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铝钢激光焊接研究现状
材料来源:激光焊接自动化           录入时间:2019/7/10 23:30:04

铝钢异种金属连接可实现汽车零部件的轻量化,但铝钢焊接产生的金属间化合物裂纹等严重地影响接头性能。本文介绍了铝钢激光焊的主要焊接方法,阐述了近年来国内外的研究现状。

镀锌钢

镀锌钢是在钢基体上镀上厚度不同的锌层,镀锌分为电镀和热镀,镀锌层不仅有物理屏蔽作用,且对钢基体有电化学保护作用。由于镀锌钢具有良好的耐腐蚀性能,被广泛用于交通、电力、建筑、供热设施以及仪器仪表和家具等行业。特别是在汽车行业,普通镀锌钢、高强度镀锌钢、超高强度镀锌钢在汽车上的应用提高了车身等部件的抗腐蚀性能和服役寿命。

但是,由于锌层的存在,使得镀锌钢板的熔化焊接非常困难,这是因为锌的熔点为420℃,沸点为908℃, 基体钢的熔点为1300℃, 沸点为2861℃,在熔化焊过程中锌会严重蒸发和氧化,会形成气孔、未熔合及裂纹等缺陷。铝及铝合金质量轻(铝的密度为2.7g/cm3),比强度高,良好的导电、导热及耐腐蚀性, 并且在低温下能保持良好力学性能。

当今,能源、安全、环保已成为时代的主题,随着环境污染,能源危机的逐步加剧,实现车辆轻量化已成为世界各国关注的焦点。因此,国内外对铝/ 镁、铝/ 钛、钛/ 铝及铝/ 钢复合结构进行了大量研究。铝/ 钢复合结构充分利用了各自材料的优势,减轻重量,减少污染[3],广泛用于汽车、航空、船舶等行业。铝钢连接在汽车车门板中的应用如图1 所示。 

但是, 由于铝和钢的热物理性能存在巨大差异,使得其连接非常困难。铁的熔点为1538℃,铝的熔点为660℃,铁的密度为7870 kg/m3,铝的密度为2700 kg/m3,在对铝/ 钢熔化焊时,在钢完全熔化时,铝会漂浮在钢之上,难以形成焊缝。而且铝的线膨胀系数几乎是铁的两倍, 焊接时会产生很大的热应力,易产生裂纹。

由Fe-Al 二元相图,铁和铝既能形成固溶体、金属间化合物,也能形成共晶体。铁在铝中的固溶极限很小,在225~600℃,Fe 在Al 中的固溶度为0.01%~0.022%;共晶温度652℃时,Fe 在Al 中的溶解度为0.53%。一系列研究表明,Fe 和Al 可以形成Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3等金属间化合物。这些金属间化合物在焊缝中会形成脆性组织, 其中根据Fe-Al 热力学分析知,在焊接热作用过程中,并不是所有的金属间化合物都长大, 根据化合物形成的吉布斯自由能进行热力学计算, 只有Fe2Al5和FeAl3是最后稳定存在的脆性组织,这些脆性组织的存在会降低焊接接头的力学性能,容易使焊缝产生裂纹。

由于Fe 在铝中几乎不固溶,铝/ 钢熔化焊很难得到良好的接头, 为防止钢和铝中间产生脆性金属间化合物, 需要在钢表面镀上与铝和铁都相容的金属, 如Ni、Zn、Ag、Cu 等。这样就能避免或是减少Fe-Al 金属间化合物的形成或长大。镀层金属不同,对钢/ 铝界面反应的作用也就不同, 钢和铝的焊接性存在差异。除了镀层会改善钢/ 铝的焊接性,填充材料及钎剂的选择得到也会提高钢/ 铝异种金属的焊接性,扩大钢/ 铝在各行业的应用范围。

铝/钢激光焊接国内外研究现状

激光深熔焊

激光深熔焊的主要特征是深熔小孔。高功率密度的激光辐照金属表面,表面金属达到沸点,迅速熔化和气化蒸发。金属蒸发产生的气压使表面产生凹陷,形成小孔。产生的小孔增加了激光的能量吸收,产生的热量是小孔周围的金属熔化, 小孔外液体流动和小孔内壁表面张力以及小孔内腔中连续产生的蒸汽压力达到动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料不断熔化流动,随光束的移动,小孔总是处于动态稳定。小孔和周围孔壁的熔融金属随光束移动,熔化的金属不断填充小孔,最后熔融金属冷却,形成焊缝。激光深熔焊在连接铝钢时,大多采用钢上铝下的接头形式, 激光作用在钢表面, 钢板和铝板均熔化,形成焊接小孔的一种焊接方法。

GSierra 等研究钢在上铝在下搭接形式的激光深熔焊时, 研究结果显示控制焊缝熔深500 μm以下,可以减少Fe-Al 金属间化合物生成,进而减小了焊缝的脆性。将焊缝熔深控制在500μm 以下,接头强度可达250MPa。实验发现少量金属间化合物及由富铝化合物形成的白色熔质带出现在焊缝中。熔深为500μm 以下时, 接头失效位置在焊缝和铝合金交界处,随着熔深的增加,接头失效位置发生变化,同时接头强度显著减小。Kouadri-David 等研究了镀锌钢和铝合金激光深熔焊和激光热导焊组织和性能。通过控制焊缝熔深600μm 内激光深熔焊接头强度达140MPa。指出沿钢厚度方向的熔深对接头强度具有重要影响。同样,Katsyama 等研究表明钢在铝中的熔深是影响接接头性能的关键因素。Torkamany 等研究了低碳钢/5754 铝合金Nd:YAG脉冲激光焊。实验采用激光深熔焊重叠结构。研究了激光功率、脉冲宽度、搭接因子对金属化合物形成的影响。结果表明,随激光峰值功率(脉冲能量一定)、脉冲宽度(峰值功率一定)、搭接因子(脉冲能量和峰值功率一定)的增加,金属间化合物生成量增加。JinYang 等研究了纯铝/ 不锈钢激光深熔焊方法下熔深与焊缝成形之间的关系。研究结果显示在大熔深(354μm)条件下,在铝/ 熔合区界面形成了含有微裂纹的富铝的Fe-Al 金属间化合物, 接头强度为(27.2±1.7)MPa,断裂出现三种形式:剪切脆性断裂、解理脆性断裂和混合型断裂。当小熔深(108μm)时,在Al/Fe 熔合区界面为无裂纹的金属间化合物,接头强度为(46.2±1.9)MPa,断裂形式只有一种为沿焊缝解理脆性断裂。

激光深熔焊的优点是激光能量利用率高, 焊接效率高。其中小孔对焊缝熔深和熔宽具有重要影响,熔深小孔是激光深熔焊过程中的关键因素。但是,在焊接过程中产生的等离子体和深熔小孔使焊接过程不稳定,很难控制。而且,激光深熔焊过程中,气体易进入小孔,凝固是易产生气孔,由于金属蒸汽产生的蒸汽压,在凝固时金属的收缩易产生表面凹陷,焊缝不美观。

激光热传导焊

当激光照射到材料表面时,一部分激光被反射,一部分被材料吸收,将光能转化为热能而加以熔化,材料表面的热以热传导的方式继续向材料深处传递, 最后将两焊件熔接在一起。激光热导焊是激光焊接中一种重要的焊接模式, 广泛应用于薄件的焊接中。

在激光热导焊中, 热传导在热的传播过程中占主导地位, 辐射和对流因在热传播过程中只占很小的份额可以忽略不计。另外, 激光热导焊的熔池很小, 因此可以忽略熔池中相变潜热的释放以及热物理参数随温度和状态的变化对焊接热过程的影响。

Meco 等采用激光热传导焊模式连接2mm 厚钢板和6mm 厚铝板,钢在上铝在下的搭接形式。激光辐照钢板表面, 传导的热量达到铝合金的熔点使其熔化。结果得到的金属间化合物厚度在4~20μm。其中间的Fe2Al5的最大显微硬度为1145HV。

激光-电弧复合焊

激光电弧复合焊技术(实验原理图如图2 所示)是20 世纪70 年代发展的新型、高效焊接方法。激光高能量密度可得到更深的熔深, 但是对间隙的桥接性差,对装配精度要求高。电弧的加热范围宽可得到更宽的焊缝, 但是电弧对间隙的桥接性好。而激光-电弧复合焊技术则利用两者的各自特点可得到焊缝顶部宽、熔深大的焊缝。激光产生的等离子体可稳定电弧, 则复合焊增加了焊接适应性和焊接效率。

HonggangDonga 等发明了一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法。该专利针对小光斑的激光-电弧复合热源焊接不能应用于钢与铝、钢与铜等异种金属的连接。此方法中激光对电弧有明显的稳定作用, 电弧的作用是熔化填充金属和低熔点母材, 利用大光斑激光可以实现热输入的精确控制。利用该方法得到的5A02 铝合金和镀锌钢连接接头的拉伸性能测试表明, 试样的破坏位置发生在铝合金母材一侧的焊接热影响区, 而不是钎焊连接区。接头强度可达153.1MPa。Qin 等采用激光-MIG 复合焊接镀锌钢/ 铝合金, 使用AlSi5焊丝。实验结果显示钎焊界面产生2~4μm 的金属间化合物层,相组成为FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。接头的抗拉强度最大达247.3MPa。WangShujun 等[14]同样采用激光-MIG 复合焊技术, 实验采用AlSi5、AlSi12、AlMg5三种不同的钎料以研究Si、Mg 加入后金属间化合物对及焊缝组织和成型的影响。结果表明,增加Si 含量可以细化熔化区晶粒,增加熔化区的显微硬度。并且熔化区Al-Si 钎料的显微硬度比Al-Mg 钎料的显微硬度大。对于AlSi12、AlSi5、AlMg5钎料分别得到的金属间化合物层平均厚度为0.90、1.49、2.64μm,文中得出Si 可以抑制Fe 的扩散,从而减少金属间化合物的生成。对中间层进行XRD 分析表明,AlSi5和AlSi12所对应的金属间化合物层的相组成为Fe2Al5、Fe4Al13、Al0.5Fe3Si0.5。而AlMg5对应的相组成为FeAl2、Fe2Al5、Fe4Al13。AlMg5、AlSi5、AlSi12钎料对应的接头强度依次为178.9、172.43、144MPa,得出结论为Si 含量的增加对接头强度不利,而Mg 的加入对接头强度有利。文中并没有说明Si、Mg 是如何影响接头强度的。Thomy 等研究激光-电弧复合焊过程中激光和等离子弧的相互作用, 开发了同轴激光-电弧复合焊头。

激光熔钎焊

钎焊是采用熔点比母材低的钎料, 通过加热到比钎料熔点高,比母材熔点低的温度,钎料熔化,而母材不熔化,利用液态钎料润湿母材,在钎缝间隙毛细作用下,液态钎料自动填充到母材间隙中去,与母材相互扩散形成连接。熔钎焊兼具钎焊和熔化焊的特点, 适于两种物理性能差异大的异种材料之间的连接。钢和铝的熔钎焊是指钢不熔化, 铝和钎料熔化,在钢/ 钎料侧是钎焊连接,在钎料/ 铝侧是熔化焊。钢和铝的熔钎焊实质熔化的铝和钎料与固态钢通过界面反应结合在一起。该方法可选择添加或不添加钎料进行焊接。

Peyre 等研究了在不使用钎料的情况下,采用激光熔钎焊的方法实现镀锌钢和铝合金的连接。结果显示, 沿着钢铝界面形成了2~20μm 厚的界面层, 发现该层主要为Fe2Al5相, 其硬度高达1200HV,使接头产生裂纹,显著降低接头的力学性能。尽管锌蒸发产生气孔,但是10μm 的镀锌层有利于铝在钢上的润湿铺展。拉伸测试表明, 在镀锌钢表面涂上钎剂, 可以抑制锌的蒸发。而对于非镀锌钢则显示了较低的机械抗力。

有学者在激光熔钎焊过程中使用钎料, 以改变接头的化学成分, 进而控制Fe-Al 金属间化合物的生成,提高接头性能。Sierra 等在铝/ 钢激光熔钎焊连接中采用4047(Al-12Si)钎料,得到了无明显宏观缺陷的连续接头, 在钢/ 焊缝界面产生薄的Fe-Al-Si 金属间化合物层。文中使用Al-12Si 钎料来研究Si 元素对Fe-Al 金属间化合物生长的作用。文中提出钎料中Si 可以降低铝的熔化温度,影响熔融铝的粘度和表面张力, 进而影响焊缝润湿角及焊缝宽度。也有学者在钎料中添加Mg、Cu 等元素研究钎料合金化后对焊缝组织和性能的影响。Dharmendra等采用连续脉冲Nd:YAG 激光器对DP600 镀锌钢和AA6016 铝合金搭接接头进行熔钎焊试验。试验过程采用含85%Zn 和15%Al 的Zn-Al 焊丝,试验采用不同的激光功率、焊接速度、送丝速度。研究发现, 试验得到的反应层厚度在3~23μm。在60~110J/mm 的热输入下,接头抗拉强度达220MPa,断裂位置远离焊缝靠近铝合金侧。在焊接速度0.5、0.8m/min 时, 对应的金属间化合物厚度分别为8、12μm。拉伸测试结果显示, 在金属间化合物厚度为8~12μm 时,机械阻力最大,在小于8μm 时,机械阻力随金属间化合层的增加而增大;大于12 μm时, 机械阻力随之减小。文中解释是化合物层较薄时, 裂纹沿脆性金属间化合物层萌生, 断裂强度极低,化合物层较厚时,由于该层相对于其它区域脆性很大,机械抗力极低。Laukant 等采用ZnAl2钎料进行铝/ 钢激光熔钎焊试验,结果产生了大约5μm的FeAl 金属间化合物层, 接头剪切力达9 kN。Rajashekhara Shabadi 等同样采用Zn-Al 钎料,对AA6016 和低碳镀锌钢进行激光熔钎焊试验。试验所采用的钎料为ZnAl30, 试验结果形成的金属间化合物主要为Fe2Al5Znx, 可能含有ZnFeAl3,厚度在10μm 左右。最近有学者对镀铝层高强钢和铝合金进行了激光熔钎焊试验。例如,Windmann 等采用AlSi3Mn 钎料的激光熔钎焊试验。研究发现在AlSi3Mn/Mn22B5界面形成Al8Fe2Si 相。在Mn22B5/AlSi3Mn 界面形成的金属间化合物厚度为2~7μm,接头剪切强度为21~74MPa。如果对钢表面焊前进行预热,则接头强度达210~230MPa。从最近的研究来看,不管是Al-Si 钎料还是Zn-Al 钎料,都不可避免地产生金属间化合物, 而对于Fe-Al-Si 金属间化合物的生长顺序及Zn-Al 钎料反应相的鉴定还有待解决。激光熔纤焊连接钢/ 铝技术本身是一种极具前景的工艺。

结语

激光-电弧复合焊因其高的焊接效率主要用于较厚板的焊接, 激光熔钎焊在汽车轻量化方面极具应用前景。通过激光熔钎焊工艺连接薄板铝/ 钢异种金属,采用Al-Si、Zn-Al 钎料。然而,汽车用镀锌钢/ 铝合金激光焊仍存在很多需要解决的问题。例如,由于被焊材料对激光能量的吸收率较低,激光焊产生的等离子对焊接过程的稳定性有影响;铝钢连接过程中产生铁铝金属间化合物脆性接头;熔化的钎料对铝合金母材的冶金相容性及对母材钢的润湿性问题;气孔、裂纹、未熔合、夹渣等焊接缺陷的控制和预防等。


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