SUS321不銹鋼和6061鋁合金激光搭接焊接頭的組織和力學性能

高生祥，鄧麗霞

（浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000）

SUS321不銹鋼和6061鋁合金激光搭接焊接頭的組織和力學性能

高生祥，鄧麗霞

（浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000）

焊接參數對鋼鋁異種接頭質量影響明顯。主要研究不同的激光功率和焊接速度對SUS321不銹鋼和6061鋁合金焊縫成形的影響，分析異種接頭的微觀形貌特征及組成，并對接頭的斷口形貌和力學性能進行了試驗研究。結果表明，不同焊接速度和激光功率對于焊縫成形有著重要影響：當激光功率為2 200～2 400 W，焊接速度為30～35 mm/s時可以獲得質量較高的焊縫；在焊接過程中，接頭界面形成了FeAl、Fe2Al3和Fe3Al等金屬間化合物，它們的存在影響了接頭的力學性能；接頭在拉伸試驗中發生韌性斷裂，且裂紋最先在金屬間化合物中萌生，并沿著鋼鋁反應界面進行擴展，直至整個接頭發生斷裂。

SUS321不銹鋼；6061鋁合金；激光焊接；組織結構；力學性能

0 前言

鋼鋁異種金屬焊接技術是一種正在被大力推廣的新型技術，隨著其在降低生產成本和輕量化等方面的巨大優勢，在汽車、交通和裝備制造領域獲得了廣泛應用。鋼和鋁的成分結構和物理化學特性差別巨大，這兩種金屬的接頭會形成大量Fe-Al金屬間脆性化合物，極大降低接頭質量[1]。本研究以“鋼上鋁下”的搭接形式采用激光進行焊接，研究不同焊接速度和激光功率對焊縫的影響，并分析接頭的微觀形貌和抗剪強度。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為SUS321不銹鋼和6061鋁合金。SUS321不銹鋼也稱1Cr18Ni9Ti，屬于奧氏體不銹鋼，是工業生產中廣泛應用的一種高強度結構鋼；6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，具有成形性好、耐蝕性強、強度高、耐高溫性能好等性能，非常適合與不銹鋼結合在一起使用，也是一種在結構件中廣泛使用的材料。采用1.5 mm厚的SUS321不銹鋼與1.5 mm厚的6061鋁合金作為母材進行激光搭接焊試驗，兩種母材的化學成分如表1和表2所示[2]。激光源選用額定功率為4kW的UW-S3000型光纖激光器，試驗波長1 070 nm±10 nm。采用純度99.999%、流量16 L/min的工業用氬氣作為保護氣體，焊接時不填充其他材料，焊接母材板料的尺寸均為200mm×80 mm×1.5 mm。

表1 SUS321不銹鋼化學成分 %

表2 6061鋁合金化學成分 %

1.2 試驗方法

由于不銹鋼和鋁合金兩種母材均易氧化，試驗前應當除去其表面氧化膜。因此焊前要用細砂紙打磨焊接區域表面，并用鋼絲刷和丙酮溶液清洗焊件以去除氧化膜和油污，之后晾干待用。焊接時采用“鋼上鋁下”的搭接形式，用專用焊接夾具將兩種母材夾緊，保證鋼鋁結合面貼緊，如圖1所示。為了研究焊接熱輸入對鋼鋁異種接頭質量的影響，在此分別制備了在不同焊接速度和激光功率下的接頭試樣。

2 不同工藝參數對焊縫成形的影響

要獲得優質的接頭，要求焊接輸入的熱量必須合理，既不能過大使得熔池區域過大，降低母材質量導致飛濺和氣孔等缺陷，又要保證焊縫區域有充分的能量形成大小合適的熔池以保證接頭質量。為此，首先研究焊接速度v和激光功率P對接頭質量的影響。

圖1 焊接試驗過程示意

2.1 焊接速度對焊縫成形的影響

經過前期多次試驗并借鑒文獻[3]的相關研究制備了焊接功率2 300 W，離焦量A=1，焊接速度分別為 25 mm/s、30 mm/s、35 mm/s、40 mm/s的 4 種接頭，其焊縫宏觀形貌如圖2所示。

圖2 焊縫的宏觀形貌

由圖2可知，在4種不同的焊接速度時獲得了不同質量的焊縫。當焊接速度為25 mm/s時，焊接熱輸入較大，形成的焊縫有明顯的凹陷等缺陷；當焊接速度為30 mm/s和35 mm/s時，焊接速度適宜，熱輸入合理，可以形成連續性較好且均勻美觀的焊縫，此時接頭質量較好；當焊接速度超過40 mm/s時，由于焊接速度過快，導致單位時間內單位面積上的熱輸入過低且降低了焊縫成形的連續性，使得焊縫出現因熔融金屬堆積而產生的焊瘤和局部塌陷，極大降低了接頭質量。因此，在其他焊接參數不變的情況下，焊接速度為30～35 mm/s時獲得的焊縫質量較高。

2.2 激光功率對焊縫成形的影響

本研究制備焊接速度32 mm/s，離焦量A=1，激光功率分別為2 000 W、2 200 W、2 400 W、2 600 W的4種接頭，焊縫的宏觀形貌如圖3所示。

圖3 焊縫的宏觀形貌

由圖3可知，在4種激光功率條件下獲得了形貌不同的焊縫。當P=2 000 W時由于熱輸入量較低，形成的焊縫不夠連續，焊縫前半段出現凸起缺陷，后半部分出現部分凹坑，此時不銹鋼與鋁合金未能實現完整的冶金結合，接頭質量較差。當激光功率為2 200 W和2 400 W時，由于熱輸入適宜，焊縫的連續性較好,焊縫表面呈現出魚鱗狀波紋，焊縫無其他明顯缺陷，焊縫質量較好。當激光功率超過2 600 W時，由于熱輸入過大，焊縫出現明顯的下塌缺陷，大大降低了焊縫質量[4]。因此，在其他焊接參數不變的情況下，當激光功率為2 200～2 400 W時獲得的焊縫質量較高。

3 接頭微觀形貌和物相分析

為了研究鋼鋁異種接頭的微觀形貌和組成，采用線切割機沿著焊縫方向將試樣切割成25 mm×25mm的金相試樣，經打磨、拋光和試劑腐蝕處理后在光學顯微鏡下的典型形貌如圖4所示。

圖4 接頭微觀形貌

由圖4可知，接頭的橫截面形狀為上寬下窄的“丁字”形曲面。焊接反應區結合緊密，基本無明顯的氣孔、裂紋或者夾雜等缺陷。在焊縫與鋁合金的反應界面上存在一些間斷的“稻穗”狀物質沿焊縫曲面分布，根據鐵鋁二元相圖分析，這些物質可能為FeAl和FeAl3等金屬間化合物，這些化合物依附于較早冷卻的鋁合金側并沿著溫度梯度變化方向生長[5]。在鋁合金界面與焊縫中心部分存在一個過渡區域，鋼鋁兩種母材在熔池的攪拌作用下，在此形成明顯的熱擴散區，該區域也分布有沿著焊縫中心生長的不均勻組織成分。

為了進一步分析接頭界面的金屬間化合物成分，采用X射線衍射儀對界面層進行XRD分析，結果如圖5所示。在接頭中檢測出了FeAl、Fe2Al3和Fe3Al等幾種金屬間化合物，這與采用Fe-Al二元圖分析的結果基本相同。

圖5 接頭界面層XRD譜

4 接頭力學行為分析

選擇圖2b、圖2c和圖3b、圖3c的4種焊縫成形較好的工藝參數制備接頭進行試驗，每種工藝參數制備10組接頭，并依次編號為1、2、3和4。

在各個工藝參數的焊接試驗完成后，用線切割機將接頭切割為符合國標GB-2651-89的標準剪切試樣，切割時使焊縫處于拉伸試樣中間，試樣具體形狀尺寸如圖6所示。

圖6 拉伸試樣的形狀和尺寸

采用DST數顯式電子萬能材料拉伸試驗機在室溫條件下對這40個試樣進行拉剪試驗，拉伸速度2 mm/min，發生剪切斷裂的照片如圖7所示，試樣在焊縫處發生剝離。

圖7 拉伸試樣的斷裂試樣

由圖8a可知，當激光功率為2 300 W、離焦量A=1、焊接速度30 mm/s（序號為2）時接頭的抗剪強度最高，其平均抗剪強度為38MPa，最高強度42MPa；當激光功率2300W、離焦量A=1、焊接速度25mm/s（序號為1）時接頭的抗剪強度最低，平均抗剪強度27.5 MPa，最低抗剪強度23 MPa。由圖8b可知，4種接頭的斷后伸長率和抗拉強度呈現出類似規律，序號1的接頭斷后伸長率最低，序號2的接頭斷后伸長率最高。4種試樣均在焊縫處發生剝離，用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀形貌，如圖9所示。

圖8 接頭的抗剪強度和斷后伸長率

由圖9a可知，接頭中無明顯的裂紋、氣孔和夾雜等缺陷存在。斷口表面呈灰色，表面形貌凹凸不平分布著大量的撕裂棱和河流狀紋樣，隱約可以看到部分韌窩，斷口呈現出韌性斷裂特征。由圖9b可知斷口表面存在大量解離臺階和撕裂棱，斷口處分布著一些較淺的韌窩，并伴有少量的河流花樣形成，斷口形貌符合韌性斷裂特征[6]。斷裂最先發生在接頭兩側的界面處，這是由于在界面層分布著大量鐵鋁金屬間化合物，其成分分布不均勻，它們的存在降低了接頭強度。在剪切力作用下，裂紋首先在這些金屬間化合物之間萌生，并沿著鋼鋁反應界面進行擴散，直至整個接頭發生剪切斷裂。

圖9 試樣斷口處的SEM圖像

5 結論

（1）當激光功率為2 200～2 400 W、焊接速度為30～35 mm/s時，可獲得質量較高的焊縫。

（2）鋼鋁異種接頭呈現出上寬下窄的“丁字”形狀。通過對接頭區域進行XRD分析可知，接頭區域生成了FeAl、Fe2Al3和Fe3Al等幾種金屬間化合物等鐵鋁間金屬化合物。

（3）通過拉剪試驗發現，幾種焊接參數條件下的接頭均在焊縫處發生韌性斷裂，焊接接頭的最高抗剪切強度為42 MPa，最低抗剪切強度為23 MPa。斷裂發生在接頭的脆性金屬間化合物界面中，然后沿著鋼鋁反應界面進行擴展，直到整個接頭發生剪切斷裂。

[1]李亞江，吳娜.鋼鋁異種金屬焊接的研究現狀[J].焊接，2010（3）：5-12.

[2]王曉虹.鋼/鋁異種金屬激光焊接頭界面特性的研究[D].吉林：吉林大學，2016.

[3]劉微.激光搭接焊不銹鋼/鋁合金接頭組織與性能研究[D].吉林：吉林大學，2014.

[4]戴婷.鋼鋁激光膠接焊組織性能試驗研究[D].湖南：湖南大學，2013.

[5]李玉龍，李鶴，趙誠.鋁鋼異種金屬小功率YAG激光焊接工藝[J].應用激光，2015，35（4）：456-460.

[6]周惦武，喬小杰，張麗娟，等.鍍鋅鋼/6016鋁合金激光焊的BP神經網絡工藝優化及組織和性能[J].中國有色金屬學報，2014，24（3）：678-688.

Microstructure and mechanical properties of welded joints of laser lap welding for SUS321 stainless steel and 6061 aluminum alloy

GAO Shengxiang，DENGLixia
（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

Welding parameters have an important influence on the quality of dissimilar joints.In this paper，the effects of laser power and welding speed on the weld formation of SUS321 stainless steel and 6061 aluminum alloy were studied.The morphology and composition of the dissimilar joints were analyzed，and the fracture morphology and mechanical properties were studied.Through welding test，it is found that different welding speed and laser power have important influence on weld formation.When the laser power is from 2 200～2 400 W and the welding speed is about 30～35 mm/s，the weld with higher quality can be obtained.In the welding process，intermetallic compounds such as FeAl，Fe2Al3and Fe3Al are formed at the interface of the joints，and their existence influences the mechanical properties of the joints.Ductile fracture occurs in the tensile test，and the crack initiates in intermetallic compound and expands along the steel aluminum reaction interface until the joint is broken.

SUS321 stainless steel；6061 aluminum alloy；laser welding；microstructure；mechanical properties

TG457

B

1001－2303（2017）06－0105-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.23

2017-02-11；

2017-04-17

2016年浙江省教育廳科研項目《高碳鉻軸承鋼熱處理工藝及其力學性能研究》（Y201636055）

高生祥（1978—），男，副教授，碩士，主要從事機械工程方面的研究。E-mail：307437234@qq.com。

本文參考文獻引用格式：高生祥，鄧麗霞.SUS321不銹鋼和6061鋁合金激光搭接焊接頭的組織和力學性能[J].電焊機，2017，47（06）：105-109.