盧源志，劉金水，周惦武，譚 哲，賈 驍，胡林西

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雙相鋼/鋁合金激光搭接焊添加Mn粉的作用

盧源志1, 2，劉金水1, 2，周惦武1，譚 哲1, 2，賈 驍1，胡林西1

(1. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2. 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082)

通過雙相鋼/鋁合金有無添加Mn粉激光焊接的對比，揭示鋼上、鋁下激光搭接焊時Mn粉的作用。對焊接過程進(jìn)行金屬蒸氣/等離子體形貌分析及光譜采集，發(fā)現(xiàn)添加Mn粉激光焊接時，金屬蒸氣/等離子體顏色明亮，光譜相對強(qiáng)度和金屬蒸氣/等離子體的電子密度增加；焊縫EDS分析發(fā)現(xiàn)，添加Mn粉時，熔池內(nèi)部Fe、Al混合寬度減小，鋁側(cè)熔池兩側(cè)的Al含量增多；剪切試驗發(fā)現(xiàn)，添加Mn粉焊接接頭的平均抗剪強(qiáng)度提高，斷口呈現(xiàn)混合斷裂特征。由于添加Mn粉加快鋼/鋁層間熱量傳遞，受熱分解產(chǎn)生的金屬蒸氣在排出過程中，產(chǎn)生強(qiáng)烈向下的反沖作用力，使下層鋁合金板材中的焊接匙孔加深，同時，金屬蒸氣改善下層鋁合金的高反射率狀況，促進(jìn)鋁合金吸收激光能量，導(dǎo)致焊接熔深增加。此外，熔池流動行為發(fā)生改變，下層Al向上層鋼側(cè)的擴(kuò)散受到抑制，熔融態(tài)Al向熔寬兩側(cè)遷移，在減弱熔池內(nèi)部Fe、Al混合程度、降低鋼/鋁界面Fe-Al化合物層厚度的同時，上、下板結(jié)合處的焊接熔寬加大，因此添加Mn粉改善鋼/鋁焊接接頭的力學(xué)性能。

激光搭接焊；鋼/鋁異種金屬；Mn粉；焊縫成形

雙相鋼具有較低的屈強(qiáng)比、較高的初始加工硬化速率以及良好強(qiáng)度和延性配合等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代汽車為實現(xiàn)減輕自質(zhì)量首選的鋼種之一[1?2]。雙相鋼在汽車上的應(yīng)用必然涉及與其他金屬的連接問題，其中之一就是鋼與鋁的連接[3?5]。研究發(fā)現(xiàn)，激光焊接過程中添加合金元素粉末，可改善焊縫成形、冶金性能與焊縫組織，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，添加粉末激光焊接成為鋼/鋁理想的連接方法[6?10]，如添加Sn，提高熔池的流動性，促進(jìn)鋼/鋁界面結(jié)合[11]；添加Ni，抑制Fe-Al化合物的形成，增強(qiáng)焊接接頭韌性[12]；添加Mg、Zn、Si、Mn、B、Al，減小鋁/鋼界面層厚度，改善接頭性能[13]。本文作者課題組近期對雙相鋼/鋁合金進(jìn)行激光焊接，發(fā)現(xiàn)雙相鋼中除Fe元素外，Mn元素發(fā)生燒損，Mn元素?zé)龘p對鋼/鋁接頭性能產(chǎn)生重要影響[14]，為探索鋼/鋁新的連接方法，本實驗中選取汽車車身用DP590雙相鋼與6016鋁合金作為研究對象，進(jìn)行鋼上鋁下搭接、鋼/鋁層間添加Mn粉的激光焊接試驗，比較分析金屬蒸氣/等離子體形貌、焊接光譜、焊縫成形、抗剪強(qiáng)度及界面顯微組織等試驗結(jié)果，揭示雙相鋼/鋁合金激光搭接焊時添加Mn粉對焊接過程的作用及Mn粉改善焊接接頭性能的作用機(jī)理。研究結(jié)果為車用雙相鋼/鋁合金的優(yōu)質(zhì)焊接提供一種新的研究思路，并為推進(jìn)汽車輕量化提供重要理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

1 實驗

試驗材料采用DP590雙相鋼和6016鋁合金，雙相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ,下同)為C 0.15，Si 0.60，Mn 2.50，S 0.015，P 0.04，F(xiàn)e余量，6016鋁合金的化學(xué)成分為Si 1.0~1.5，Cu 0.2，Mn 0.2， Mg 0.25~0.6，F(xiàn)e 0.5，Al余量。焊接光譜與焊縫成形試驗采用雙相鋼和鋁合金的板料尺寸分別為1.4 mm×100 mm×30 mm和1.2 mm×100 mm×30 mm。剪切試驗采用標(biāo)準(zhǔn)剪切試樣。

試驗前用砂紙打磨以去除鋁合金表面的氧化層，用丙酮清洗試樣以去除表面油污?？紤]到鋁合金反射率高，將雙相鋼板置于鋁合金上側(cè)進(jìn)行搭接焊實驗。雙相鋼/鋁合金層間添加Mn粉時，用丙酮調(diào)和并均勻涂敷到經(jīng)表面清理后的6016鋁合金試板上，涂抹尺寸為0.04 mm×30 mm×30 mm，待其干燥后，將其與雙相鋼板組合成搭接接頭，采用氬氣為保護(hù)氣體，雙相鋼鋁合金塔接激光焊示意圖如圖1所示。通過調(diào)整焊接參數(shù)以獲得最佳焊接成形，本實驗中所述有無添加Mn粉激光焊接金屬蒸氣/等離子體形貌同步拍攝與焊接光譜試驗，經(jīng)調(diào)整優(yōu)化的工藝參數(shù)均為：激光功率2 kW，焊接速度50 mm/s，離焦量+2 mm，Ar為保護(hù)氣體，流量為15 L/min。

圖1 雙相鋼/鋁合金搭接激光焊示意圖

焊接試驗采用YLS-4000-CL型光纖激光器，最大輸出功率4 kW，激光波長1070 nm，連續(xù)輸出的激光模式為TEM00，拋物反射鏡聚焦，焦距鏡長200 mm；焦斑直徑0.4 mm；光束發(fā)散角小于0.15 rad；金屬蒸 汽/等離子體形貌同步拍攝采用FASTCAM SA4的Photron高速攝像機(jī)，高速攝像機(jī)放置在可調(diào)節(jié)高度的支架上，鏡頭離觀測位置約1 m，借助人工輔助照明源并對其調(diào)整使其照射在上層雙相鋼板表面，保證燈光覆蓋激光束聚焦到鋼板光斑的整個范圍，以清晰完整地記錄焊接過程；焊接光譜試驗采用HR2000+型光譜儀，將光纖探測頭借助固定裝置水平固定在一定位置，光纖探測頭離觀測位置的距離約0.3 m，保證光纖探測頭能準(zhǔn)確接收金屬蒸氣/等離子體信號，而光纖探測頭和光譜儀通過光纖相連，在取放和使用光纖時不超過其彎曲半徑，以防止光纖遭到損壞。光譜儀通過數(shù)據(jù)線與電腦連接，若光譜信號太強(qiáng)而無法正常采集時，在光譜儀和光纖探頭之間增加衰減器，光譜采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光譜采集系統(tǒng)示意圖

本實驗是在熔池表面上方3 mm處對有無添加Mn粉激光焊接的金屬蒸氣/等離子體形貌進(jìn)行同步拍攝及對金屬蒸氣/等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行采集，高速攝像機(jī)的拍攝速度為1×104幀/s，每兩張圖片之間的時間間隔為0.1 ms?？紤]試驗中采集金屬蒸氣/等離子體形貌的數(shù)量較多，本實驗中選取403.3~405.4 ms 時間段的金屬蒸氣/等離子體形貌進(jìn)行觀察分析，拍攝照片選取的時間間隔為0.3 ms。

采用XJG?05型臥式金相顯微鏡觀察鋼/鋁焊縫顯微組織；采用配有能譜儀(EDS)的FEI Quanta200 掃描電鏡分析鋼/鋁焊縫熔池及界面的元素分布和剪切試樣斷口形貌；采用D500X射線衍射儀(XRD)分析焊接接頭的主要物相；在Css?225型電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行剪切試驗，每組取3個試樣計算平均值作為剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度用剪切力與橫截面積的比值來進(jìn)行計算，橫截面積取上、下板結(jié)合處實際熔寬與標(biāo)準(zhǔn)剪切試樣的寬的乘積，比較試驗結(jié)果并觀察斷裂位置。

2 結(jié)果與分析

2.1 金屬蒸氣/等離子體形貌與焊接元素特征譜線

圖3所示為添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金激光焊接同步拍攝的金屬蒸氣/等離子體形貌。由圖3(a)可看出，當(dāng)未添加Mn粉，焊接時小孔上方形成的金屬蒸氣/等離子體垂直于激光方向。而由圖3(b)可見，當(dāng)添加Mn粉時，由于Mn的沸點低于Fe和Al的沸點，在高能量密度激光的作用下，Mn在熔池內(nèi)分解產(chǎn)生金屬蒸氣，導(dǎo)致小孔內(nèi)蒸氣壓力迅速加大，從熔池排出，導(dǎo)致小孔上方金屬蒸氣/等離子體的顏色變得明亮。

圖3 雙相鋼/鋁合金激光焊接金屬蒸氣/等離子體形貌

圖4所示為添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金激光焊接元素特征譜線圖。由圖4可以看出，金屬蒸氣/等離子體光譜為連續(xù)譜上疊加的一系列分立譜線。由圖4(a)和(b)可見，當(dāng)波長為526.89 nm時，光譜相對強(qiáng)度最大值分別為13558.38和15906.92，進(jìn)一步分析515~550 nm波長范圍內(nèi)元素特征譜線(見圖5)，主要為Fe元素及少量Mn元素。在元素特征譜線中，光譜相對強(qiáng)度最高為FeⅠ526.89，其他為FeⅠ516.74、FeⅡ520.56、FeⅠ522.67、FeⅠ532.79、FeⅡ537.08、FeⅡ539.6、MnⅠ540.49和FeⅠ544.67，對比觀察波峰峰值，發(fā)現(xiàn)添加Mn粉雙相鋼/鋁合金激光焊接元素光譜相對強(qiáng)度高于未添加Mn粉雙相鋼/鋁合金激光焊接的相對強(qiáng)度。

圖4 鋼/鋁激光焊接元素特征譜線

圖5 515~550 nm鋼/鋁激光焊接元素特征譜線

以FeⅠ526.89峰值位置附近的光譜數(shù)據(jù)點測量譜線展寬，計算激光焊接金屬蒸氣/等離子體的電子密度。輻射原子在周圍電子和離子的擾動作用下引起的譜線Stark加寬主要譜線線型為Lorentzian型，Lorentzian函數(shù)的表達(dá)式為

式中：表示譜線半高全寬；c表示中心波長；0表示背景發(fā)射；表示譜線積分面積。

本實驗中采用Lorentzian函數(shù)擬合有無Mn粉添加雙相鋼/鋁合金激光焊接兩種條件下Fe ? 526.89峰值位置附近的元素特征譜線，結(jié)果如圖6所示。擬合時選取一定時間間隔的5組試驗數(shù)據(jù)取平均值得到添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金激光焊譜線半高全寬分別為0.20665和0.21467 nm。根據(jù)Stark譜線展寬理論，對中性原子和其一次電離的離子的分離譜線而言，譜線加寬主要是電子碰撞引起的，因此，可以通過式(2)計算焊接等離子體的電子密度：

式中：e是電子密度，cm?3；是譜線半高全寬；是電子碰撞展寬。由于焊接過程中，金屬蒸氣/等離子體發(fā)射譜線的半高全寬可近似認(rèn)為譜線Stark展寬[15]，由式(2)可得到，添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金激光焊試件上方的金屬蒸氣/等離子體電子密度分別為1.96×1017和2.03×1017cm?3。通常焊接條件下，金屬蒸氣/等離子體電子密度與金屬蒸氣/等離子體粒子密度成對應(yīng)關(guān)系，因此，添加Mn粉，熔池上方焊接金屬蒸氣密度增加，焊縫逸出更多的Fe粒子和Mn粒子。

圖6 譜線擬合結(jié)果

2.2 焊縫顯微形貌及EDS分析

圖7所示為添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金激光焊接焊縫形貌。由圖7可以看出，焊接試樣的焊縫成形性良好，沒有裂紋和氣孔等明顯缺陷產(chǎn)生，熔池上寬下窄，深寬比大，有明顯的“匙孔”指狀特征，焊接方式為典型的激光深熔焊；與未添加Mn粉比較，添加Mn粉焊縫熔深增加。

圖7 雙相鋼/鋁合金焊接接頭顯微組織

圖8所示為添加Mn前后雙相鋼/鋁合金焊接接頭元素線掃描結(jié)果。當(dāng)未添加Mn粉時，上側(cè)鋼熔池內(nèi)部Fe、Al變化劇烈，Al存在焊縫中心區(qū)域，Al元素分布寬度較寬，F(xiàn)e、Al相互混合，寬度約400 μm(見圖8(c))；下側(cè)鋁熔池內(nèi)部Fe、Al變化不明顯(見圖8(d))。當(dāng)添加Mn粉后，上側(cè)鋼熔池內(nèi)部Fe、Al變化平穩(wěn)，混合寬度約150 μm，Al存在焊縫中心區(qū)域，但相對未添加Mn粉時，Al元素分布寬度顯著減少(見圖8(e))；下側(cè)鋁熔池內(nèi)部Fe、Al變化也不明顯，但與未添加Mn粉相比，鋁熔池中Al元素分布寬度增大(見圖8(f))?？梢姡琈n粉的添加對下層鋁進(jìn)入到上層鋼起阻擾作用，較少Al進(jìn)入到上層鋼中，導(dǎo)致上層Al的分布寬度減少，而僅存在焊縫中心區(qū)域。

圖8 雙相鋼/鋁合金焊接接頭不同區(qū)域的線掃描成分分析

圖9所示為雙相鋼/鋁合金界面Al元素的分布。由圖9可知，添加Mn粉后，下層鋁合金熔寬兩側(cè)熔融態(tài)Al含量增多(見圖9(b))，與3.1節(jié)元素特征譜線中未觀測到下層鋁合金中Al元素特征譜線以及圖8焊接接頭線掃描中下側(cè)鋁熔池Al元素分布寬度加大的分析結(jié)果相符。

圖9 雙相鋼/鋁合金焊接接頭Al元素分布

2.3 剪切性能與斷口形貌

對有無添加Mn粉雙相鋼/鋁合金激光焊接頭進(jìn)行剪切試驗，剪切實驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，未添加Mn粉時，焊接試樣的平均剪切強(qiáng)度為158.49 MPa；而添加Mn粉后，平均剪切強(qiáng)度提高，為163.84 MPa。圖10所示為有無添加Mn粉中間剪切強(qiáng)度焊接試樣的斷裂位置。由圖10可知，焊接試樣均從焊縫界面剝離。圖11所示為剪切試樣斷口處的微觀形貌。由圖11可見，未添加Mn粉時，微觀形貌為河流狀花樣，表現(xiàn)為脆性斷裂特征；而添加Mn粉后，微觀形貌為含有微量韌窩和少量的夾雜物，表現(xiàn)為混合斷裂特征。

表1 剪切實驗結(jié)果

圖10 雙相鋼/鋁合金激光焊接剪切試樣斷裂位置

圖11 雙相鋼/鋁合金激光焊接剪切試樣斷口形貌

2.4 鋼/鋁界面層的相結(jié)構(gòu)

圖12所示為添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金焊縫微觀組織SEM像。從圖12(c)可看出，未添加Mn粉時，雙相鋼/鋁合金界面層根部組織呈粗大的針狀，延伸方向參差不齊，厚度大約20 μm，界面層由3個部分組成。進(jìn)一步將界面層劃分、和3個區(qū)域，并進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域Fe元素富集，Al相對含量較少，區(qū)域Fe、Al元素的摩爾比接近1:1，區(qū)域 Fe、Al元素的摩爾比接近1:2，從Fe-Al相圖推測來看，和區(qū)域分別生成FeAl和FeAl2金屬間化合物。

圖12 鋼/鋁焊縫界面SEM像

與未添加Mn粉相比，當(dāng)添加Mn粉后，鋼/鋁界面層厚度減小，約12 μm(見圖12(d))，界面層由3個部分組成，將其分成、和3個區(qū)域，并進(jìn)行能譜分析，結(jié)果并入表2。發(fā)現(xiàn)區(qū)域Fe、Al元素的摩爾比接近3:2，區(qū)域Fe、Al元素的摩爾比接近1:2，區(qū)域 Fe、Al元素的摩爾比接近2:5，從Fe-Al相圖推測來看，區(qū)域生成Fe3Al2，區(qū)域生成FeAl2金屬間化合物，區(qū)域生成Fe2Al5金屬間化合物。

表2 圖12中雙相鋼/鋁合金焊接接頭的EDS分析

為進(jìn)一步確定焊接接頭的相結(jié)構(gòu)類型，對添加Mn粉前后雙相鋼/鋁合金激光焊接試樣進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖13所示。未添加Mn粉時，發(fā)現(xiàn)焊縫界面生成FeAl和FeAl2等金屬間化合物(見圖13(a))；添加Mn粉，焊縫界面生成Fe0.6Al0.4、FeAl2和Fe2Al5(見圖13(b))，與上述鋼/鋁合金界面層的能譜分析結(jié)果基本一致。

圖13 雙相鋼/鋁合金焊接接頭的XRD譜Fig. 13 XRD patterns of DP steel/aluminum alloy weld joint: (a) Without Mn powder; (b) With Mn powder

2.5 分析與討論

對有無添加Mn粉雙相鋼/鋁合金激光焊接而言，熱流密度均由激光能量決定，相同焊接參數(shù)條件下，雙相鋼下表面的溫度相同，而下層鋁合金表面的溫度主要受中間的空氣層或粉末層的影響。由于Mn的熱導(dǎo)率大于空氣的熱導(dǎo)率，激光焊接時，熔融狀態(tài)的上層雙相鋼不能向下層鋁合金傳遞熱量，但添加Mn粉時，上、下兩板由粉末層連接，兩板間熱量傳遞受阻現(xiàn)象得到改善，上層雙相鋼將熱量更快傳遞到下層鋁合金。此外，Mn的沸點低于Fe和Al的沸點，在高能量密度激光的作用下，Mn在熔池內(nèi)易發(fā)生分解，產(chǎn)生的金屬蒸氣在排出過程中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的向下反沖作用力，促使下層板材中的焊接小孔進(jìn)一步加深[16]；同時，金屬蒸氣還改善下層鋁合金的高反射率狀況，促進(jìn)鋁合金吸收更多激光能量，上述因素的疊加效應(yīng)大大提高下層鋁合金對激光能量的吸收，導(dǎo)致焊接熔深增加。此外，3.2節(jié)分析發(fā)現(xiàn)熔池流動行為發(fā)生改變，下層Al向上層鋼側(cè)的擴(kuò)散受到抑制，熔融態(tài)Al向鋁側(cè)熔池兩側(cè)遷移，在減弱熔池內(nèi)部Fe、Al的混合程度，降低鋼/鋁界面Fe-Al化合物的層厚度的同時，上、下板結(jié)合處的焊接熔寬加大，因此，添加Mn粉改善鋼/鋁焊接接頭的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1) 添加Mn粉增加試件對激光能量的吸收，金屬蒸氣/等離子體顏色明亮，光譜相對強(qiáng)度和金屬蒸氣/等離子體電子密度增加。

2) 添加Mn粉增加焊接熔深，提高焊接接頭的平均抗剪強(qiáng)度，斷口呈現(xiàn)混合斷裂特征。

3) 添加Mn粉加快鋼/鋁層間熱量傳遞，改變?nèi)鄢亓鲃有袨?，下層Al向上層鋼側(cè)的擴(kuò)散受到抑制，熔融態(tài)Al向熔寬兩側(cè)遷移，減弱熔池內(nèi)部Fe、Al的混合程度，降低鋼/鋁界面Fe-Al化合物的層厚度，因此，添加Mn粉改善鋼/鋁焊接接頭的力學(xué)性能。

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Laser lap welding joints in dual phase steel/aluminum alloy with Mn powder addition

LU Yuan-zhi1, 2, LIU Jin-shui1, 2, ZHOU Dian-wu1, TAN Zhe1, 2, JAI Xiao1, HU Lin-xi1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Through comparison analysis of the laser welding of dual phase steel to aluminum alloy with and without Mn powder addition, Mn powder effect on dissimilar metals in steel-on-aluminum overlap configuration were discussed. By collecting and analyzing the metallic vapor/plasma shape and welding spectra, it is found that the color of metallic vapor/plasma induced by laser welding with Mn powder addition is bright, the relative intensity of spectra and electron density of metallic vapor/plasma increases. In addition, the mixing of Fe and Al in the molten pool decreases based on EDS analysis of joints, however, the content of Al on both sides of weld width increases. The results of the shearing experiments show that the average shear strength of welded joint increases compared to that without powder addition, and the failure mode is a mixed fracture. The welding keyhole of the lower Al plates becomes deeper by the reversed impact during the discharge of steam due to the decompose of Mn powder. Meanwhile, heat transfer between steel and aluminum is speeded up, the metallic vapor can decrease the reflectivity and increase the laser energy absorption of the lower aluminum alloy, thus, increasing the depth of the welding joints. What’s more, the flow behavior of the molten pool changes, the molten Al removes to both side of the welding joint, which leads to the width increase of the welding joints, thus the diffusion from the lower Al to the upper steel side is suppressed, and the size of Fe-Al intermetallic compound in aluminum/steel interface is reduced. Therefore, it can improve the mechanical properties of steel/aluminum welding joint with Mn powder addition.

laser lap welding; steel/l alloy dissimilar metal; Mn powder; weld molding

Project(2012AA111802) supported by the National High Research Development Program of China

2016-01-25; Accepted date:2016-05-20

ZHOU Dian-wu; Tel: +86-13017297124; E-mail: ZDWe_mail@126.com

1004-0609(2016)-08-1632-09

TG457

A

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃重點資助項目(2012AA111802)

2016-01-25；

2016-05-20

周惦武，教授，博士；電話：13017297124；E-mail: ZDWe_mail@126.com

(編輯 龍懷中)