熱輸入對(duì)鋁合金/不銹鋼雙絲冷金屬過(guò)渡熔釬焊接頭組織及性能的影響

熊金業(yè)，徐望輝，余 陳，秦彬皓，肖逸鋒，楊清福

(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411105;2.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣州 510650)

0 引 言

隨著國(guó)家“碳達(dá)峰”和“碳中和”工作的逐步實(shí)施，綠色、環(huán)保已經(jīng)成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)；輕量化制造作為綠色制造的重要手段日益受到重視[1]。鋁合金具有比強(qiáng)度高、密度小、彈性和塑性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，而不銹鋼是一種韌性好、強(qiáng)度高的金屬結(jié)構(gòu)材料；鋁合金/不銹鋼異種金屬的混合結(jié)構(gòu)既減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量又保證了結(jié)構(gòu)性能，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。但是，鋁合金與不銹鋼在物理性能和化學(xué)性能上存在較大差異，在焊接過(guò)程中二者之間容易產(chǎn)生脆性的金屬間化合物(IMC)[3]。IMC的存在確保了鋁合金與不銹鋼之間的冶金結(jié)合，但過(guò)多的脆性IMC會(huì)對(duì)接頭的性能產(chǎn)生危害[4]。前期研究[5]表明，當(dāng)IMC層厚度超過(guò)10 μm時(shí)，接頭性能會(huì)顯著下降。因此，為了獲得可靠的鋁合金/不銹鋼接頭，將IMC層厚度保持在一定范圍內(nèi)是十分重要的。擴(kuò)散焊[6]、摩擦焊[7]、攪拌摩擦焊[8]等固相焊接方法可以減小IMC層厚度，得到性能良好的接頭；但這些方法工藝復(fù)雜，在接頭尺寸方面受到限制。熔釬焊是鋼一側(cè)不發(fā)生熔化形成釬焊接頭，而鋁一側(cè)熔化形成熔焊接頭的一種焊接方法，該焊接方法可以有效控制接頭中IMC層厚度，成為解決異種金屬焊接難題的有效方案之一[9]。

合金元素、過(guò)渡層和熱輸入是調(diào)控IMC生長(zhǎng)的關(guān)鍵性因素。SU等[10]在焊絲中添加硅元素進(jìn)行焊接后，發(fā)現(xiàn)焊縫中硅的加入有助于降低鋁合金/不銹鋼接頭IMC層厚度，改善接頭力學(xué)性能。CHEN等[11]在鋁合金與不銹鋼之間增加過(guò)渡金屬銅進(jìn)行焊接，改善了界面反應(yīng)區(qū)的冶金反應(yīng)，改變了IMC生成類型，提高了接頭的力學(xué)性能。冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer, CMT)工藝為Fronius公司研發(fā)的一種無(wú)飛濺和焊渣的焊接技術(shù)，具有高效率和低熱輸入的特點(diǎn)，原理為在電弧燃燒過(guò)程中，焊絲向熔池方向運(yùn)動(dòng)，短路接觸時(shí)，電弧熄滅，焊絲回抽幫助熔滴脫落，保持很小的短路電流，隨后焊絲再次向熔池方向運(yùn)動(dòng)，重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程。MEZRAG等[12]用CMT工藝在鍍鋅鋼上進(jìn)行鋁合金堆焊，發(fā)現(xiàn)該工藝有效降低了熱輸入，獲得厚度較低的IMC層。MADHAVAN等[13]用CMT工藝對(duì)鋁合金和雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，有效控制了IMC層厚度，提升了接頭性能。CMT在焊接鋁合金/不銹鋼異種金屬時(shí)，具有降低熱輸入和抑制脆性IMC生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，但是其焊接效率和接頭性能方面均有提升的空間。為了進(jìn)一步降低熱輸入，提升接頭性能，作者提出雙絲CMT熔釬焊工藝，采用雙電弧共熔池方式提升熱源利用效率，提高焊接速度，研究了熱輸入對(duì)鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層厚度和拉伸性能的影響，并與單絲CMT熔釬焊接頭進(jìn)行對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

焊接用母材為市售5083-H111鋁合金板和固溶態(tài)304不銹鋼板，尺寸均為3.00 mm×100 mm×60 mm。在母材單面開(kāi)“V”形坡口，坡面角度為45°，根部間隙為1 mm。焊前用鋼絲刷和砂紙去除表面氧化膜，然后用丙酮擦拭。將市售粒徑小于75 μm、純度為99.99%的鋁粉與市售Nocolok釬劑按質(zhì)量比4…6混合，然后加入少量丙酮調(diào)成糊狀，再加入市售的顆粒直徑為1 mm左右的分析純酒石酸鉀鈉，最后將混合釬劑刷在待焊不銹鋼板坡口面，厚度為0.2～0.5 mm，置于無(wú)風(fēng)室內(nèi)晾干。焊接時(shí)所用的焊絲為直徑1.2 mm的ER4043(AlSi5)鋁硅焊絲。焊接用母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分

采用Fronius RCU5000i型 CMT焊機(jī)和KUKA(30KG)KR30型弧焊機(jī)器人進(jìn)行單層單道雙絲CMT熔釬焊，前后焊絲采用的焊接參數(shù)一致。試驗(yàn)中保護(hù)氣體為純氬氣，氣體流量為20 L·min-1。焊接時(shí)焊絲與焊件垂直，焊絲干伸長(zhǎng)量為12 mm，對(duì)中焊接坡口間隙，具體焊接方法如圖1所示。對(duì)比試驗(yàn)為單絲CMT熔釬焊。雙絲CMT熔釬焊時(shí)2個(gè)電源同時(shí)工作，控制2根焊絲，單絲CMT熔釬焊時(shí)只有1個(gè)電源控制1根焊絲。以熔透、未燒穿且正反面成形良好為標(biāo)準(zhǔn)確定焊接參數(shù)，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)如表2所示，其中雙絲CMT熔釬焊的熱輸入為2倍的電流和電壓的乘積除以焊接速度。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 雙絲CMT熔釬焊方法示意

焊接完成后，待接頭冷卻到室溫后，用線切割機(jī)垂直焊接方向切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用Keller試劑腐蝕10～15 s后，采用Zeiss Ario Imager.M2m型數(shù)字光學(xué)顯微鏡對(duì)不銹鋼母材、焊縫、鋁合金母材及各區(qū)域過(guò)渡處的顯微組織進(jìn)行觀察。使用FEI-Nova Nano SEM 430型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶的能譜儀(EDS)對(duì)界面層的微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分進(jìn)行分析，并測(cè)量界面處IMC層的厚度。按照GB/T 228.1-2010，在接頭上以焊縫為中心垂直焊接方向截取尺寸為10 mm×120 mm×3 mm的拉伸試樣，使用AG-IC 50kN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min-1，測(cè)3次取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌和顯微組織

不同焊接熱輸入下鋁合金/不銹鋼雙絲和單絲CMT熔釬焊接頭的宏觀形貌和顯微組織相似，以熱輸入為213.8 J·mm-1下的雙絲CMT熔釬焊接頭為例，進(jìn)行宏觀形貌和顯微組織分析。由圖2可以看出，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭未見(jiàn)明顯缺陷，焊縫成形質(zhì)量良好。與單絲CMT熔釬焊接頭相比，雙絲CMT熔釬焊接頭擴(kuò)大了熱輸入范圍。由圖3可以看出，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭分為熔化區(qū)和固相區(qū)，其中鋁一側(cè)因熔點(diǎn)低，在雙絲電弧加熱作用下發(fā)生熔化，與焊縫金屬一起形成熔化焊接頭，而鋼一側(cè)則形成了釬焊接頭；因此雙絲CMT熔釬焊接頭具備熔焊及釬焊的雙重接頭特征。鋁一側(cè)接頭可以分為焊縫、熱影響區(qū)及母材。其中：焊縫由α-Al相和Al-Si共晶相組成，以柱狀晶為主；熱影響區(qū)的晶粒尺寸大于母材的晶粒尺寸，但小于焊縫的晶粒尺寸。釬焊接頭不銹鋼母材與焊縫金屬界面處存在鋸齒狀的IMC層，推斷為不銹鋼表面混合釬劑層在電弧的熱作用下迅速熔化，使填充金屬潤(rùn)濕不銹鋼表面，并在填充金屬與不銹鋼界面處形成了IMC，同時(shí)CMT焊接定期推拉焊絲的工作模式增強(qiáng)了熔池的流動(dòng)，破壞了IMC的生長(zhǎng)方向，從而使焊縫處的IMC層呈鋸齒狀。

圖2 鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭的宏觀形貌(熱輸入213.8 J·mm-1)

圖3 鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭的整體截面形貌及不同位置的顯微組織(熱輸入213.8 J·mm-1)

2.2 金屬間化合物的物相組成和微觀形貌

由圖4可以看出，隨著熱輸入的增加，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層由平滑的形貌逐漸變?yōu)槊黠@的鋸齒狀形貌，厚度增加，且雙絲CMT熔釬焊熱輸入大于275.3 J·mm-1時(shí)IMC層開(kāi)始出現(xiàn)裂紋,單絲CMT熔釬焊熱輸入大于379.6 J·mm-1時(shí)IMC層出現(xiàn)裂紋。熱輸入的增大使界面處溫度升高，有助于脆性IMC的生長(zhǎng);同時(shí)鋁合金與不銹鋼熱膨脹系數(shù)的差異使界面處產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋[14]。由于不同接頭中IMC的成分相似，僅以圖4(a)中IMC的成分為例進(jìn)行分析；能譜測(cè)得其化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)/%)為66.34Al, 21.15Fe, 4.57Si, 6.35Cr, 1.59Ni, 其中鐵與鋁的原子比約為1∶3，因此可判斷IMC為FeAl3。

圖4 不同熱輸入下鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層的SEM形貌

由圖5可見(jiàn)：隨著焊接熱輸入從213.8 J·mm-1增加到486.0 J·mm-1，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從3.36 μm增加到18.12 μm；隨著焊接熱輸入從379.6 J·mm-1增加到590.6 J·mm-1，鋁合金/不銹鋼單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從9.59 μm增加到26.55 μm。隨著熱輸入的增加，接頭中IMC層厚度均呈線性增加趨勢(shì)。在鋁合金/不銹鋼雙絲CMT熔釬焊過(guò)程中，鋁熔化，鋼保持固態(tài)，形成了鋁/鋼固液界面反應(yīng)體系。隨著熱輸入的增加，鐵和鋁原子的擴(kuò)散速率顯著增加，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，從而有利于IMC的生長(zhǎng)，因此IMC層的厚度增加[15]。

圖5 鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度隨熱輸入的變化

2.3 拉伸性能

由圖6可以看出，隨著熱輸入的增加，鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度均降低。結(jié)合圖5可知:當(dāng)雙絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從3.36 μm增加到18.12 μm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度從109 MPa降低到26 MPa;當(dāng)單絲CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度從9.59 μm增加到26.55 μm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度從76 MPa降低到22 MPa。雙絲CMT熔釬焊接頭的最大抗拉強(qiáng)度比單絲CMT熔釬焊接頭高約30%。

圖6 鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度隨熱輸入的變化曲線

焊接接頭界面IMC層厚度決定了鋁/鋼異種金屬接頭的強(qiáng)度。隨著熱輸入的增大，CMT熔釬焊接頭中IMC層厚度增加，但是過(guò)厚的IMC層不僅存在裂紋，而且也易成為裂紋擴(kuò)展的路徑，從而導(dǎo)致接頭斷裂[16]。因此，為了獲得良好的鋁合金/不銹鋼接頭，應(yīng)減小焊接熱輸入，將IMC層厚度控制在較小值。無(wú)論是單絲還是雙絲CMT熔釬焊，當(dāng)電流和電壓確定時(shí)，焊接速度的提高伴隨著焊接熱輸入的降低。雙絲CMT熔釬焊雖然有2個(gè)熱源，但焊接速度更快，能以大于單絲CMT熔釬焊2～4倍的焊接速度使焊縫獲得良好的成形質(zhì)量[17]，因此雙絲CMT熔釬焊可以采用較低的熱輸入進(jìn)行焊接。在保證焊縫良好成形質(zhì)量的條件下，單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59 μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為76 MPa；雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36 μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為109 MPa。可知，雙絲CMT熔釬焊具有高速、低熱輸入的特征，在接頭IMC層厚度控制及抗拉強(qiáng)度提高方面比單絲CMT熔釬焊更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

(1)采用雙絲CMT熔釬焊工藝對(duì)鋁合金/不銹鋼異種金屬進(jìn)行焊接，鋁側(cè)熔化形成熔焊接頭，鋼側(cè)與焊縫金屬生成金屬化合物，形成釬焊接頭。當(dāng)熱輸入為213.8～486.0 J·mm-1時(shí)，雙絲CMT熔釬焊接頭焊縫具有良好成形質(zhì)量，而當(dāng)熱輸入為379.6～590.6 J·mm-1時(shí)，單絲CMT熔釬焊接頭焊縫具有良好成形質(zhì)量。

(2)鋁合金/不銹鋼雙絲CMT和單絲CMT熔釬焊接頭界面處的IMC均為FeAl3相，且隨著熱輸入的增加，IMC層由平滑的形貌逐漸變?yōu)槊黠@的鋸齒狀形貌，IMC層厚度增加，接頭的抗拉強(qiáng)度降低。在保證焊縫良好成形質(zhì)量的條件下，單絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為9.59 μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為76 MPa，而雙絲CMT熔釬焊接頭IMC層的最小厚度為3.36 μm，此時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最大，為109 MPa。雙絲CMT熔釬焊具有高速、低熱輸入的特征，在接頭IMC層厚度控制及抗拉強(qiáng)度提高方面比單絲CMT熔釬焊更具優(yōu)勢(shì)。