻，厚度約為2.5μm，如圖4a所示；鍍鋅鋼對接表面與釬焊縫界面層上部，靠近上表面界面層較厚，厚度約為10μm，如圖4b所示；靠近焊縫下表面，鍍鋅鋼與釬料界面擴散效應較均勻，界面層厚度也較均勻一致，厚度約為5μm，如圖4c所示。液態(tài)釬料在鍍鋅鋼下表面的鋪展浸潤也較均勻，且界面層厚度較上表面的薄，厚度約1.5μm。相關研究表明，接頭中Fe-Al金屬間化合物層厚度的臨界值為10μm［13］。顯然，對于鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔填絲熔釬焊接頭，釬焊界面處生成的Fe-Al金屬間化合物層厚度可以控制在10μm以內，以致對接頭力學性能不會產生顯著影響。

為了獲得鋁合金與鍍鋅鋼深熔釬焊接頭釬焊界面處金屬化合物層的元素組分和物相組成，對接頭釬焊界面進行了EDS點掃描分析和XRD檢測分析。表2所示為圖4a～圖4d中所標示的各點的EDS分析結果。由表2可知，Al元素和Fe元素在鍍鋅鋼與釬焊縫界面處有一個漸變過程，這是熔釬焊過程中兩種元素相互擴散的結果。根據各元素成分的比例，可以推測靠近釬焊縫處可能存在τ5-Al7.2Fe2Si，這是由于填充焊絲中存在一定量的Si元素（質量分數為0.05），且Al-Fe-Si三元合金較Al-Fe二元合金生長能量小［14］，從而τ5-Al7.2Fe2Si最先在釬焊界面形成。初生相τ5-Al7.2Fe2Si的形成一定程度上防止了液態(tài)鋁與固態(tài)鋼的直接接觸反應。隨著焊接過程的進行，高溫液態(tài)釬料侵蝕初生相層，最終Al原子擴散到微量熔化的Fe基體而形成Fe-Al金屬間化合物。根據EDS分析可以初步確定θ-（Al，Si）13Fe4在鍍鋅鋼與釬焊縫界面生成。

Fig.4 Backscatter electron imaging of galvanized steel／brazing seam interfacial layer in Fig.3a—A zone b—B zone c—C zone d—D zone

圖5 為斷裂發(fā)生在釬焊界面的斷裂面XRD檢測分析結果，由圖中的衍射峰可以看出，接頭釬焊界面Al-Fe金屬間化合物相主要有θ-（Al，Si）13Fe4和τ5-Al7.2Fe2Si兩種。

Table 2 EDS analysis results of interfacial layer pointed in Fig.4

Fig.5 X-ray diffraction profile of the fracture plane in steel side

2.3 接頭的力學性能

取相同參量下鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔釬焊試件5組，先后測試焊縫接頭鍍鋅鋼與釬焊縫界面處的顯微硬度，加載載荷為300mN，保持時間為15s，其平均顯微硬度值分布曲線如圖6所示。由圖可知，釬焊縫和鍍鋅鋼基體的顯微硬度分別為53.5HV和480HV。然而，釬焊縫和鍍鋅鋼界面處顯微硬度值陡然增大，這是由于界面處生成了硬度極大的金屬間化合物。具體地，靠近釬焊縫的平均顯微硬度值為1030HV～1080HV，對應于τ5-Al7.2Fe2Si相金屬間化合物；靠近鍍鋅鋼一側平均顯微硬度值為800HV～830HV，對應于θ-（Al，Si）13Fe4相金屬間化合物［15］。

Fig.6 Microhardness distribution across the interface between galvanized steel and brazing seam

Fig.7 Tensile specimen fractured at heat affected zone of aluminum alloya—macroscopic view b—SEM fractography

取相同參量下鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔釬焊試件5組，先后進行拉伸試驗。結果發(fā)現，拉伸試樣主要斷裂于鋁合金熱影響區(qū)處，可見較明顯的“縮頸”現象，如圖7a所示。平均抗拉強度為145MPa。圖7b所示SEM觀察拉伸斷口形貌顯示，斷口主要以韌窩狀微觀形貌為主，屬于韌窩斷裂。

3 結 論

（1）采用激光深熔填絲釬焊方法實現了車用鋁合金與鍍鋅鋼對接焊接，鍍鋅鋼一側釬焊縫成形均勻。

（2）鍍鋅鋼與釬焊縫中間接合界面存在金屬間化合物層，填充焊絲中Si元素在一定程度上限制了金屬間化合物的生長，金屬間化合物層厚度小于10μm。

（3）鍍鋅鋼與釬焊縫界面形成的金屬間化合物主要為Al7.2Fe2Si和（Al，Si）13Fe4。

（4）鋁合金與鍍鋅鋼激光深熔填絲釬接頭拉伸試樣主要斷裂于鋁合金熱影響區(qū)處，平均抗拉強度為145MPa；拉伸斷裂方式主要是韌窩斷裂。

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Experimental investigation of laser deep penetration welding-brazing of automotive alum inum／steel galvanized metal

SONG Xinhua1，2，JIN Xiangzhong2，YUAN Jiang1，2，ZHANGMingjun2，SONG Bin1，FENG Binhua1
（1.Department of Aerospace Engineering，Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering，Zhangjiajie 427000，China；2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

In order to achieve good automotive joining of aluminum／steel dissimilar metals，the experiments of butt joining aluminum alloy to galvanized steelwere carried outby laser deep penetration welding-brazingwith a fiber laser.The seam appearance，the intermetallic composition layer as well as themechanical properties of the jointswere analyzed.The results show that a typical deep penetration welding seam is formed on the aluminum alloy side，while a brazed seam is generated on the solid galvanized steel side.There is a thin layer of the intermetallic composition on the interface between the galvanized steel and the brazed seam，which is less than 10μm.Themain intermetallic compositions were Al7.2Fe2Si and（Al，Si）13Fe4.The tensile sampleswere fractured at the heat affected zone of the aluminum alloy.The average tensile strength of the joint is 145MPa.The fracturemode of the joint is ductile fracture.

laser technique；laser deep penetration welding-brazing；aluminum alloy；galvanized steel；intermetallic composition

TG456.7

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.012

1001-3806（2014）03-0342-05

國家自然科學基金資助項目（50875079）；湖南省自然科學基金資助項目（09JJ3088）

宋新華（1980-），男，碩士，研究方向為激光焊接技術。

*通訊聯系人。E-mail：jin9000xz＠hotmail.com

2013-08-16；

2013-09-02