Q235鍍鋅鋼與5052鋁合金CMT焊接工藝*

張楠楠，徐曉歡，寧學輝，張 悅，李德元

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

鋼結構車身框架與鋁合金外殼相結合，可以同時滿足安全節能及環保的目的.但Fe、Al性質差異較大，焊后應力較大，因而易導致裂紋[1]，加之焊接過程中會形成硬脆的金屬間化合物，故而會影響焊接接頭性能.因此，國內外專家學者嘗試采用各種手段如摩擦焊、擴散焊、爆炸焊、激光焊、電弧焊、釬焊等對鋁/鋼進行焊接.雖然部分焊接接頭質量可以達標，但由于存在各種弊端，如對工件形狀要求較高，生產效率不高，危險性較高，熱輸入可控性差等因素，限制了鋁/鋼焊接在生產制造業中的推廣.

相比于其他焊接方法，冷金屬過渡(CMT)熔釬焊方法在異種金屬焊接中具有獨特優勢，可采取數字化方法調控送絲過程與熔滴過渡，可采用焊絲回抽分離熔滴與焊絲，且焊接質量較好，操作簡便.本文采用CMT方法進行鋼鋁薄板的搭接實驗，重點研究焊接速度、送絲速度和氣體種類對焊縫宏觀形貌、焊接接頭微觀組織和力學性能的影響[2].

1 材料和方法

利用Fronius公司生產的TPS3200系列CMT焊機并采用鋁上鋼下搭接10 mm的方法焊接5052鋁合金和Q235鍍鋅鋼板，兩者尺寸均為200 mm×100 mm×1 mm.焊絲采用直徑為1.2 mm的ER5183Al-Mg焊絲.焊前需用砂紙和丙酮去除母材表面氧化膜和油污.具體焊接工藝參數如表1所示.表1中1～9組為Ar氣保護下的焊接工藝參數，10～12組為CO2保護下的焊接工藝參數，氣體流量保持為12.5 L/min，焊槍角度設定為90°.

表1 焊接工藝參數Tab.1 Welding technological parameters

完成焊接后，將試件制成金相試樣和拉伸試樣，鋼側腐蝕劑為鉻酸硫酸鈉溶液+硝酸酒精，鋁側為氫氟酸.采用XJP-100型金相顯微鏡、日本Hitachi公司所產的S-3400N型掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對鋁合金和鍍鋅鋼板的熔釬焊接頭的顯微組織進行觀察分析.利用WDW-100型微控電子萬能實驗機進行常溫拉伸性能測試.利用HVS-5型顯微硬度計對熔釬焊接頭的金屬間過渡層、母材熱影響區、母材基體進行顯微硬度測試.

2 結果和分析

2.1 焊縫的宏觀形貌

CMT參數調節屬于一元化方式，即通過改變送絲速度的大小決定電流和電壓.焊接速度和送絲速度綜合影響焊接熱輸入.不同焊接參數下的焊縫宏觀形貌如圖1所示.焊縫表面缺陷隨著送絲速度即熱輸入的增大而增大，當熱輸入較大時，出現了咬邊和焊瘤，焊縫變得粗糙，焊縫金屬填充量增大，焊縫變寬[3].當采用CO2作為保護氣體且采用第11組參數時，焊縫高度降低，釬料潤濕角變小，鋪展性較好，但焊縫發黑且粗糙不連續，表面存在凹坑、未熔合及咬邊等嚴重缺陷(見圖1d).

圖1 不同工藝參數下焊縫的宏觀形貌Fig.1 Macro morphologies of weld under different technological parameters

2.2 焊縫的微觀形貌

2.2.1 釬焊區微觀形貌

不同工藝參數下焊接接頭釬焊區的微觀組織形貌如圖2所示.由圖2可見，兩種金屬間存在5～6 μm的過渡層，晶體的生長方向與過冷度有關，鋁的熱導率較大，靠近鋁側金屬冷卻快，結晶時過冷度較大，晶體由于缺少足夠的生長時間而呈棉絮狀或針狀向鋁基體側生長.相反，鋼側晶體呈粗大舌狀或條狀向鋼側生長.對比圖2a、b可知，熱輸入越大，過渡層金屬向基體生長得越明顯且厚度越大，此現象在陳滿驕[4]對鋁/鋼異種金屬焊接研究中也得以證實.對比圖2b、c可知，不同于Ar氣保護，CO2會與熔池金屬發生反應，釬焊連接區過渡層呈現出更為明顯的棉絮狀生長形態，焊接接頭處縮孔變得更為粗大.同時由于CO2熱量高于Ar氣，導致過渡層周圍組織粗大.

2.2.2 熔焊區微觀形貌

不同工藝參數下焊接接頭熔焊區的微觀形貌如圖3所示.對比圖3a、b可知，氣孔數量及大小隨熱輸入的增大而減小，這是因為較高的熱輸入可以延長熔池的存在時間，從而為氣體溢出提供更多時間，而且第二相析出、形核時間更為充裕，因而第二相數量更多、尺寸更大.對比圖3b、c可知，采用CO2保護時第二相的數量和形態都有所增大.

圖2 不同工藝參數下釬焊區的微觀形貌Fig.2 Micro morphologies of brazing zone under different technological parameters

2.3 微觀組織成分分析

異種金屬之間反應生成化合物的速度遠大于金屬間過渡層的分解速度以及液態鋁合金向固態鋼側的擴散速度，因此，鋼鋁之間相互擴散的結果是在二者界面處形成化合物層[5].

通過對焊接接頭進行SEM和EDS分析后發現，焊接接頭的釬焊連接區過渡層會生成一種致密的灰色新相即Fe-Al金屬間化合物，且該新相厚度低于10 μm.Ar氣組金屬間過渡層形貌如圖4所示.由圖4a、b可知，在焊接過程中鍍鋅鋼板、過渡層Ⅰ區、過渡層Ⅱ區和鋁側熔焊連接區中Al、Mg元素含量逐漸增大，而Fe元素變化趨勢與之相反.在擴散過程中Al、Mg和Fe元素互擴散現象尤為明顯.焊接接頭的過渡層中生成了致密的金屬間化合物.

圖3 不同工藝參數下熔焊區的微觀形貌Fig.3 Micro morphologies of fusion zone under different technological parameters

Ar氣保護下焊接接頭釬焊連接區組織成分分析結果如表2所示，且表2中數據皆為原子分數.結合表2和Fe-A1二元合金相圖可知，過渡層Ⅱ區生成了Fe3Al與FeAl.Fe3Al和FeAl的高溫強度與蠕變性能在金屬材料中具有很大優勢，且其抗氧化和耐腐蝕性能較好[6].陳樹海等[7]在對鋼/鋁異種金屬焊接研究中亦發現此類金屬間化合物的形成.此外，過渡層Ⅰ區形成了FeAl3，少量FeAl2和Fe2A15存在于過渡層Ⅰ區和過渡層Ⅱ區之間，較多α-Al出現在焊縫熔化區.在熔池金屬凝固過程中當發生共晶反應時，在枝晶邊界上形成Al-Mg共晶，并附著在熔焊連接區鋁側母材上.通過能譜測量，在釬焊連接區并未發現Zn元素，這是因為焊接時電弧溫度在Zn的沸點溫度(906 ℃)之上，在焊接過程中Zn元素可以帶走熱量并降低熱輸入[8]，維持電弧穩定性的同時引導焊縫成形.在焊接過程中大多數Zn聚集在焊縫尖端并形成富鋅區，導致釬焊連接區很難檢測到Zn元素.

圖4 Ar氣組金屬間過渡層形貌Fig.4 Morphologies of intermetallic transition layer in Ar gas group

表2 Ar氣組釬焊連接區組織成分分析Tab.2 Analysis of structural components for brazing joint area in Ar gas group %

2.4 工藝參數對金屬間過渡層厚度的影響

崔佃忠[9]發現，熔釬焊接頭的使用性能受金屬間過渡層的影響較大.不同送絲速度對金屬間過渡層厚度的影響如圖5a所示.由圖5a可見，熱輸入越大，熔池的存在時間越長，從而為Fe和Al的相互擴散創造了更多的時間和條件，同時金屬間過渡層厚度也隨之增大.同時，熱輸入增大會使電流增加，影響焊縫成形和熔深，此觀點在徐國建等[10]的研究中也得以證實.采用不同保護氣體時，焊接速度對金屬間過渡層厚度的影響如圖5b所示.由圖5b可見，CO2氣體的加入對Al-Fe相的生成具有促進作用，Ar氣組的金屬間過渡層厚度隨著焊接速度的增大而減少，而CO2保護下厚度變化與之相反.

圖5 工藝參數對金屬間過渡層厚度的影響Fig.5 Influence of technological parameters on thickness of intermetallic transition layer

2.5 焊接接頭力學性能

2.5.1 送絲速度的影響

不同送絲速度對焊接接頭力學性能的影響如圖6所示.當送絲速度過小或過大時，都會降低焊接接頭的抗拉強度.當送絲速度為4.5 m/min時，焊接接頭抗拉強度最佳(見圖6a)，此時焊接接頭的塑性也較好(見圖6b).焊接接頭各部分區域的硬度隨著送絲速度的增大而降低(見圖6c)，這是由于第二相因合金的高溫加熱而析出，導致焊接接頭硬度和強度下降.但鋼鋁兩側母材基體的硬度低于過渡層的硬度，這是由于在過渡層中生成了Al-Fe相，硬度較高的Al-Fe相可使過渡層發生硬化.

2.5.2 焊接速度的影響

不同焊接速度下焊接接頭的抗拉強度如圖7所示，且焊接速度分別對應第4、5、6組參數.由圖7可見，焊接速度偏大或偏小均會減弱焊接接頭的抗拉強度.當焊接速度為0.45 m/min時，可獲得最高抗拉強度128.3 MPa，此時金屬間過渡層硬度為179.4 HV，厚度約為5.04 μm,且焊接接頭的失效位置位于鋁側熔焊區的熱影響區.

圖6 送絲速度對力學性能的影響Fig.6 Effect of wire feeding speed on mechanical properties

圖7 焊接速度對抗拉強度的影響Fig.7 Influence of welding speed on tensile strength

2.5.3 氣體種類的影響

Ar氣組選用7、8、9組參數，CO2組選用10、11、12組參數，氣體種類對焊接接頭力學性能的影響如圖8所示.在CO2氣保護下進行試樣拉伸實驗后發現，斷裂均發生在鋁側熱影響區.CO2保護下隨著熱輸入的變化，焊接接頭抗拉強度的波動范圍表明，熱輸入對鋁合金焊接接頭的軟化程度影響較小，CO2保護下焊接接頭的抗拉強度和塑性明顯高于Ar氣保護的情況，當選用第11組參數時，最大抗拉強度可達133 MPa(見圖8a).此外，焊接接頭斷裂前屈服現象明顯(見圖8b).進行硬度比較時發現，選擇CO2保護下的第11組參數時，焊接接頭的硬度值更高可達194.6 HV，通過測量可知此時金屬間過渡層厚度約為5.68 μm.CO2保護下焊接接頭各區域的硬度值變化與Ar氣保護時相似，且兩側母材的硬度值低于過渡層的硬度值(見圖8c).常云龍等[11]利用縱向磁場對CO2焊接電弧進行研究，同樣發現了這種變化的規律性.

圖8 氣體種類對力學性能的影響Fig.8 Influence of gas type on mechanical properties

3 結 論

本文研究了工藝參數對鋁/鋼熔釬焊接頭宏觀、微觀組織及力學性能的影響，得出以下結論：

1)在Ar氣保護下焊接接頭的最大抗拉強度為128 MPa，金屬間過渡層硬度為179.4 HV，其厚度約為5.04 μm.CO2氣體保護下焊接接頭的最大抗拉強度為133 MPa，金屬間過渡層硬度為194.6 HV，其厚度約為5.68 μm.

2)Ar氣保護下焊接接頭熔化區主要由α-Al相和Al-Mg共晶相組成，而過渡層中則生成了致密的金屬間化合物，其主要產物為FeAl、Fe3Al、FeAl3、FeAl2和Fe2A15.

3)隨著送絲速度的增加，熱輸入量增大，導致熔池存在時間延長，使得Fe和Al有更多的時間進行相互擴散，金屬間形成的過渡層也隨之增大.

4)采用CO2保護可以有效促進金屬間化合物的生成，使得焊接接頭的抗拉強度、塑性和硬度均有所提高.