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• 方正帥,劉佳明,黃根哲,張宏,劉鳳德

• 長春理工大學 機電工程學院, 長春 130022

作者簡介: 方正帥(1995-), 男, 碩士研究生, 現主要從事激光加工技術的研究.

通訊作者: 劉鳳德, lfd@cust.edu.cn

• 基金項目:吉林省科技發展計劃資助項目 20190302022GX

為了改善鋁/鋼連接性能, 采用激光技術通過調整工藝參數獲得了拉伸強度達到鋁母材40%的不等厚鋁/鋼對焊接頭, 并對接頭焊縫組織、界面化合物、力學性能展開了分析。結果表明, 焊接速率為1.8 m/min、激光向鋼側偏置0.3 mm、離焦量為0 mm、激光功率為3.0 kW時, 接頭抗拉強度達到38 MPa; 保持其它焊接參數不變, 離焦量為-2 mm時, 接頭抗拉強度進一步提升至57.7 MPa, 焊縫截面形狀由酒杯狀變為束腰狀, 熔合線更加整齊, 附近裂紋、氣孔缺陷明顯減少; 焊縫界面區域物相衍射與能譜分析表明, 沿熔合線垂直方向生長的化合物為脆韌程度不盡相同的FeAl、FeAl3、Fe2Al5和Fe2CrAl、Fe3Al; 接頭整體拉伸斷裂模式為脆性斷裂, 斷口表面部分位置連接強度較好, 呈凹陷狀, 檢測發現Fe3Al。此研究結果在提升車身鋁/鋼連接處性能、車身減重以及節能減排方面具有重要現實意義。

實驗材料為150 mm×65 mm×4 mm的304不銹鋼和150 mm×65 mm×8 mm的6061鋁。

實驗中采用德國通快公司型號為HL4006D的Nd∶YAG激光器。實驗前先將待焊母材用砂紙去除表面氧化膜，并用丙酮對母材表面進行超聲清洗、真空干燥爐烘干，然后將待焊母材用特定夾具固定在試驗臺上，將激光偏移至鋼側設定位置。

完成焊接實驗后，切割獲得標準拉伸試樣，利用萬能試驗機測試接頭抗拉強度，并對拉伸斷口進行X射線衍射物相分析。在焊接區域進行12 mm×10 mm金相切割和鑲嵌打磨，用配比為(1.5 mL HF+2.5 mL HCl+3 mL HNO3+50 mL H2O)的凱勒試劑和FeAl3溶液分別對鋁側和鋼側進行15 s和30 s的腐蝕，在光鏡下觀察焊縫區域宏觀形貌，利用掃描電鏡及其配備的能譜分析儀(energy dispersive spectrometer，EDS)觀察焊縫區微觀組織形貌并分析元素組成。使用MH-60顯微硬度儀在焊縫區域間距0.1 mm，進行載荷1.962 N保載時間10 s的顯微硬度測試。

圖1 Side view of laser butt welding

圖2 Tensile specimen

圖 6為試樣h(見圖 4c)焊縫截面的宏觀形貌。圖 7a為圖 6焊縫標記區域(見K點)的放大圖，圖 7b為圖 6焊縫標記區域(見P點)的放大圖。圖 7a和圖 7b中標記點1~7為光鏡下觀察到的組織形態。從圖 7a和圖 7b中可知，在標記點1和7處存在沿鋼側連續鋸齒狀物質生成。在其他學者[13-14]的研究中也同樣表明，與標記點1、7處形態類似的鋸齒狀物質為Fe4Al13，其生成原因與緊鄰鋼側有關。標記點2、3、4處分別能觀察到絮狀、正方形塊狀和米粒狀物質，標記點5、6處為粗大和細小針狀混合物，同時可觀察到標記點2~6都位于界面或鋁濃度較高的鋁側焊縫內。同樣有學者[15-17]研究發現，標記點2~6針狀、棒狀物為FeAl3、FeAl以及Fe4Al13。因此圖 7a和圖 7b靠近鋁側焊縫標記點2~6應為富鋁相鐵-鋁化合物。

圖6 Aluminum/steel analysis position of -2 mm defocus

   圖7 Macrostructure of -2 mm defocus joint weld