钢/铝异种金属添加粉末的激光焊接-有色金属在线

采用光纤激光器对1.4 mm厚DC51D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行添加Mn、Zr粉末的激光搭接焊试验，利用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等研究焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、断口形貌、主要物相与接头的力学性能。结果表明：在钢/铝激光焊中添加Mn、Zr粉末，焊接接头平均抗剪强度与没有添加粉末相比，有所提高，其中添加Zr粉末的提高效果明显；Mn、Zr粉末的添加改变了钢/铝界面的元素分布、物相组成及微观组织形态，添加Mn能提高熔池金属的流动性，利于钢/铝界面结合，而添加Zr，焊缝区晶粒细小，形成新的ZrFe_3.3Al_1.3韧性相，抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成。因此，添加Mn、Zr均改善了钢/铝焊接接头的力学性能。

关键词：

激光焊接；异种金属；金属间化合物；微观组织；力学性能；

中图分类号：TG113.26 　　文献标志码：A

Laser welding of steel/aluminum dissimilar metal with powder addition

ZHANG Li-juan, ZHOU Dian-wu, LIU Jin-shui, XU Shao-hua, QIAO Xiao-jie, LI Sheng

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The fiber laser welding test with Mn and Zr powder addition was carried out on the DC51D+ ZF galvanized steel with thickness of 1.4 mm and the 6016 aluminum alloy with thickness of 1.2 mm. By using optical microscopy, electron microscopic hardness, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and the tensile test, the microstructure, hardness, mechanical properties of joints, fracture morphology and the main phase of the welded joint region were studied. The results indicate that when Mn, Zr powders are added in steel/aluminum, the average shear strength of the welding sample is improved compared with that without power addition, and Zr is considered as the best power based on improved mechanical properties of joints. The element distribution, phase composition and microstructure of the steel/aluminum interface are changed due to Mn and Zr powders addition. When Mn powder is added in steel/aluminum, the fluidity of the molten pool metal is improved, which promotes the combination of the steel/aluminum interface, when Zr powder is added in steel/aluminum, fine grain is seen, and a new ductile intermetallic compound ZrFe_3.3Al_1.3 inhibits the generation of intermetallic compounds of Fe-Al, which can improve the mechanical properties of weld metal with Mn and Zr powder addition.

Key words: laser welding; dissimilar metal; intermetallic compound; microstructure; mechanical properties

汽车轻量化成为21世纪汽车技术的前沿和热点，大量轻质材料在车身上的使用对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。对汽车车身多材料结构而言，要求两种不同类型的材料(如钢/铝、铸铁/铝、铝/镁等)进行连接，对钢/铝异种金属而言，两者之间的固溶度很低，物理、化学性能差异较明显，极易反应生成Fe-Al脆性金属间化合物，从而严重影响焊接接头的力学性能^[1-2]。采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法对钢/铝进行焊接，可获得良好焊接接头，但这些方法共同的缺点是焊件形状受到限制^[3-4]。与常规熔焊相比，激光焊用激光束作焊接热源，具有能量密度高、热输入量小、热量集中、热源易控制、焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接变形小以及高效高自动化等诸多优点^[5]，是钢/铝理想的焊接方法，减少焊接区Fe-Al金属间化合物的脆性影响成为激光焊研究的重点和难点^[6-9]。钢/铝异种金属焊接易生成Fe-Al脆性金属间化合物，在激光焊接中添加粉末，通过改变钢/铝界面元素分布、物相组成及微观组织形态，可获得优质钢/铝焊接接头，添加粉末激光焊成为激光焊接技术的一个新的发展方向^[10]。由于Mn与Fe有亲和性，又与Al有一定的互溶性，利于钢/铝界面结合，而Zr细化晶粒，与Al和Fe形成韧性相，抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成^[11]，为此，本文作者选用Mn、Zr作为添加粉末，采用光纤激光器对1.4 mm厚的DC51D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚的6016铝合金平板试件进行激光搭接焊试验，利用卧式金相显微镜、维氏显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等研究焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、断口形貌、主要物相与接头力学性能，以期为异种金属激光焊接提供一种新的研究思路，为钢/铝异种金属结构激光焊接的推广应用提供重要理论和试验基础。

1 实验

实验采用光束质量高的光纤激光器作为焊接热源，激光器主要技术参数见表1。执行机构为ABB机器人。实验材料为DC51D+ZF镀锌钢和6016铝合金，其化学成分见表2，板料尺寸分别为1.4 mm×100 mm×30 mm和1.2 mm×100 mm×30 mm。焊前用丙酮清洗试样以去除表面油污，用砂纸打磨以去除铝合金表面的氧化层。考虑到铝合金反射率高，将镀锌钢板置于铝合金上侧进行搭接焊试验。添加Mn、Zr粉末时，用丙酮调和并均匀地涂敷到经表面清理后的6016铝合金试板上，待其干燥后，将其与镀锌钢板组合成钢板在上侧、铝板在下侧的搭接接头，添加的纯Mn或Zr粉末量均约为0.2 g，涂抹尺寸为0.02 mm× 40 mm×30 mm，激光束垂直入射到上侧钢板表面，采用氩气(Ar)对焊缝正面和背面同时进行保护。进行添加Mn、Zr粉末激光焊接试验以获得最佳焊缝表面成形性为目标，确定如表3所列的优化焊接工艺参数，添加粉末激光焊的示意图如图1所示。为对比分析添加Mn、Zr对焊接接头组织与性能的影响，文中所述未添加粉末的焊接工艺条件均与添加Mn、Zr粉末相同。焊后，用线切割将试样切割成标准剪切试样，如图2所示。将线切割后所得焊缝横截面进行打磨、抛光制成6 mm×8 mm的金相试样，用质量分数为4%的HNO₃溶液腐蚀试件，利用卧式金相显微镜观察钢/铝焊缝/母材的金相组织；利用维氏显微硬度仪测量焊缝/母材横截面上的硬度分布情况；采用FEI Quanta200电子扫描电镜自带能谱EDS检测分析焊缝元素混合区的宽度；采用西门子 D500 X射线能谱仪分析焊缝区的主要物相；利用微机控制电子万能试验机测试焊接试件的剪切强度；采用电子扫描电镜观察焊接试件的断口形貌，分析试件的断裂机制。

表1 激光器主要技术参数

Table 1 Main technical parameters of laser

表2 DC51D+ZF镀锌钢和6016铝合金的化学成分

Table 2 Chemical compositions of DC51D+ZF Zn-coated steel and 6016 Al alloy

表3 优化的激光焊接工艺参数

Table 3 Optimized process parameters of laser welding

图1 钢/铝激光焊接示意图

Fig. 1 Schematic diagram of steel/aluminum laser welding

图2 剪切试样示意图

Fig. 2 Schematic diagram of shear test sample (Unit: mm)

2 结果与分析

2.1 焊接试样的微观组织

图3所示为优化焊接工艺参数(如表3所列)条件下未添加粉末激光焊钢/铝熔池整体形貌与焊接接头不同区域的微观组织。由图3可见，焊接熔池上宽下窄，有深熔焊的“匙孔”指状特征(如图3(a)所示)，母材、焊缝热影响区、熔池存在较多夹杂物、裂纹、气孔等缺陷，焊缝中心区域晶粒细小、均匀，两侧组织具有各向同性，以焊缝中心线为对称轴，从中心向熔池边界处沿水平方向进行树枝状生长，晶粒大小由中心到边界处逐渐增大(如图3(b)~(e)所示)。图3(f)所显示从上到下依次为镀锌钢基体、钢/铝界面层、铝合金基体，发现钢/铝界面层分两层，靠近钢基体处，厚度为5~10 μm，靠近铝基体处，厚度为15~25 μm，进一步分析发现，钢/铝界面层存在许多针状物质^[11]，部分针状物质在界面层上断裂，游离而自由形核，形成新的枝针状物质，对针状物质进行能谱分析，发现其主要组成为Fe、Al元素以1:1或1:3(摩尔比)比例形成的Fe-Al脆性金属间化合物(分别见图3(f)中的1或2处)。

图3 钢/铝焊接试样的微观组织

Fig. 3 Microstructures of steel/aluminum welding sample

图4所示为相同焊接工艺条件下添加Zr粉末激光焊钢/铝熔池整体形貌与焊接接头不同区域微观组织。从图4(a)发现，焊缝熔池形貌良好，余高适宜，无明显气孔、裂纹等缺陷。图4(b)为熔池底部微观组织形貌，对比未添加粉末的情况发现，组织晶粒细小、均匀，钢/铝界面层无Fe、Al元素组成的Fe-Al脆性金属间化合物的针状物质。图4(c)为靠近焊缝热影响区钢/铝界面的部分组织，发现呈羽毛状，并垂直熔合线生长，晶粒细小。从图4(d)来看，相对未添加粉末的焊缝区域(如图3(e)所示)，添加Zr后，焊缝热影响区域小。

图5所示为相同焊接工艺条件下添加Mn粉末激光焊钢/铝熔池整体形貌与焊接接头不同区域微观组织。由图5(a)可看出，焊缝熔池形貌良好，与未添加粉末相比(如图3(a)所示)，焊缝区气孔等缺陷明显减少。图5(b)为焊缝熔池底部的微观组织形貌，发现添加Mn，与添加Zr相比，晶粒粗化，但与未添加粉末相比，晶粒细小。图5(c)为焊缝热影响区组织形貌，发现存在黑色组织相对较少，而白色组织较多。图5(d)所显示从上到下为镀锌钢基体、钢/铝界面层、铝合金基体，发现钢/铝界面层中存在少量由Fe、Al元素组成的Fe-Al脆性金属间化合物的针状物质。

2.2 焊接试样的力学性能与断口形貌

图6所示为添加粉末前后钢/铝焊接接头的平均剪切强度。由图6可见，未添加粉末，平均剪切强度为34.53 MPa；添加Mn，平均剪切强度为38.35 MPa，提高不明显；而添加Zr，平均剪切强度为43.88 MPa，焊接接头的平均剪切强度提高明显。

图4 添加Zr钢/铝焊接试样微观组织

Fig. 4 Microstructures of steel/aluminum welding sample with Zr power addition

图5 添加Mn钢/铝焊接试样微观组织

Fig. 5 Microstructures of steel/aluminum welding sample with Mn power addition

图6 添加粉末前后焊接接头的平均剪切强度

Fig. 6 Average shear strength of welding sample with or without power addition

图7所示为钢/铝激光焊剪切断裂试样断口微观形貌。由图7可见，未添加粉末，微观形貌表现为河流状花样(见图7(a)和(b))，钢/铝试样呈现典型脆性断裂特征。添加Mn、Zr粉末，微观形貌含有微量韧窝和一定数量夹杂物(见图7(c)~(f))，钢/铝试样表现为混合性断裂特征。

2.3 焊接接头的EDS分析

图8~10所示分别为未添加粉末、添加Zr和Mn焊缝区铝侧界面附近的元素线扫描结果。由图8可看出，未添加粉末，位于图中铝侧焊缝上层的Ⅰ线、中层的Ⅱ线与下层的Ⅲ线，Fe、Al混合宽度相差不大；上层Ⅰ线、中层Ⅱ线混合宽度大约为50 μm(见图8(b)和(c))，下层Ⅲ线Fe、Al混合宽度大约为75 μm(见图8(d))。由图9可看出，添加Zr，Fe、Al元素混合宽度略有增加，上层Ⅰ线、中层Ⅱ线Fe、Al混合宽度为75 μm(见图9(b)和(c))，下层Ⅲ线混合宽度为150 μm，并存在明显平台，推测下层Ⅲ线Fe、Al与Zr可能形成了新的金属间化合物。由图10可看出，添加Mn，上层Ⅰ线Fe、Al几乎没有混合，而Mn、Al混合宽度为80 μm，显示Mn与Al有一定的互溶性，中层Ⅱ线、下层Ⅲ线，Fe、Al、Mn三者混合宽度大约为100 μm，大于未添加粉末75 μm的混合宽度，表明添加Mn能提高熔池金属的流动性，利于钢/铝界面结合。

2.4 显微硬度

图11所示为焊接接头维氏显微硬度的测试结果。图中从左至右依次为铝母材区、熔合区、焊缝区和钢母材区。发现未添加粉末、添加Mn、Zr粉末，靠近铝母材熔合区，硬度值较母材的均出现大幅度提高，但较未添加粉末，添加Mn、Zr粉末，焊缝区硬度值却明显下降，通常金属间化合物脆性越大，硬度越高，表明在焊缝添加粉末后，一定程度上减少或抑制了Fe-Al脆性金属间化合物生成^[12-14]。

图7 添加粉末前后剪切试样的断口形貌

Fig. 7 Fracture morphologies of shear samples without and with power addition

2.5 焊接接头XRD微区衍射分析

图3(f)和图5(d)显示未添加粉末、添加Mn粉末时，在钢/铝界面层形成了由Fe-Al脆性金属间化合物组成的针状物质，添加Mn，由于仍存在少量Fe-Al脆性金属间化合物，因而焊接接头力学性能改善不明显。为进一步探讨添加Zr提高焊接接头性能效果明显的原因，图12所示为添加Zr钢/铝焊接接头界面XRD谱。由图12可见，添加Zr，未形成Fe-Al脆性金属间化合物，却形成了新的物相ZrFe_3.3Al_1.3，由于ZrFe_3.3Al_1.3韧性相抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成，因此，添加Zr能明显提高钢/铝焊接接头的力学性能^[15]。

图8 未添加粉末钢/铝焊接接头不同区域的线扫描EDS成分分析

Fig. 8 EDS line scanning of steel/aluminum weld joint in different sections without power addition

图9 添加Zr钢/铝焊接接头不同区域的线扫描EDS成分分析

Fig. 9 EDS line scanning of steel/aluminum weld joint in different sections with Zr power addition

图10 添加Mn钢/铝焊接接头不同区域的线扫描EDS成分分析

Fig. 10 EDS line scanning of steel/aluminum weld joint in different sections with Mn power addition

图11 添加粉末前后焊接接头的显微硬度

Fig. 11 Microhardness of weld joint with or without power addition

3 结论

1) 镀锌钢与6016铝合金激光搭接焊，在激光功率为1 800 W、焊接速度为50 mm/s、离焦量为+2.0mm、Ar为保护气体且流量为20 L/min的条件下，未添加粉末，钢/铝界面层形成了一定厚度的Fe-Al脆性金属间化合物，添加Mn，Fe-Al脆性金属间化合物减少；而添加Zr，未发现Fe-Al脆性金属间化合物生成。

图12 添加Zr钢/铝焊接接头界面的XRD谱

Fig. 12 XRD pattern of steel/aluminum weld joint interface with Zr power addition

2) 钢/铝激光焊中添加Mn、Zr粉末，焊接接头的平均抗剪强度与没有添加的相比有所提高，其中添加Zr的提高效果较明显。

3) 添加Mn粉末能提高熔池金属的流动性，利于钢/铝界面结合；添加Zr粉末，焊缝区晶粒细小，形成新的ZrFe_3.3Al_1.3韧性相，抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成。因此，添加Mn、Zr均改善钢/铝焊接接头的力学性能。

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(编辑李艳红)

基金项目：国家高技术研究发展计划重点资助项目(2012AA111802)；湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题(71075003)

收稿日期：2013-01-20；修订日期：2013-06-17

通信作者：周惦武，教授，博士；电话：13017297124；E-mail: ZDWe_mail@126.com

摘要：采用光纤激光器对1.4 mm厚DC51D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行添加Mn、Zr粉末的激光搭接焊试验，利用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等研究焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、断口形貌、主要物相与接头的力学性能。结果表明：在钢/铝激光焊中添加Mn、Zr粉末，焊接接头平均抗剪强度与没有添加粉末相比，有所提高，其中添加Zr粉末的提高效果明显；Mn、Zr粉末的添加改变了钢/铝界面的元素分布、物相组成及微观组织形态，添加Mn能提高熔池金属的流动性，利于钢/铝界面结合，而添加Zr，焊缝区晶粒细小，形成新的ZrFe_3.3Al_1.3韧性相，抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成。因此，添加Mn、Zr均改善了钢/铝焊接接头的力学性能。