工藝參數對鋁/鋼激光搭接焊接頭質量的影響

羅兵兵，張 華，雷 敏，曾遨日

(1.南昌大學江西省機器人及焊接自動化重點試驗室，江西 南昌 330031；2.廣東省科學院中烏焊接研究所，廣東 廣州 510631)

在汽車車身設計中，采用鋁/鋼一體化結構件旨在減輕汽車重量、節約能源，所以實現鋁/鋼異質材料的可靠連接具有重大意義[1-4]。然而，由于鋁與鋼之間固溶度低，物理化學性能差異大，導致鋁/鋼異質材料焊接過程中易出現焊接過程不穩定、接頭應力大、接頭裂紋等問題，尤其接頭界面金屬間化合物的厚度過大導致接頭力學性能顯著降低成為鋁/鋼可靠連接亟待解決的難題[6-8]。傳統的焊接方法由于熱輸入量大、焊接周期長、焊接柔性差等原因而很難實現汽車工業中鋁/鋼結構件的連接[9-13]。國內外研究學者的研究表明，由于激光焊具有眾多諸如焊接速度快、焊接變形小、熱源和聚焦光斑大小可精準控制等優勢，使得激光焊接技術成為實現鋁/鋼異質材料優質高效連接的理想方法[14-15]。

法國學者Sierra等[16]采用激光深熔焊技術實現了低碳鋼和鋁合金的冶金連接，并表示控制鋁側熔深在一定范圍內時可以獲得較大的接頭強度。北京工業大學張冬云等[17]和北京科技大學陳樹海等[18]等對鋁/鋼搭接接頭進行了激光焊研究，試驗過程分別添加Ni箔和AlSi5焊絲，分析了不同熱輸入量對焊縫顯微組織及力學性能的影響，結果表明不銹鋼焊縫金屬嵌入到鋁合金內的熔穿深度對焊縫的力學性能有著重要的影響，在低能量密度參數下的焊縫鋁/鋼界面金屬間化合物厚度更薄，接頭強度更大。

綜上可知，焊接熱輸入對鋁/鋼異質材料焊接頭的成形及界面金屬間化合物厚度等有著重要的影響[16-18]。所以，本文采用鋼上鋁下的搭接方式進行激光焊接，探索激光功率和離焦量對鋁/鋼搭接焊縫的成形質量影響。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗選用的材料為車用薄板6016鋁合金和DC06低碳鋼，尺寸均為105 mm×45 mm×0.8 mm，化學成分如下表1和表2所示。

表1 DC06低碳鋼化學成分(wt.%)

表2 6016鋁合金化學成分(wt.%)

試驗所用加工設備為六軸聯動KUKA激光焊接機器人，重復定位精度為±0.05 mm。激光器為美國IPG Photonics公司生產的YLS-2000TR連續激光發生器，其最大輸出功率為2 000 W，輸出激光波長為1 070 nm，光束質量BPP≤8 mm·mrad-1，聚焦光斑直徑為0.30 mm。

1.2 試驗方法

本文進行0.8 mm厚的6016鋁合金與DC06低碳鋼激光搭接焊試驗，搭接量為16mm，搭接示意圖如圖1所示。為了保證焊接質量，排除其他因素對焊縫成形的影響，焊前嚴格對鋁母材進行機械清理和酸堿溶液化學處理，去除鋁母材表面的污漬和氧化膜，對鋼母材進行機械清理并用丙酮清洗，去除表面雜質與油污。

圖1 鋁/鋼搭接接頭示意圖

本文僅考慮激光功率和離焦量對鋁/鋼激光搭接焊接頭成形質量的影響，采用控制單一變量法，即每次試驗在單獨改變激光功率和離焦量的條件下進行，激光功率從700～1 000 W，離焦量從-1～+3 mm，試驗過程中設定焊接速度為0.07 m·s-1，采用側吹高純Ar氣的方式進行焊縫保護，Ar氣流量為20 L·min-1。

工藝試驗完成后，采用線切割機沿垂直焊縫方向切割，分別制備成拉伸試樣和金相試樣，對拉伸試樣進行抗拉剪力測試，拉伸速度為1 mm·min-1。配置質量分數為4%的HNO3溶液腐蝕金相試樣，腐蝕時間8～10 s，采用GX71F型奧林巴斯光學顯微鏡觀察鋁/鋼搭接焊接頭金相組織。

2 試驗結果分析

2.1 激光功率對焊縫成形的影響

在離焦量為+2 mm，焊接速度為0.07 m·s-1時，不同激光功率下的接頭表面成形如圖2所示。從圖2焊縫正面成形可看出，在不同激光功率下焊縫成形焊道窄，表面均呈銀白色，具有一定的金屬光澤。在焊縫的起點和終點出現凹坑，這些凹坑是由于激光焊接的初始點和終止點是機器人機械臂的過渡點，激光作用時間長導致。激光功率為700、800、900 W時焊接過程穩定，焊縫成形美觀，表面飽滿光滑、熱影響區小。無可見飛濺、裂紋等缺陷產生，獲得了優良的焊縫成形。激光功率增大到1 000 W時，焊接過程不穩定，焊縫寬度不等，表面凹陷，產生了大量飛濺，表面成形質量差。從焊縫背面成形可看出，激光功率為700 W時，熔透痕跡淺或沒有，隨著激光功率的增大，均能實現鋁/鋼的熔透焊，熔透痕跡逐漸清晰。

圖2 不同激光功率下的接頭宏觀形貌(左邊為正面，右邊為背面)

不同激光功率下的鋁/鋼搭接焊接頭金相組織如圖3所示。由圖3可知，在4種激光功率下，鋁/鋼搭接接頭整體上寬下窄，呈“釘頭”形，表現出激光匙孔效應的深熔焊特征。激光功率為700 W時，鋁合金只有少量熔化，鋁側熔深與熔寬小，焊縫有效結合面積小。當激光功率增大到800 W時，有一定的余高，焊縫與母材金屬光滑過渡。在熔池的中上部生成了大量塑韌性良好的珠光體組織。激光功率繼續增大到900 W時，余高也增大。熔池內部生成粗大的并垂直熔合線生長的柱狀晶組織，焊縫/鋁界面生成較厚的金屬間化合物。激光功率為1 000 W時，焊縫凹陷，熔池內部產生大量裂紋。這是因為激光功率主要影響熱輸入量的大小，焊接速度一定時，熱輸入量與激光功率成正比，所以激光功率對焊縫成形有著重要的影響。當激光功率較小時，熱輸入量小，激光束能量只能熔透鋼母材，難以使鋁母材熔化或只有少量熔化。熔深淺，焊縫有效結合面積小。隨著激光功率的增大，熱輸入量同時增大。鋼在鋁側穿透能力增強，導致鋁的熔化量增大，鋁側熔深與熔寬均增大，有效結合面積增大。當激光功率過大時，激光束與等離子體對匙孔壁的沖擊作用增大，焊接過程不穩定。母材熔化量過多，導致液態金屬自身重力大于其表面張力，使焊縫凹陷。

圖3 不同激光功率下的金相組織

2.2 離焦量對焊縫成形的影響

在激光功率為800 W，焊接速度為0.07 m·s-1時，不同離焦量下的接頭表面成形如圖4所示。從圖4焊縫正面成形中可以看出，在不同離焦量下焊縫表面均呈銀白色，具有一定的金屬光澤。在負離焦量(f=-1 mm)時，焊接過程不穩定，表面凹陷。熱影響區大，表面產生了大量飛濺。零離焦量時，表面成形有所改善，但仍然有大量飛濺產生。離焦量為+1，+2，+3 mm時，飛濺消失，且焊縫表面成形飽滿。隨著離焦量的增大，表面成形越加光滑、均勻，熱影響區逐漸減小。

圖4 不同離焦量下的接頭宏觀形貌(左邊為正面，右邊為背面)

離焦量對鋁/鋼搭接焊接頭金相組織的影響如圖5所示。從圖5可知，在5種不同離焦量下，接頭呈現激光匙孔效應的深熔焊特征，整體形貌呈“釘頭”形。接頭成形質量變化明顯，隨著離焦量從負離焦到正離焦并不斷增大的過程中，焊接缺陷逐漸消失，焊縫成形得到了改善。在離焦量為-1 mm時，接頭凹陷，熔深最大，為391.82 μm。在焊縫/鋁界面處生成了一定厚度的金屬間化合物層，同時熔池內部存在大量孔洞和橫穿鋁/鋼界面的裂紋。離焦量為0 mm，缺陷得到改善，凹陷減小，鋁側熔深與熔寬均減小。焊縫/鋁界面生成較厚的金屬間化合物層。離焦量增大到+1 mm時，接頭有一定的余高，界面仍然分布著不均勻的金屬間化合物。隨著離焦量的繼續增大，余高減小，金屬間化合物數量減少。離焦量為+2 mm時，在熔池的中上部生成大量塑韌性良好的珠光體組織。離焦量增大到+3 mm時，鋁合金只有少量熔化，鋁側熔深與熔寬小。這是因為離焦量是反映激光束聚焦平面相對工件表面的位置和聚焦光斑的大小，離焦量的大小主要影響輻照到低碳鋼表面的能量密度，所以離焦量對焊縫成形有很大的影響。在負離焦時，聚焦光斑進入工件內部，由于焦點處的能量密度最大，導致金屬蒸汽強烈揮發，光束在匙孔中反射次數增多，母材吸收的能量增多，鋼液在鋁側的穿透能力大，液態鋁與鋼反應生成大量金屬間化合物，并且激光束與等離子體在匙孔內部對孔壁產生劇烈沖擊會使焊接過程不穩定，熔池內部產生大量諸如裂紋和孔洞等缺陷，接頭成形質量低。離焦量增大時，光斑聚焦平面遠離工件表面，光斑尺寸增大，作用于工件上的能量密度減小，匙孔對金屬的垂直穿透能力降低，從而使鋁的熔化量減少，鋁側熔深與熔寬逐漸減小，金屬間化合物數量減少。

圖5 不同離焦量下的金相組織

2.4 力學性能測試

圖6為不同激光功率條件下鋁/鋼搭接接頭的抗拉剪力。由圖6可知，當激光功率為700 W時，鋁/鋼搭接焊接頭抗拉剪力最小。隨著激光功率的增大，接頭抗拉剪力先增大后減小。在激光功率為800 W時，鋁/鋼搭接焊接頭抗拉剪力達到最大，最大值為81.3 N·mm-1。結合前面焊縫成形與金相組織分析可知，激光功率為700 W時，鋁側熔深與熔寬小，焊縫有效結合面積小，使得接頭承載能力較小。激光功率為800 W時，鋁/鋼界面金屬間化合物少，熔池中上部生成塑韌性良好的珠光體組織，有利于接頭性能的提升。隨著激光功率增大到900 W，焊縫中生成粗大的柱狀晶組織。激光功率繼續增大時，由于熱輸入量較大，焊縫凹陷，焊縫/鋁界面處生成較厚的金屬間化合物，內部有大量裂紋產生，顯著降低接頭力學性能。

激光功率/W

圖7為不同離焦量條件下鋁/鋼搭接接頭的抗拉剪力。由圖7可知，離焦量從負離焦到正離焦的過程中，鋁/鋼搭接接頭抗拉剪力先增大后減小。在離焦量為+2 mm時，鋁/鋼搭接焊接頭抗拉剪力達到最大，最大值為81.3 N·mm-1。這是因為離焦量為-1 mm時，接頭內部存在大量裂紋和孔洞等缺陷，降低了接頭力學性能。離焦量為+1 mm時，焊縫成形得到改善，力學性能有所提高，但焊縫/鋁界面仍生成較厚的金屬間化合物，且焊縫余高大，易產生較大的應力集中，從而限制了力學性能的提升。離焦量為+2 mm時，熔池中上部生成塑韌性良好的珠光體組織，金屬間化合物數量減少，有利于接頭性能的提升。離焦量為+3 mm時，鋁側未熔化或只有少量熔化，未能實現鋁/鋼搭接接頭的有效結合，使得接頭承載能力小。

離焦量/mm

3 結論

通過激光焊接技術對車用6016鋁合金與DC06低碳鋼進行鋼上鋁下搭接焊試驗，得出如下結論：

(1) 在離焦量為+2 mm，焊接速度為0.07 m·s-1的條件下，激光功率為700、800、900 W時，焊縫表面飽滿光滑、熱影響區小，獲得了良好的焊縫成形。激光功率為800 W時，在熔池的中上部生成大量塑韌性良好的珠光體組織，隨著激光功率的增大，鋁側熔深和熔寬逐漸增大，焊縫/鋁界面生成金屬間化合物數量增多。

(2) 在激光功率為800 W，焊接速度為0.07 m·s-1的條件下，離焦量為-1和0 mm時，焊接過程不穩定，表面凹陷，產生了大量飛濺，鋼液在鋁側的穿透能力大，在焊縫/鋁界面生成大量金屬間化合物。隨著離焦量的增大，分別為+1、+2、+3 mm時，焊接缺陷逐漸消失，焊縫成形得到了改善，鋁側熔深與熔寬逐漸減小，焊縫/鋁界面金屬間化合物數量減少。

(3) 當激光功率為800W，焊接速度為0.07 m·s-1，離焦量為+2 mm時，鋁/鋼激光搭接焊接頭抗拉剪力最大，為81.3 N·mm-1。