高熵合金粉末对铝钢激光点焊接头性能的影响

2022-10-30肖睿杨瑾刘红兵赵一璇邓沛然

农业装备与车辆工程 2022年6期

肖睿，杨瑾，刘红兵，赵一璇，邓沛然

（201620 上海市上海工程技术大学材料工程学院）

0 引言

近年来，随着全球对能源供给和环境保护的重视，各行业对节能环保的要求逐渐提升[1]。随着现代工业技术的发展，汽车轻量化与复合材料的融合促进了汽车产品的优化，带来了卓越的减重性能、节能降耗以及环保安全[2]，因此钢/铝接头的异种连接在汽车工业应用中越来越重要。由于钢与铝的连接具有不同的物理性能（如熔化温度、热膨胀率和导电性），人们探索了多种方法来实现铝/钢的焊接，如电弧焊[3]、搅拌摩擦焊[4]、电阻点焊[5]、超声波点焊[6]、激光焊接[7]等。激光深熔焊接作为工业上应用最广泛的激光焊接技术之一，具有能量集中、作用时间短的优点，可以有效限制铝/钢接头中有害的金属间化合物（IMCs）[8]。科学家们通过研究发现，添加合金元素（如 Si、Cu 和 Ni 等元素）也可以有效抑制连续层状 Fe2Al5 相的形成，从而提高力学性能[9]。

不同于其他传统合金，高熵合金（HEAs）作为一种新兴材料已被广泛研究。高熵合金（HEAs）具有高熵效应、缓慢扩散、严重的晶格畸变和鸡尾酒效应特点，是一种很有前景的铝-钢连接填充材料。HEAs 的高熵效应和缓慢扩散效应使熔合区容易形成单一固溶体，有助于抑制IMCs。此外，“鸡尾酒效应”使得HEAs 填充材料在熔点、弹性模量和强度等性能方面具有良好的可调性，可以更好地缓解激光焊接后的热残余应力[10]。本文研究了高熵合金（HEAs）粉末对铝钢激光深熔点焊接头的力学性能的影响。

1 试验材料及设计

1.1 试验材料

本文采用的实验材料为 Q235 钢板和 AA5052铝合金板材。利用剪板机分别对铝板和钢板进行加工，钢板的加工尺寸为 25 mm×100 mm×1.8 mm，铝板的加工尺寸为 25 mm×100 mm×2.0 mm。在进行焊接实验前，将Q235 钢母材放置在盛满酒精的烧杯中进行超声波处理，然后吹干，这样可以有效去除钢母材表面的油污。为了防止AA5052 铝合金表面氧化膜对焊接性能造成影响，对其表面进行砂纸打磨，然后将铝母材放置在盛满酒精的烧杯中进行超声波处理，最后烘干，以去除铝母材表明的污渍。钢和铝的化学成分如表1 所示。

表1 母材的化学成分的重量百分比Tab.1 Chemical compositions of base materials in weight percent (wt.%)

1.2 高熵合金粉末表征

图1所示为高熵合金粉末宏观照片和SEM图。如图1 所示，粉末的大小为15～50μm。对不同大小粉末进行了EDS 分析，发现Fe、Co、Ni、Cr 和Mn 成分都接近1，表明了高熵合金粉末成分均匀，表2 为图1 所示点的EDS 分析。

图1 高熵合金粉末的SEM 图像Fig.1 SEM image of high-entropy alloy powder

Tab.2 Corresponding EDS results at selected points as shown in Fig.1(at.%)

1.3 试验设计

为了研究高熵合金对铝/钢激光点焊接头的力学性能影响，对实验进行了设计。首先在铝母材上直接铺展不同厚度的高熵合金粉末，然后进行钢上铝下的焊接。图2 为铺粉和激光铺粉深熔点焊示意图。实验采用5 kW 光纤激光器（IPG YLS-5000）对1.8 mm 的Q235 钢和2.0 mm 的AA5052铝进行钢上铝下的搭接实验。为了有效吸收铝部分的热量，在铝母材底部添加铜热沉。焊接时激光光束垂直作用于工件表面，采用氩气侧吹对熔池进行保护。焊接实验后，使用万能拉伸试验机对接头进行拉伸性能测试，拉伸速度为1.0 mm/s。通过光镜、超景深三维数码显微分析系统、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）对横断面的宏观成形、组织形貌和界面物质组成进行观察与分析。

图2 铺粉和激光铺粉深熔点焊示意图Fig.2 Diagram of laser powder laying keyhole spot welding of powdering and laser powdering

为研究具体高熵合金粉末对接头强度的影响，设计的铺粉厚度分别为0.1，0.3，0.5 mm。本次实验采用的激光功率为3.20 kW，离焦量为22 mm，焊接时间为3 s，保护气流量为20 L/min。表3 为激光铺粉深熔点焊的实验参数表。

表3 激光铺粉深熔点焊工艺参数Tab.3 Process parameters of laser powder laying keyhole spot welding

3 结果及讨论

3.1 宏观结构分析

图3 为铝/钢激光高熵合金铺粉深熔点焊接头截面形貌图。图3（a）为铺粉厚度0 mm 的铝/钢激光铺粉深熔点焊截面。可以发现不填加粉末进行焊接时接头明显焊穿，并有大量的裂纹，成形较差。图3（b）—图3（d）所示为铺粉厚度为0.1，0.3，0.5 mm 的铝/钢激光铺粉深熔点焊截面形貌图。从图中可以观察到，在添加粉末进行焊接后，接头成形有明显的改善，并且形成了锥形接头。通过观察还可以发现，铝/钢激光点焊的接头熔深会随着铺粉的厚度增加而增加，并且锥形熔合区在铝侧的宽度也随铺粉厚度的增加而增加，说明添加高熵合金粉末对于激光热输入有巨大的影响。

图3 激光铺粉点焊接头的横截面形貌Fig.3 Cross section morphology of laser powder laying keyhole spot welding

3.2 力学性能分析

如图4 所示为不同铺粉厚度的铝/钢激光铺粉深熔点焊接头拉伸载荷。图4 显示，平均拉伸载荷随着铺粉厚度的增加呈现先增加后减少的趋势。

图4 铝钢激光铺粉深熔点焊接头拉伸载荷Fig.4 Tensile shearing load of laser powder laying keyhole spot welding

铺粉厚度为0 mm 时，平均拉伸载荷约为1 100 N但存在较大误差。与不铺粉的焊接接头相比，进行高熵合金铺粉时，接头载荷有着明显的提高而且误差范围明显较小，接头力学性能较为稳定。当铺粉深度为0.3 mm 时，接头平均拉伸载荷可以达到1 580 N，接头拉伸载荷最大值可以达到1 810 N，说明高熵合金粉末的添加让焊接过程更加稳定。

3.3 界面微观组织分析

为深入了解高熵合金粉末对于激光点焊接头的影响，对激光铺粉深熔点焊接头进行微观组织研究。

如图5（a）所示为填粉厚度为0 mm 情况下激光深熔铺粉点焊的接头截面的SEM 图。从图5 可以看出，焊接接头直接焊穿并且在熔化区内部有明显的裂纹，而且还存在孔洞；图5（b）为P1 区域的放大图。通过对接头界面处放大，发现在界面处也有形成明显的微裂纹，成型较差。大量的裂纹会严重影响接头的力学性能；图5（c）为铺粉厚度为0.1 mm的激光铺粉深熔点焊接头。由图5可知，铺粉后再焊接，接头形状为成形良好的锥形且可以观察到没有明显裂纹。

为了进一步分析填粉后锥形熔合区的物质及相组成，需要通过EDS 点扫描进行分析；图5（d）为5（c）区域P2 的放大图。可以看出，在熔合区出现了带状结构和岛状结构。分别对其进行能谱分析，发现在A 点处的元素成分比与Fe3Al 的成分比相近，推测形成了富铁为Fe3Al。在带状结构B 点位置，发现Al 的成分约为Fe 的成分的2 倍，推测为富铝相金属间化合物FeAl2。在铝钢界面处C 点位置，发现铁铝比例近似为1∶1，推测为FeAl。在岛状结构点D 也显示铝和钢成分比相似，为富铁相金属间化合物FeAl。

CHEN[11]等人在研究镍箔对铝钢搭接接头的影响时也发现了带状组织的形成，并得出了类似的结论。也说明锥形接头的形成与激光深熔焊模式的匙孔效应有关，在焊接过程中激光对熔池进行了剧烈搅拌，导致了钢和铝的剧烈混合以及带状结构和岛状结构的生成。但是对接头EDS 能谱分析却未发现高熵合金的成分，这可能是由于0.1 mm 厚度的铺粉焊接的高熵合金粉末含量太少；图5（e）为铺粉厚度为0.3 mm 的激光点焊接头。由图5（e）可知，接头成形良好为锥形接头。为了进一步探究高熵合金粉末对焊接接头的影响，对熔合区上部（P3）进行放大；图5（f）为图5（e）区域P3 的放大图。本文分别对图中熔合区F点和热影响区E点进行了能谱分析，发现了Ni、Cr 和Mn 三种元素的存在，而且熔合区的Ni、Cr 和Mn 成分比明显高于热影响区E，这说明粉末在搅拌作用下充分混入熔池。在钢铝夹层中发现了熔化粘结区，对其点G进行能谱分析，发现成分比例与高熵合金粉末分类似，这是因为在焊接过程中，等离子气体向边界的粉末层逸散，大量的热使高熵合金粘结形成粘结区，但并未与铝结合；图5（g）为铺粉厚度为0.5 mm 的激光点焊接头截面SEM 图像。从图中可以看出，高熵合金粘结区与钢铝母材都有进行结合，因此对粘结区放大，如图5（h）所示，发现虽然与铝界面形成了结合，但都出现了细微的裂纹，这对接头的力学性能有影响。

图5 激光深熔铺粉点焊的接头截面的SEM 图Fig.5 SEM image of joint cross section of laser powder laying keyhole spot welding

表4 图5 所示点的EDS 分析（at.%）Tab.4 EDS analysis at the points highlighted in Fig.5(at.%)

3.4 断口分析

锥形接头对焊接力学性能有一定的强化作用，而在拉伸时，界面处的硬脆的Fe-Al IMCs 层会优先开裂，因此必须对激光铺粉焊接的断口进行分析。图6 分别为0，0.1，0.3，0.5 mm 厚度的激光深熔铺粉点焊断口。由图6（a）可知，不填加粉末情况下，接头断在钢侧界面附近，这是因为热输入太大，钢直接下降导致钢侧熔合区变薄，拉伸后优先断裂；从图6（b）可以看出，当铺粉厚度为0.1 mm 时，接头拉伸后，钢侧锥形接头出现裂口，铝侧出现堆积区；由图6（c）可知，当铺粉厚度为0.3 mm 时，只有铝侧出现堆积区；从图6（d）可以看出，当铺粉厚度为0.5 mm 时，直接断在熔合区中心。

图6 铝/钢激光铺粉点焊断口图Fig.6 Fractography image of laser powder-laying keyhole spot welds

进一步分析拉伸过程中断口的形成原因。图7为激光深熔铺粉点焊的典型位移-载荷曲线。结果表明位移-载荷曲线出现了2 种形式：一是试件的接头断口荷载在达到最大值后立即消失（铺粉厚度为0 mm 和0.5 mm）；二是载荷达到最大值后出现了明显的波动（铺粉厚度为0.1 mm 和0.3 mm）。前者为明显的脆性破坏，后者为塑性破坏。XIE[12]等人和HUANG[13]等人在铆接和自铆接搅拌摩擦搭接等机械连接工艺研究中的位移载荷曲线也出现了类似的波动，因此可以认为激光深熔点焊存在机械结合，导致了堆积区的形成。