不同功率對激光擺動焊接鋼/鋁異種材料的影響

巴 一，韓善果，任香會，師文慶，黃進鈺，黃 江，謝玉萍，何寬芳

(1.廣東海洋大學 電子與信息工程學院，湛江 524088；2.廣東省科學院 中烏焊接研究所，廣州 510650；3.佛山科學技術學院 機電工程與自動化學院，佛山 528225)

引 言

鋁合金耐腐蝕、重量輕;雙相鋼成本低、強度高,二者均被廣泛應用在航空航天、船舶制造等領域[1-3]。隨著制造行業的發展，單一結構的構件無法滿足使用要求，異種材料的應用逐漸普遍，鋼/鋁兩種工業中常用材料，異種焊接無可避免。但兩種材料的物理性能和化學成分差異較大，在焊接過程中兩種材料之間的低混相性導致焊縫的冶金相容性較差容易產生熱裂紋、氣孔、未熔合和等缺陷[4-6]。

激光擺動焊接具有熱輸入量高、使加工材料殘余應力小等優點，在異種材料焊接的領域具備廣闊的應用前景[7-8]。目前已有學者使用激光擺動焊接金屬材料。WEN等人[9]使用激光擺動焊接6A01-T5鋁合金，通過觀察接頭氣孔的分布和微觀組織，對比不同焊接方法對接頭的影響，研究結果表明，激光擺動焊接得到的接頭顯微硬度和拉伸力得到顯著提升。LI等人[10]通過使用5種激光擺動方式疊焊不同厚底的301不銹鋼板，對焊縫成形和氣孔率的影響規律進行分析，得到結論：相較于常規焊接激光擺動焊接得到的接頭表面成形好、氣孔較少、剪切強度較高。LI等人[11]使用兩種擺動模式和一種直線模式焊接鋼/鋁接頭，通過宏觀形貌、接頭元素分布、剪切強度的對比，發現使用激光擺動模式焊接的鋼/鋁接頭具備更好的性能。CHEN等人[12]將線性焊接與擺動焊接的Q235鋼接頭進行對比分析，通過金相組織、抗拉強度、顯微硬度的對比得出結論：擺動焊接對焊接接頭有有利的影響。DIMATTEO等人[13]使用激光擺動焊接銅鋁薄板，研究不同焊接方式、激光功率、焊接速率、光束擺幅對焊縫寬度、熔寬、熔深的影響，結果表明，鋁上銅下的焊接方式具備更好的焊接質量，擺動幅度對焊縫長寬比的影響較大。

目前，針對不同擺動頻率、不同擺動圖案對焊接結果影響的研究較多，對激光功率的變化影響焊接結果的研究較少，因此，具備一定的研究價值。本文中對5083鋁合金和DP780雙相鋼進行激光擺動焊接，研究不同的激光功率對焊縫成形、金相組織以及力學性能的影響，擬為激光擺動焊接在工業上的應用提供參考。

1 實驗設備和方法

1.1 實驗設備

實驗中使用1.3mm厚DP780雙相鋼和1mm厚的5083鋁合金板材的尺寸均為180mm×100mm，主要化學成分如表1所示。搭建圖1所示的焊接系統。采用Trumpf 10002碟片激光器，激光束通過光纖進行柔性傳輸，傳輸光纖最小直徑為200μm。采用最大功率10kW的連續激光器，輸出波長1030nm，額定功率下的功率輸出穩定性為±1%。

Table 1 Main chemical composition of substrate material (mass fraction)

Fig.1 Welding system

1.2 實驗方法

實驗中采用鋼上鋁下的搭接方法，示意圖如圖2所示。搭接距離為35mm，用氮氣保護，氮氣的流速是15L/min。

影響焊接結果的主要因素有：激光功率、焊接速率和離焦量，其中激光功率對焊縫的影響最為顯著。因此本文中主要研究激光功率對焊縫宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度和焊縫拉伸性能的影響。根據以往的焊接經驗，激光功率在1400W～1600W之間焊縫成型效果較好[14]，為獲得良好的焊接效果焊接功率的窗口范圍，設計如表2所示的實驗參數。

使用鋼刷打磨鋼鋁材料，使用工業乙醇進行清洗，除去表面多余油脂和雜質。沿著焊縫垂直方向切割拉伸和金相試樣。切割后的金相試樣使用800#、1500#、2000#的砂紙依次打磨表面，然后使用金相磨拋機(UniMP-202)對試樣進行機械拋光以得到光澤鏡面。使用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶7的溶液對試樣表面進行腐蝕，使用平面測量顯微鏡(VH1202)和數字化金相顯微鏡(Ario Image.M2m)對焊縫形貌和微觀組織進行分析。使用顯微維氏硬度計(Buehler VH1202)測量焊縫的顯微硬度，測量標準選用ASTM E384，測量時加載力為500g，保壓時間為10s。拉伸試驗使用電子萬能拉伸試驗機(上海捷滬CMT4202)，拉伸試樣規格為20mm×130mm，實驗時，分別在兩側的母材處加入1.2mm和1mm厚度的墊板，保證拉伸力與接頭界面平行。

Fig.2 Welding diagrama—diagram of laser lap structure b—diagram of laser travel path

Table 2 Welding parameters

2 實驗結果與分析

2.1 宏觀形貌

激光功率過大或過小，都會使鋼/鋁兩種材料焊接失效。當采用較小的激光功率時，激光輻照在鋼板表面，產生的能量較低，無法完全熔化鋼鋁兩種材料，產生熔池。當采用較大的激光功率時，激光輻照在材料表面，雖然可以完全熔化兩種材料產生熔池，冷卻速率低，但是熔池存在時間較長，熔池內的金屬蒸發量增多，容易產生裂紋、板材焊穿的情況，致使連接失效[15]。使用spiral模式擺動焊接鋼/鋁薄板的有效功率區間在1400W～1600W，圖3為不同激光功率下焊縫的宏觀形貌。通過觀察可以看出，使用1400W功率焊接的焊縫成形效果最好，焊縫整體呈銀白色，表面紋路清晰，飛濺較少；使用1500W的功率時，焊縫飛濺增多，焊縫有少量氧化物，這是由于熔池內的由于合金元素的燒傷所導致[16]；當激光功率為1600W時，焊縫整體下榻、氧化嚴重、飛濺增多、接頭下榻，成型效果差。

Fig.3 Surface morphology of weld seam under different laser power

2.2 金相組織

焊接接頭主要由熱影響區(heat affected zone，HAZ)、熔合線(fusing line，FL)、焊縫(weld zone，WZ)三部分組成，因為激光擺動焊接對接頭熱影響區部分無明顯影響，因此通過金相顯微鏡觀察不同功率焊接接頭上下兩部分的金相組織，并對其進行分析。當激光功率為1400W時，如圖4所示。圖中,BM(base metal)是激光融化母材。接頭上下兩端的金相組織均為馬氏體，與上側、下側的馬氏體尺寸相比相對較小，這是因為上側吸收的激光熱源較多，有足夠的能量支撐晶粒成長。

Fig.4 Metallographic structure of 2# steel/aluminum jointa—overall morphology of weld seam b—metallographic structure in zone 1 of joint c—metallographic structure in zone 2 of joint

當激光功率為1500W時，如圖5所示。焊縫頂端和底端為馬氏體，相比于2#焊接接頭，馬氏體的尺寸略大，在焊縫底端有少量帶狀分布的鐵素體。在馬氏體上顆粒狀的黑點為碳化物。

Fig.5 Metallographic structure of 3# steel/aluminum jointa—overall morphology of weld seam b—metallographic structure in zone 1 of joint c—metallographic structure in zone 2 of joint

當激光功率為1600W時，如圖6所示。焊縫內產生大量鐵素體，在焊縫的頂端有少量的片狀珠光體，在鐵素體和馬氏體交接的地方產生少量的馬氏體。隨著接頭熔深的增加，鐵素體的含量逐漸增多。接頭上下兩側為鐵素體，中間為少量片狀珠光體和馬氏體，4#接頭整體由鐵素體組成。

Fig.6 Metallographic structure of 4# steel/aluminum jointa—overall morphology of weld seam b—metallographic structure in zone 1 of joint c—metallographic structure in zone 2 of joint

激光熔化鋼鋁兩種材料，即可產生鋼鋁熔池。過大的激光功率在產生熔池后依然有多余的能量滿足晶粒的生長，導致接頭內晶粒粗化。過大的晶粒會使組織之間與組織內部的結合力小，成為焊接的薄弱點[17]。過小的激光功率熔化金屬形成熔池后，剩余能量較低，此時晶粒成長受限制，晶粒細小。隨著激光功率的增加，熔池存在時間變長，接頭內的馬氏體逐漸過渡為鐵素體。馬氏體具備優良的性能，主要表現為焊接接頭的顯微硬度與最大拉伸力的提升，因此2#和3#焊接接頭的力學性能相對優良。

2.3 力學性能

圖7中為不同焊接模式下鋼側接頭的顯微硬度。根據圖片觀察可以看出，使用激光焊接鋼側接頭，可顯著提升接頭的顯微硬度。3種焊接接頭熱影響區的顯微硬度均高于焊縫中心。其中使用1400W和1500W的功率焊接的接頭顯微硬度更高。DP780雙相鋼母材的顯微硬度約為240HV，2#接頭和3#焊接接頭的顯微硬度最大值分別為407HV和403HV。相比與母材2#和3#接頭的顯微硬度提高1.69倍和1.67倍。激光功率和熔池的冷卻速率呈正比增加，熔池存在時間長，會過渡蒸發熔池內的金屬，使接頭產生下榻、裂紋、氣孔等缺陷，對力學性能產生影響[18-19]。較大的功率也會導致焊縫內的晶粒尺寸過度生長，因此在低功率下的馬氏體轉變為鐵素體，馬氏體力學性能相對優良，主要表現為焊接接頭的顯微硬度與最大拉伸力的提升。

Fig.7 Microstrength of steel/aluminum street under different laser power

圖8展示不同激光功率下，焊接接頭的宏觀拉伸形貌和剪切強度。在3組接頭中，最大剪切強度為113N/mm，最小剪切力為92N/mm。3組焊接接頭拉伸的失效形式均為鋼/鋁結合界面失效。失效的主要原因是在接頭結合處存在大量的脆性鋼鋁金屬間化合物(intermetallic compound, IMC)，在拉伸力的載荷下，IMC中的裂紋逐漸生長，引起接頭結合失效，最終導致結合面在鋁側基體脫離[20]。

Fig.8 Shear strength diagram of weld seam

a—macro tensile morphology of the welded joint b—shear strength of the welded joint

當使用1400W的激光功率焊接時，激光僅能熔化鋼、鋁基體材料形成熔池，導致鋼、鋁兩種材料結合較少，兩種材料并未完成較深的熔覆；當使用1500W的功率焊接時，下方鋁板熔化面積增大。兩種材料融合量增大，但熔化的鋼鋁兩種材料有限，IMC層的生長受到限制，因此接頭冶金結合強度得到提高；當使用1600W的功率時，鋼鋁兩種材料大量融合，接頭產生較厚的IMC層，在IMC層中容易存在微裂紋，導致接頭冶金結合強度較低。

3 結 論

使用1300W～1700W的功率，在spiral模式下激光擺動焊接鋼、鋁異種材料。對比了不同功率對鋼/鋁異種焊接接頭宏觀形貌、金相組織和力學性能的影響。

(1)使用spiral模式擺動焊接鋼/鋁異種材料激光功率的有效區間在1400W～1600W之間，功率過小或過大，都將導致連接失效。過小的功率無法實現板材的有效連接，過大的功率會使焊接接頭出現咬邊的下榻的缺陷。

(2)激光功率的變化，意味著接頭內金相組織的種類和晶粒的大小發生變化。隨著功率的增加，接頭內鐵素體的含量增多，馬氏體的含量降低。金相組織的變化意味著力學性能的改變，其主要體現在顯微硬度和剪切強度上。

(3)激光擺動焊接可以有效提高焊接接頭的力學性能，焊接后3種接頭鋼側的顯微硬度均高于母材。2#接頭的顯微硬度最高為407HV，約為母材的1.69倍。3種焊接接頭中，3#接頭的剪切強度最大，達到113N/mm。