铜/镍箔中间层对铝/钢激光焊接接头组织与力学性能的影响

2020-04-11曹雪龙檀财旺蒋俊俊

航空材料学报 2020年2期

曹雪龙,王刚,邢昌,檀财旺,蒋俊俊

（1．安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000；2．哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院，山东威海264209）

21世纪的主题是节能环保，为了达到节能环保的目的，轻量化生产势在必行。为了降低产品质量，在生产制造时使用了很多铝合金部件，但全部使用铝合金材料成本太高，产品的强度和硬度也难以达到要求。生产实践发现，使用铝/钢异种金属焊接[1-3]形成的复合结构，可以有效地解决这一问题，将其应用于工业生产中，既可以控制生产成本，也能够达到产品的质量要求。但是铝和钢这两种材料的固溶度非常低，它们的熔点、密度、热膨胀系数等物理和化学性能相差很大，易反应生成Fe-Al二元脆性相，导致其焊接接头的力学性能难以达到要求。

为了改善铝/钢异种金属的焊接性，国内外研究者们采用了各种方法进行实验。管倩倩等[4]使用光纤激光器，实现了DC04低碳钢与6061铝合金的焊接，实验结果表明，激光焊接铝/钢异种金属时，焊接速率是主要影响因素，通过调整焊接速率和激光的功率，焊接接头的力学性能有所改善。周利等[5]采用搅拌摩擦焊的方法对铝/钢异种金属进行焊接，实验发现，在铝/钢搅拌摩擦焊的界面处形成的飞边结构既有机械结合也有冶金结合，焊接接头的整体性能良好。杨明等[6]采用爆炸焊的方法，通过在基板上预制燕尾槽，获得了比普通的铝/钢爆炸焊焊接接头力学性能更优的焊接接头。张思文等[7]采用含Cu复合钎剂进行铝/钢异种金属熔钎焊实验，其结果表明铝/钢焊接接头的组织有很大改善，力学性能也提高很多。Narsimhachary等[8]在不同激光功率下对6082铝合金和镀锌钢板进行了激光钎焊，最终发现在激光功率为4000 W时，焊接试样的抗拉强度最高。Ibrahim等[9]使用Al-Mg合金作为中间层，采用电阻点焊的工艺对铝、钢薄板进行焊接实验，有效改善了铝/钢异种激光焊接的焊接性。Xia等[10]采用激光钎焊的工艺，分别使用纯 Al、AlSi5、AlSi12作为中间层进行6061-T6铝合金和DP590钢的焊接实验，实验结果表明中间层材料的添加，使焊接接头的强度得到提高，并且降低了所需要的激光功率，节约成本，其中使用AlSi5作为中间层材料时得到的焊接接头具有最高的抗拉强度。王楠楠等[11]使用AlSi12作为中间层对A6061铝合金和Q235低碳钢进行了电阻点焊，实验结果证明中间层起到抑制界面金属间化合物生长的效果。以上研究者们所做研究虽然使得铝/钢异种金属的焊接性有所改善，在不同程度上提高焊接接头的力学性能，但普遍存在的问题是：在焊缝区依然有很多Fe-Al二元脆性相存在，严重影响着焊接接头的力学性能；另外，如搅拌摩擦焊[12-13]、爆炸焊[14]等对焊接件的形状有着严格的要求，因此局限性较大，难以应用于工业生产。对比目前的研究结果发现，激光焊接由于热输入低、能量集中、焊接速率快，可以将焊接过程中的冶金反应限制在一个很短的时间内，有效抑制脆性金属间化合物产生，且不受焊接件形状的限制；另外Chen等分别使用Ni箔片[15]和Cu箔片[16]做中间层，采用激光焊接的工艺方法对铝/钢异种金属进行焊接，实验结果证明Ni箔片与Cu箔片的分别加入，都可以有效的抑制Fe-Al二元金属间化合物的产生，提高焊接接头的力学性能。

本文采用添加Ni/Cu箔片复合中间层的铝钢异种金属激光焊接的方法，在实验的基础上分析了铝/钢异种金属焊接接头的组织与力学性能。

1 实验材料及方法

采用6061铝合金板和不锈钢板，板料尺寸均为 1 mm × 50 mm × 80 mm（成分见表 1 和表 2），以厚度为0.1 mm的Ni箔片以及厚度分别为0.02 mm和0.05 mm的Cu箔片做中间层。实验前，采用1500目的砂纸轻轻打磨板料表面以去除表面的氧化层，并用丙酮清洗板料表面以去除油污。

由于铝对激光的反射率很高，本次实验采用钢上铝下的搭接形式进行焊接，且中间层放置时，将Cu箔片放在Ni箔片的下侧。添加Ni箔片和Cu箔片做中间层时，同样使用丙酮对其进行清洗以去除表面油污。夹具固定好板料后，用焊接激光器（KUKA YLS-6000）进行焊接实验，工艺参数为：功率为 2300 W，焊接速率为 30 mm/s，离焦量为 0，在焊接过程中采用氩气（Ar）对板料正反面同时进行保护，保护气体的流量为20 L/min。添加中间层的激光焊接示意图如图1所示。

表1 6061 铝合金化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy（mass fraction/%）

表2 不锈钢化学成分表（质量分数/%）Table 2 Chemical composition of stainless steel（ mass fraction/%）

图1 铝/钢激光焊接示意图Fig. 1 Schematic diagram of aluminum/steel laser welding

完成焊接实验后，将试样切割为标准抗拉伸剪切实验试样，万能试验机测量拉伸强度。将线切割后得到的焊缝横截面进行打磨、抛光后制成金相试样，使用体积比为 2%HF、2%H2O2、10%HNO3、86%H2O的腐蚀液腐蚀10 s，冲洗后吹干，扫描电子显微镜（S-4800）观察焊缝横截面并分析其形貌特征，扫描电子显微镜自带能谱仪分析焊缝横截面各区域的元素分布，X射线衍射仪（D8 FOCUS）分析焊接接头的主要物相。

2 结果与分析

图2（a）为添加0.1 mm厚Ni箔片做中间层的焊接试样，图 2（b）和 2（c）为在添加 0.1 mmNi箔片的基础上分别添加0.02 mm和0.05 mmCu箔片的焊接试样。图2可以看出，焊缝的整体形貌良好，三个试样的焊缝均未出现飞溅。其中添加0.02 mmCu箔片的焊接试样形貌最好，焊缝无气孔、飞溅产生，焊缝顶面更为平滑、均匀。只有Ni箔片做中间层和添加了0.05 mmCu做中间层的焊接试样，焊缝表面较粗糙，且可以观察到气孔。由此可见0.02 mmCu箔片与 0.1 mm Ni箔片作复合中间层时，铝/钢异种激光焊接的焊接工艺更加稳定。

2.1 改变Cu箔片厚度对焊接接头组织的影响

图2 焊接试样（a）0.1 mmNi箔片；（b）0.1 mmNi/0.02 mmCu 箔片；（c）0.1 mmNi/0.05 Cu 箔片Fig. 2 Welded samples （a）0.1 mmNi foil；（b）0.1 mmNi/0.02 mmCu foil；（c）0.1 mmNi/0.05 Cu foil

图 3（a）（b）为只添加厚度为 0.1 mm 的 Ni箔片做中间层的铝/钢异种金属激光焊接焊缝横截面的宏观形貌图，图 3（c）（d）为图 3（b）中 P1、P2 区域的微观形貌图。表 3为图 3（c）和 3（d）中A~E区EDS成分分析结果。由图3（a）可知，焊接熔池具有明显的上宽下窄的“匙孔”指状特征，母材和焊缝热影响区受到热应力的影响产生了一定的形变，并且在焊缝区出现细小裂纹，裂纹扩展比较明显，未产生气孔和夹杂物等缺陷，整体形貌良好。

图3 0.1 mmNi做中间层时焊缝横截面形貌图（a），（b）宏观形貌图；（c）热影响区P1区域形貌放大图，（d）热影响区P2区域形貌放大图Fig. 3 Transverse morphologies of weld seam with 0.1 mmNi as interlayer （a），（b）macro figure；（c）enlarged morphology of heat affected zone P1，（d）enlarged morphology of heat affected zone P2

通过对图 3（c）和 3（d）的 EDS（表 3）和 XRD（图4）的分析结果可以得知，其中A区和E区的元素组成接近铝合金母材和不锈钢母材。由于Ni中间层的加入，生成了部分新相，取代了原本的Fe-Al二元脆性相，晶粒细小且分布均匀；在靠近铝合金母材的一侧，产生了一些针状组织，其中部分针状组织在界面层发生断裂，游离并自由形核形成了少量新的针状物质，对这些针状物质进行EDS、XRD分析后可以发现，其组成多为Fe、Al以1∶2比例形成的 FeAl2脆性金属间化合物[17]，其中Ni的含量非常低，可以忽略不计；在靠近不锈钢母材的一侧，产生了不同的Fe-Ni-Al三元相和不同的 Fe-Ni、Al-Ni二元新相[18]，通过对 C、D、E 区域的EDS分析可知，其中游离的晶体元素组成比例多为 Ni、Al以 1∶3 和 0.9∶1.1 的比例形成的二元韧性相NiAl3和Ni0.9Al1.1。

表3 图 3（c）和 3（d）中 A~F 区 EDS 成分分析（原子分数/%）Table 3 EDS component analysis in A-F zone in Figs. 3（c）and 3（d）（atomic fraction/%）

图4 焊缝横截面的 XRD 衍射图成分分析Fig. 4 XRD diffraction diagram composition analysis of weld cross section

在加入Ni 箔片做中间层的基础上，加入厚度为0.02 mm的Cu箔片做复合中间层，进行铝/钢异种金属的激光焊接实验，不改变其他工艺参数的条件下，得到了如图5所示的焊缝横截面的宏观形貌图及微观组织的图片，其中图5（a）（b）为添加厚度为0.1 mm的Ni箔片和0.02 mm的Cu箔片做中间层的铝/钢异种金属激光焊接焊缝横截面的宏观形貌图，图 5（c）（d）为图 5（b）中 P1、P2区域的微观形貌图。

由图 5（a）和 5（b）可以看出，焊缝的整体形貌良好，形成明显的上宽下窄的“匙孔”指状特征，焊缝宽度增加，母材并未产生形变，焊缝区无裂纹和气孔、夹杂物等缺陷，焊缝区并未产生任何针状组织。

图5 0.1 mmNi/0.02 mmCu 做中间层时焊缝横截面形貌图（a），（b）宏观形貌图；（c）热影响区 P1 区域形貌放大图，（d）热影响区P2区域形貌放大图Fig. 5 Transverse morphologies of weld cross section with 0.1 mmNi/0.02 mmCu as interlayer （ a），（b）macro figure；（c）enlarged morphology of heat affected zone P1，（d）enlarged morphology of heat affected zone P2

通过 EDS分析结果（表 4）可知，图 5（c）和5（d）中E区域的元素组成接近铝合金母材，A区域接近不锈钢母材，图 5（c）和 5（d））可以看出，在靠近铝合金母材一侧，焊缝区形成了如齿轮一样的形貌，这种犬牙交错的形貌使得两相界面紧紧地“咬合”在一起。C区域只有微量的Fe元素存在，大多数由Al元素和Cu元素组成，根据XRD（图6）分析可知，相组成多数为CuAl2和CuAl5二元韧性相[19]。在 D区域和 F区域产生少量的 FeAl和FeAl3二元脆性金属间化合物，大部分由CuAl5二元韧性相组成，并未出现以FeAl2为主的针状组织。

图6 焊缝横截面的 XRD 衍射图Fig. 6 XRD diffraction diagram of weld cross section

2.2 改变Cu箔片厚度对焊接接头力学性能的影响

图7 为在室温下使用万能试验机对焊接接头进行拉伸实验后的照片。图8为抗拉伸剪切实验结果的柱状图，实验时每组测试三个试样，取其最大剪切力的平均值。其中添加0.02 mmCu做中间层的焊接接头的力学性能最好，在进行拉伸实验时其承受的最大剪切力为1754.72 N；只加入Ni箔片的铝/钢激光焊接接头的最大剪切力为778.41 N，加入0.05 mm厚Cu做中间层的铝/钢激光焊接接头的最大剪切力为734.97 N。0.02 mm厚Cu箔片的加入，使得铝/钢异种金属焊接接头的力学性能大幅提升，但改变Cu箔片的厚度可以发现，当Cu箔片的厚度增加到0.05 mm时，焊接接头的力学性能并未提高，与只添加0.1 mm厚度Ni箔片做中间层时的焊接接头的力学性能相比，力学性能更差。

表4 图 5（c）和 5（d）中 A~F 区 EDS 成分分析（原子分数/%）Table 4 EDS component analysis in A-F zone in Figs. 5（c）and 5（d）（atomic fraction/%）

图7 拉伸试样断裂照片（a）0.1 mmNi箔片；（b）0.1 mmNi/0.02 mmCu 箔片；（c）0.1 mmNi/0.05 mmCu 箔片Fig. 7 Photo of tensile specimens after fracture （ a）0.1 mmNi foil；（ b） 0.1 mmNi/0.02 mmCu foil；（c）0.1 mmNi/0.05 mmCu foil

图8 拉剪实验结果柱状图Fig. 8 Bar chart of tensile shear test results

图9 为拉伸断口的组织形貌图片，从图9（a）和图 9（c）可知，只添加 0.1 mm的 Ni箔片做中间层时，和添加 0.1 mmNi箔片与0.05 mm的Cu箔片做复合中间层时，断口表面都未找到明显的韧窝，只有大面积河流状和台阶状的撕裂棱。由图9（b）可知在添加 0.1 mmNi箔片与 0.02 mm 的 Cu 箔片做复合中间层时，断口表面出现大面积由于塑性变形产生的显微空洞，即韧窝。结合表5中的EDS分析结果发现，断口中的物相组成与图4和图6的XRD图谱吻合。

2.3 讨论分析

金属Ni作为铝/钢异种金属激光焊接的中间层材料使用，对铝/钢异种金属焊接接头性能的提升，已经得到了广泛的验证。本研究从金属Cu、Ni可以无限固溶、金属Cu在母材Al中的溶解度较大，且Cu与Fe之间没有形成金属间化合物的相存在的角度，在加入Ni箔片做中间层的基础上，同时加入Cu箔片做复合中间层进行铝/钢异种金属激光焊接实验。由于采用激光热传导焊接工艺，中间层金属箔片的厚度不宜过厚，因此选择了0.02 mm和0.05 mm两种不同厚度的Cu箔片进行对比实验，并对实验结果进行了如下分析。

Cu箔片厚度的增加，使Cu-Al界面上温度相对降低，Cu元素向铝合金母材中的扩散效率降低，晶粒共生现象变得不明显，同时由于温度降低，液相化合物均质化过程变得更加艰难，元素扩散不均匀，难以析出更多的强化相，因此当加入厚度为0.05 mm的Cu箔片时，铝/钢异种金属激光焊接接头的力学性能降低，效果比只添加Ni箔片做中间层时差。

在焊接过程中，由于熔融状态下的Cu具有非常良好的流动性，根据Cu-Al二元相图[20]分析可知，当界面层的温度从室温升高到232~548 ℃时，在中间层界面上形成较少的Al-Cu合金液体，使Fe、Al界面上熔融金属的流动效果变好。由EDS的分析可知，低熔点合金液体良好的流动性，降低了熔池中Al元素与Fe元素的相互扩散作用，对焊接接头的致密度和组织形态都有很好的改善作用；就Fe-Cu二元相图而言，没有形成金属间化合物的相存在，只存在富铁或富铜的固溶体[21]。且由于金属Ni的熔点高于金属Cu和不锈钢与铝合金母材的熔点，在高速的激光焊接过程中对Fe元素与Al元素的相互扩散起到良好的物理阻隔作用，因此结合表4和图6的EDS、XRD分析结果可以认为，在加入Cu箔片做中间层后，金属间化合物层大部分由Al-Cu和Fe-Al二元相组合而成。

图9 拉伸剪切实验断口表面形貌图（a）0.1 mmNi箔片；（b）0.1 mmNi/0.02 mmCu 箔片；（c）0.1 mmNi/0.05 mmCu箔片Fig. 9 Fracture surface morphologies of tensile shear tests （a）0.1 mmNi foil；（b）0.1 mmNi/0.02 mmCu foil；（c）0.1 mmNi/0.05 Cu foil

表5 图 9 中断口 EDS 而分析结果（原子分数/%）Table 5 EDS analysis results of the fracture in Fig 9（atomic fraction/%）

对比只添加Ni箔片做中间层时的焊接接头的组织形貌和EDS分析结果可以发现，在加入Cu箔片之后，焊缝区的原子比例发生了明显的变化，其中Al元素的分布更加均匀，且相对来说所占比例有所提高。根据Al-Cu二元相图[20]可以发现，在焊缝区的Cu元素的含量，足以与Al元素反应形成金属间化合物。由相关文献可知[19]，图5（c）中C区域的近似网络结构，是近共晶结构，大部分由α-Al和CuAl2组成，表4和图6中EDS、XRD的检测结果也对其进行了验证。这种网络状的结构与图5（c）中B区域的齿状结构形成了如齿轮啮合一样的形貌，通过EDS分析结果可知，B区域同样是Al-Cu二元韧性相，这两相区域紧密地结合在一起，对焊接接头力学性能的提升起到重要的作用。相反，Fe元素的扩散受到了阻碍，在焊接过程中由于熔融Cu含量的增加，有效地阻碍熔池中Fe元素向铝合金母材一侧的扩散，改变铝/钢异种金属激光焊接界面层的相结构和组织形态，从而改善焊接接头的力学性能。

根据Al-Cu二元相图[20]，在进行激光焊接时，焊缝区发生了固溶强化作用，因为Cu-Al界面在空间上远离激光热源，所以其反应是由焊接熔池的热传导作用导致的。伴随着界面温度的升高，Cu-Al界面间溶质原子相互扩散的能力增强，当温度达到565 ℃附近时，Cu元素向铝合金母材中的扩散速率最高。激光焊接的时间非常短，能量集中，界面温度升高与降低的速率都非常快，几乎没有时间停留在激光焊接的过程中，只能形成少量的铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用，使得焊接接头的强度和韧性都得到了良好的改善。

当温度达到548.2 ℃（共晶温度），此时的液相为低熔点液相，组成非常不均匀，在Al-Cu界面上，靠近Cu的一侧Cu浓度很高，靠近Al的一侧Al浓度很高。在液相中原子的扩散系数很高，所以即使在初期相对较低的温度状态下，液相混合物的均质化过程也会进行得非常快。与此同时，液相中的Cu原子和Al原子之间的原子扩散仍在相互作用，当Cu-Al组合物达到共晶组合物的标准时，附近的母材Al开始发生溶解，进一步阻碍了Fe元素向铝合金母材扩散。此时，由于激光的向前移动，界面层的温度降低，当降低到液相的熔点以下时则开始结晶，最终共晶产物CuAl2与α-Al在界面层中沉淀，进一步改善了铝/钢异种焊接的焊接性。

分析其断裂机理，结合图7与图9可以看出，在只添加Ni箔片做中间层时，试件在焊缝处断裂，未发现明显的颈缩现象，得到的断口上只发现大面积的撕裂棱，其断裂方式可能为解理断裂，对断口进行EDS扫描分析可知，断口中的物相有大量的FeAl2脆性相。在加入0.02 mm厚度的Cu箔片与0.1 mm厚度的Ni箔片做复合中间层时，焊接试样断裂发生在母材与焊缝的结合处，母材未发生断裂，只产生了少量弯曲形变。如图9（b）所示，断口上发现了大面积的韧窝，整体断口较为平整，其断裂方式可能为韧性断裂，断口的EDS扫描结果显示其中的物相主要为CuAl2、CuAl5韧性相，并未发现FeAl2二元脆性相，焊接接头的力学性能得到了很大的提升。将Cu箔片的厚度增加到0.05 mm时，抗拉伸剪切实验结果与只添加Ni箔片做中间层时相似，断口未发现颈缩现象，断口无明显韧窝，存在大面积的撕裂棱，可能为解理断裂，EDS扫描结果显示其断口物相组成只有极少量CuAl2韧性相，接近不锈钢母材，力学性能与未添加Cu箔片时相比更差。