铝合金与钢的异种材料离焦激光焊研究现状

尹丹青 ，邱然锋 ，王楠楠 ，石红信，张柯柯

(1.河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471003；2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南 洛阳 471003）

0 前言

近年来，为了提高燃料利用率、减少CO2气体排放量以尽可能降低对环境的污染，使得汽车工业在追求高安全性、外观靓丽、乘用舒适型车身设计的同时将关注的目光投向了车身轻量化。现在，轻快、安全与舒适已成为汽车车身设计的主题。为了既能实现车身轻量化又能保证其安全性系数，“混合材料型车身结构”越来越受到汽车工业的青睐[1]。在这种车身结构里，承重部位及加强零件使用传统的钢材或超高强度钢以确保安全性，其余部位则采用铝合金、镁合金等轻材料以实现车身整体轻量化[2]。因此，在焊装这种车身结构时，将必然涉及到铝合金和钢之间的异种材料连接。但是钢与铝合金的热物理、冶金性能差异很大，焊接时不仅容易形成裂纹、未熔合等缺陷，且在接合界面极易生成金属间化合物硬脆相，导致焊接接头的力学性能降低[3-4]。因此铝合金与钢异种金属的优质、高效焊接是材料制造领域的一项技术难题。近年来，国内外研究者采用多种固相焊方法研究钢与铝的焊接，如采用摩擦焊[5]、扩散焊[6]、搅拌摩擦焊[7]等。虽然采用固相焊接技术焊接异种材料能够抑制界面金属金属间化合物的形成，可以提高接头性能，但是其应用受到焊件形状、尺存和设备容量的限制。为了解决铝合金与钢异种金属连接技术难题，探讨、开发新型异种材料焊接技术是非常必要的。

激光焊接是一种高能密度熔焊方法，具有效率高、变形小、接头质量高的优点，可实现深熔焊、高速焊及远程焊，是将来可取代电阻点焊用于汽车车身焊装的一种焊接方法。与传统熔化焊一样，采用小孔激光焊焊接铝合金与钢时，由于冶金反应是发生在液态铝合金与液态钢之间，在接合界面生成大量脆性相并有裂纹产生致使接头性能不高[8-9]。最近，在激光热传导焊接方法基础之上研发出了一种名为“离焦激光焊”的新型焊接技术。采用这种新型焊接方法焊接铝合金与钢时界面反应发生在液态铝合金和固态钢之间，从而抑制了界面金属件化合物的生长，进而改善了接头性能。在此介绍这一新型焊接技术，并就其在铝合金/钢异种材料接合上的应用进行分析和探讨。

1 钢/铝焊接存在的难点

钢/铝焊接存在一定困难，两者焊接难以获得优良焊缝，其根源主要是钢、铝及铝合金材料中的主要元素Fe和Al的物理参数、力学参数、晶格参数、组织结构相差甚远。两者在密度、熔沸点、热导率、线膨胀系数等物理参数上相差悬殊，如表1所示[10]。悬殊较大的热导率、线膨胀系数使焊接过程中接头处变形严重，并且存在很大的焊接应力，易导致裂纹产生；Fe、Al晶格结构上存在较大差异，如表2所示[11]。Fe与Al之间相互固溶能力差，易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金属间化合物，导致焊接接头塑韧性降低。另外，焊接过程中Al母材表面形成难熔的Al2O3氧化膜，并且熔池温度越高，表面氧化膜越厚。这种氧化膜既能形成焊缝夹渣，又直接影响焊缝金属的熔合，导致焊缝塑性差、承载能力低、抗冲击能力差。

2 铝合金与钢的离焦激光焊技术

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，通过工件吸收激光获得能量来加热材料至熔化，待材料在液态下相互混合、冷却凝固后形成熔合焊缝。根据材料表面被照射的光功率密度或材料中是否形成小孔，将激光焊接分为激光热传导焊接和激光深熔焊接。激光热传导焊接是金属表面受激光照射并吸收能量后局部升温形成温度场，热量按照固体材料的热传导学理论向材料内部扩散，以此来熔化被焊接的两构件。

表1 Fe、Al的物理化学性能参数

表2 Fe、Al的晶格常数

界面金属间化合物的生长与原子在界面的扩散有关[12-13]。鉴于原子在液/液界面的扩散速率大于固/液界面的[14]，在激光热传导焊接基础之上研发出了离焦激光焊。离焦激光焊是利用铝合金和钢熔点的差异，通过调整离焦量对焊接热输入进行精确控制，保证高熔点的钢在不发生熔化的前提下使低熔点的铝合金熔化，熔化的铝合金与固态的钢发生固液界面反应，实现连接。

铝合金与钢异种材料离焦激光焊接时，将高熔点的钢置于低熔点的铝合金之上进行搭接（见图1a），激光束对钢板照射。通过调整离焦量df，控制界面温度使靠近界面的钢不发生熔化，而靠近界面的铝合金利用传导热发生熔化，达到图1b所示的固液界面反应，凝固后实现连接。

3 铝合金与钢的离焦激光焊研究现状

日本长岗技术科学大学的宫下幸雄等人基于非定常热传导利用境界要素法对铝合金与钢异种材料激光焊接合界面温度分布进行了解析，解析结果如图2所示[15]。由图2可知，在不同激光输出功率条件下界面附近温度分布与焊接速度有关。通过调整焊接速度改变界面温度，以致界面温度达到铝合金和钢两种材料熔点之间（图2两条虚线之间），从而使界面冶金反应为固/液反应，以实现控制界面脆性相的生成和提高接头性能。研究结果为高铝合金与钢异种材料离焦激光焊提供了理论依据。

图1 铝合金/钢离焦激光焊原理示意和断面示意

图2 铝合金/钢激光焊界面温度分布解析结果

为了进一步改善铝合金/钢离焦激光焊接头性能，可以通过选用不同材质的垫砧来改变热流方向，进而优化界面特性。Ti、S45C钢、Cu垫砧以及不采用垫砧焊接获得铝合金/钢接头界面反应层厚度如图3所示。结果显示采用导热性高的Cu垫砧获得接头界面反应层厚度较薄[14]。

图3 铝合金/钢离焦激光焊接头界面反应层厚度与焊接速度、垫砧材质的关系

采用导热性高的材质作为垫砧虽然能够增加冷却速度、抑制界面反应层生长、改善接头性能，但是由于冷却速度过大、热流改变太过灵敏，采用Cu质垫砧时铝合金与钢异种材料离焦激光焊的可焊范围较窄、焊接窗口较小（解析结果如图4所示）。因此，有关界面反应层的抑制与可焊范围之间平衡协调还需进一步工艺实验验证。

图4 采用不同材质垫砧时铝合金与钢离焦激光焊焊接窗口

东京工业大学的熊井等人通过工艺性实验，对1.2 mm厚的铝合金A6111与1.0 mm厚的低碳钢SPCC的离焦激光焊接头界面微观特性和力学性能进行了详细的研究[16-17]。研究结果显示，通过调整离焦量不仅能够控制铝合金、钢侧两个熔池尺度，还可抑制界面反应层的生长。如表3所示，增大离焦量可以抑制界面反应层的生长，这是由于离焦量的增大致使激光能量密度减小。但是增大离焦量也会导致光斑直径增大，进而造成钢、铝合金侧熔池宽度增大；虽然钢侧熔池最大深度没有变化，仍能保证界面反应处于液固反应，但铝合金侧熔池最大深度却急剧增大，甚至熔透。离焦量变化所致的熔池尺度变化对接头性能影响仍有待进一步深入研究。

表3 A6111/SPCC离焦激光焊接头熔池及界面反应层厚度与离焦量的关系

调整工艺参数能够获得厚度不同的界面反应层。反应层厚度、宽度与接头强度关系如图5所示[16]。从中可知，只有获得薄而窄的界面反应层才能改善接头强度。这一成果给今后研究提供了参考。

图5 工艺参数对接头性能的影响

4 结论

钢与铝焊接的主要问题是两者熔点差异大、热物理性能差异大。焊接区极易生成金属间化合物脆硬相，导致焊接接头的力学性能降低。离焦激光焊焊接过程通过调整焊接速度、输出功率、垫砧材质以及离焦量精密控制热输入使靠近界面的铝合金熔化、而靠近界面的钢则仍保持固态，保证界面反应为液固反应，可以获得可靠的钢与铝接头性能。与其他焊接方法相比，离焦激光焊具有高效节能、灵活方便的特点将会受到越来越多的重视。

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