周惦武，戴 婷，徐少華，劉金水

(湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具輕量化戰(zhàn)略的實(shí)施，鋼/鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)件發(fā)揮兩種材料性能優(yōu)勢(shì)、減輕質(zhì)量，在汽車、高速列車、船舶等行業(yè)有良好應(yīng)用前景，然而異種金屬的優(yōu)質(zhì)高效連接是制約鋼/鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)件在工程中推廣應(yīng)用的最大技術(shù)瓶頸[1-2]。實(shí)現(xiàn)鋼/鋁連接的方法主要有粘接、機(jī)械連接和焊接。粘接得到連接接頭的力學(xué)性能有限，只能應(yīng)用在一些性能要求較低的場(chǎng)合。機(jī)械連接雖得到較高性能的連接接頭，但接頭的氣密性無(wú)法保證，接頭質(zhì)量大。激光焊用激光束作焊接熱源，具有能量密度高、熱輸入量小、熱量集中、熱源易控制、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接變形小以及高效高自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-5]，此外，焊接中加入膠層可增加金屬板材對(duì)激光能量吸收，改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)性，避免熔池區(qū)母材熔入，獲得良好連接性能，因此，激光膠接焊有望成為鋼/鋁一種新的連接方法[6-10]。鍍鋅鋼中鍍鋅層可通過(guò)陰極保護(hù)及生成的腐蝕產(chǎn)物對(duì)鋼基材起防護(hù)作用，因此，鍍鋅鋼板成為目前使用范圍最廣的車身材料。為探索連接接頭缺陷少、力學(xué)和耐腐蝕綜合性能優(yōu)良的鋼/鋁異種金屬一種新的連接方法，本文作者以1.4 mm厚的DC56D+ZF鍍鋅鋼和1.2 mm厚的6016鋁合金平板試件作為研究對(duì)象，進(jìn)行有無(wú)膠層加入的激光搭接焊和耐蝕性實(shí)驗(yàn)，利用臥式金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等手段，分析膠層加入前后焊接接頭的金相組織、斷口形貌、界面元素、腐蝕速度、腐蝕產(chǎn)物形貌與成分以及接頭力學(xué)性能，探討膠層影響鋼/鋁焊接試樣耐腐蝕性能的作用機(jī)制，研究結(jié)果期望為鋼/鋁異種金屬結(jié)構(gòu)件激光焊接的推廣應(yīng)用提供重要理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

激光膠接焊實(shí)驗(yàn)采用光纖激光器作為焊接熱源，激光器型號(hào)為YLS-4000-CL，最大輸出功率為4.0 kW，激光波長(zhǎng)為1.070 μm；連續(xù)輸出的激光模式為TEM00，拋物反射鏡聚焦，焦距鏡長(zhǎng)200 mm；焦斑直徑為0.4 mm；光束發(fā)散角α＜0.15 rad。實(shí)驗(yàn)材料為DC56D+ZF鍍鋅鋼和6016鋁合金，鍍鋅鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.014，Si 0.008，Mn 0.118，S 0.030，P 0.014，F(xiàn)e余量，6016鋁合金的化學(xué)成分為：Si 1-1.3，Cu 0.2, Mn 0.2, Mg 0.3-0.5, Fe 0.5, Al余量。鍍鋅鋼和鋁合金的板料尺寸分別為1.4 mm×100 mm×30 mm和1.2 mm×100 mm×30 mm。焊接前用丙酮清洗試樣以去除表面油污，用砂紙打磨以去除鋁合金表面的氧化層，然后在搭接長(zhǎng)度為30 mm的區(qū)域內(nèi)涂上自制厚度約為0.1 mm的膠層，對(duì)板材試樣施以一定的壓力，在室溫下自然固化24 h。焊接時(shí)，考慮到鋁合金反射率高，采用鍍鋅鋼板置于鋁合金上側(cè)的搭接形式，采用氬氣為保護(hù)氣體，激光膠接焊實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)以獲得優(yōu)良焊縫表面成形性和較大焊縫熔深為目標(biāo)，確定最佳優(yōu)化焊接工藝參數(shù)為：激光功率1650 W，焊接速度35 mm/s，離焦量＋3.0 mm，Ar氣為保護(hù)氣體且流量為20 L/min。分析膠層加入對(duì)焊接接頭組織與力學(xué)性能的影響時(shí)，未加入膠層的焊接工藝條件與加入膠層時(shí)的相同。

耐蝕性實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量損失法來(lái)衡量膠層加入前后鋼/鋁焊接試樣的腐蝕速度，即用腐蝕前后試樣質(zhì)量的變化來(lái)評(píng)定，腐蝕前后的試樣均使用分辨率為0.1 mg的電子天平稱取質(zhì)量。腐蝕速度的計(jì)算公式如下：式中：v為腐蝕速度(g/(m2h))；m0為式樣腐蝕前的質(zhì)量(g)；m1為試樣清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量(g)；S為試樣表面積(m2)；t為腐蝕時(shí)間(h)。

圖1 鋼/鋁激光膠接焊示意圖Fig. 1 Schematic diagram of steel/aluminum laser-adhesive hybrid bonding: 1—Galvanized steel; 2—Laser beam; 3—Blowing side protective gas; 4—Adhesive layer; 5—Aluminum alloy

腐蝕試樣制備時(shí)，先用金相砂紙打磨樣品表面，露出基體，再用丙酮清洗多次，并在蒸餾水中超聲清洗15 min，取出烘干；接著稱取NaCl，加蒸餾水，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl水溶液，pH值為7.0；采用懸掛的方式把制備的樣品浸泡到鹽水溶液中，浸泡時(shí)間為240 h；取出樣品進(jìn)行耐蝕性分析時(shí)，用蒸餾水洗凈表面，并進(jìn)行烘干。

利用體式顯微鏡觀察試樣正面焊縫的表面形貌和腐蝕后樣品宏觀形貌；利用臥式金相顯微鏡觀察試樣橫截面焊縫的微觀組織；利用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊接試件的抗剪強(qiáng)度與平均剪切力；采用配能譜儀的掃描電鏡FEI 2000 Quanta200對(duì)試樣斷口形貌、焊縫界面與腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌與成分進(jìn)行分析；采用D500 X射線衍射儀分析腐蝕試樣的主要物相。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫顯微組織分析

圖2所示為最佳優(yōu)化焊接工藝參數(shù)條件下鋼/鋁和鋼/膠層/鋁焊縫的微觀形貌。未加入膠層時(shí)，焊縫熔深為0.4 mm(見(jiàn)圖2(a))，加入膠層后，焊縫熔深為0.5 mm(見(jiàn)圖2(b))。由于膠層的加入，使上下板緊密連接，減弱了由于板間間隙而導(dǎo)致熱量傳遞受阻現(xiàn)象，一定程度上提高了下側(cè)未融化鋁合金板的表面溫度[11-12]，故加入膠層后焊縫熔深增加。圖2(c)和(d)所示分別為焊接試樣加入膠層前后焊縫區(qū)的顯微組織。發(fā)現(xiàn)晶粒均為柱狀晶，與未加入膠層相比，加入膠層后，無(wú)夾雜、裂紋、氣孔等明顯缺陷。

2.2 焊縫界面微觀形貌與成分分析

圖2 鋼/鋁合金和鋼/膠層/鋁合金焊接接頭的顯微組織Fig. 2 Microstructures of steel/Al joint (a), steel/adhesive layer/Al alloy joint (b), weld zone of steel/Al alloy (c) and weld zone of steel/adhesive layer/Al alloy (d)

圖3 鋼/鋁合金和鋼/膠層/鋁合金界面層的SEM像Fig. 3 SEM images of steel/Al and steel/adhesive layer/Al alloy interface layer: (a) Steel/Al alloy joint; (b) Steel/adhesive layer/Al alloy joint; (c) Enlarged view of Fig. 3(a); (d) Enlarged view of Fig. 3(b)

表1 鋼/鋁和鋼/膠層/鋁焊接接頭不同區(qū)域的EDS分析Table 1 EDS analysis results of steel / Al and steel/adhesive layer/Al weld joint shown in Fig. 3

圖3所示為加入膠層前后焊縫界面附近的SEM像。發(fā)現(xiàn)未加入膠層時(shí)，熔池底部鋼/鋁界面分界線連續(xù)(見(jiàn)圖3(a))，而加入膠層后，兩種金屬互相嵌入(見(jiàn)圖3(b))。對(duì)界面層的底部進(jìn)行放大觀察(圖3(c)和圖3(d)，對(duì)微區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所列?？梢?jiàn)未加入膠層時(shí)，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域主要為富Al的Fe-Al金屬間化合物，其中Ⅰ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:2，Ⅱ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:3，從Fe-Al二元相圖推測(cè)來(lái)看，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域分別為FeAl2和FeAl3金屬間化合物。Ⅰ、Ⅱ區(qū)域還含有Mg和Zn元素，可能是焊接過(guò)程中鋅蒸氣和鎂蒸氣沒(méi)有完全逸出而殘留在焊縫中；加入膠層后，Ⅲ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:1，表明生成了FeAl金屬間化合物；Ⅳ區(qū)域的主要成分為Al；Ⅴ區(qū)域Fe和Al元素的摩爾比均接近1:3，表明生成了FeAl3金屬間化合物。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)域均發(fā)現(xiàn)含有少量Mg元素，而未發(fā)現(xiàn)Zn、C、O元素，說(shuō)明加入膠層后，在焊接過(guò)程中，膠層由于沸點(diǎn)較低受熱汽化后連同分解的產(chǎn)物隨金屬蒸氣一同逸出熔池外，鋅蒸氣也充分逸出，而鎂蒸氣未完全逸出。加入膠層后，氣化更劇烈，使熔池中下部的攪拌更加充分和均勻，產(chǎn)生的金屬蒸氣在熔池的攪拌中被充分排出，因而焊縫中未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等焊接缺陷的產(chǎn)生(見(jiàn)圖2(d))。此外，鋁的熔點(diǎn)比鋼的熔點(diǎn)低，膠層受激光作用分解，由于在下側(cè)鋁合金表面形成一層很薄的氣體和固體殘留物，明顯改變鋁合金表面高反射率的狀況，加大鋁合金對(duì)激光能量的吸收，因而熔融金屬冷卻后互相嵌入，與未加入膠層相比，鋼/鋁界面分界線變得不十分連續(xù)(見(jiàn)圖3(b))。

2.3 力學(xué)性能與斷口形貌

未加入膠層試樣的平均剪切力為1.05 kN，抗剪強(qiáng)度為42.15 MPa，加入膠層試樣的平均剪切力為1.04 kN，抗剪強(qiáng)度為41.45 MPa，與未加入膠層相比，發(fā)現(xiàn)試樣的力學(xué)性能并沒(méi)有因?yàn)槟z層的加入而減弱(見(jiàn)圖4)。圖5所示為加入膠層鋼/鋁激光焊接頭斷裂后的剪切試樣和斷口處的微觀形貌。由圖5可以看出，斷口表面具有一些淺而小的韌窩(見(jiàn)圖5(b)和(d))，斷面上有較短、不連續(xù)、匯合特征不明顯的河流狀花樣(見(jiàn)圖5(c))；焊縫區(qū)斷裂形貌表現(xiàn)為韌性斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的混合形貌[13]。

2.4 腐蝕速度

圖4 焊接接頭的抗剪強(qiáng)度與剪切力Fig. 4 Shear strength and shear force of laser weld joint

表2所列為腐蝕前后焊接試樣的質(zhì)量變化和腐蝕速率。其中1、4號(hào)對(duì)應(yīng)最佳優(yōu)化焊接工藝條件下未加膠層、加入膠層的試樣樣品，為分析膠層加入對(duì)焊接試樣腐蝕速率影響，還將如下兩種焊接試樣腐蝕前后質(zhì)量變化和腐蝕速率一并列于表2中，即激光功率1650 W，焊接速度35 mm/s，離焦量+2.0 mm，加膠層，對(duì)應(yīng)2號(hào)樣品；激光功率1600 W，焊接速度32 mm/s，離焦量+3.0 mm，加膠層，對(duì)應(yīng)3號(hào)樣品；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1、2、3、4號(hào)試樣樣品腐蝕速度分別為0.4、0.18、0.29和0.27 g/(m2h)，其中1號(hào)樣品的的腐蝕速率最大，而2、3、4號(hào)樣品的腐蝕速率較小，表明同等腐蝕條件下，與未加入膠層相比，加入膠層焊接試樣的腐蝕速度明顯減慢。

表2 腐蝕前后質(zhì)量變化和腐蝕速率Table 2 Quality change and corrosion rate before and after corrosion

2.5 腐蝕形貌

圖5 鋼/鋁激光膠接焊接頭的剪切斷裂試樣和斷口微觀形貌Fig. 5 Failure adhesive bonded joint in tensile shear test (a) and different multiples of SEM images of laser weld bonding steel/Al joint fracture: (a) Failure adhesive bonded joint; (b) Shallow dimple; (c) River pattern; (d) Small dimple

圖6 焊接試樣上表面腐蝕產(chǎn)物的SEM像Fig. 6 SEM images of welding specimen surface corrosion products of samples 1 (a), 2 (b), 3 (c) and 4 (d) after corrosion

圖6所示分別為表2中1、2、3、4號(hào)樣品在浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束后主要腐蝕產(chǎn)物的的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)1號(hào)樣品表面形成了大量細(xì)小的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物；2號(hào)樣品腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生了大量的絲狀腐蝕產(chǎn)物，由顆粒狀腐蝕產(chǎn)物聚集構(gòu)成；3號(hào)和4號(hào)樣品表面腐蝕產(chǎn)物主要為針狀和絲狀腐蝕產(chǎn)物。通過(guò)腐蝕產(chǎn)物初期生長(zhǎng)規(guī)律的觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)48 h的腐蝕浸泡實(shí)驗(yàn)，4個(gè)樣品表面均沒(méi)有明顯腐蝕產(chǎn)物生成，經(jīng)過(guò)56 h的浸泡實(shí)驗(yàn)，1、2、3號(hào)樣品局部區(qū)域出現(xiàn)尺寸較小的點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物，而4號(hào)樣品生成點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物；經(jīng)過(guò)120 h的浸泡實(shí)驗(yàn)，樣品表面圍繞先期生成的點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物形成了不規(guī)則的團(tuán)狀腐蝕產(chǎn)物，其中1號(hào)樣品表面腐蝕產(chǎn)物呈灰黑色，其他樣品表面腐蝕產(chǎn)物均為白色，隨著浸泡時(shí)間的增加，直至浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束，腐蝕試樣表面的團(tuán)狀腐蝕產(chǎn)物邊緣向外延伸，形成絲狀腐蝕產(chǎn)物。

圖7所示分別為表2中1、2、3、4號(hào)樣品采用超聲清洗方法去除腐蝕試樣表面腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌。發(fā)現(xiàn)1號(hào)樣品腐蝕產(chǎn)物呈塊狀脫落，出現(xiàn)剝層腐蝕現(xiàn)象；2、3號(hào)樣品出現(xiàn)了密集的細(xì)小點(diǎn)蝕坑，有輕微的剝層腐蝕發(fā)生；4號(hào)樣品表面沒(méi)有出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑。可看出，1號(hào)樣品腐蝕最嚴(yán)重；2、3號(hào)樣品出現(xiàn)一些細(xì)小的點(diǎn)蝕坑，腐蝕較輕微；4號(hào)樣品基體表面良好，腐蝕產(chǎn)物只附著在樣品表面。表明加入膠層焊接試樣的耐腐蝕性能優(yōu)越于未加入膠層焊接試樣的。

2.6 腐蝕產(chǎn)物及耐腐蝕性能作用機(jī)制分析

表3所列為1、2、3、4號(hào)樣品腐蝕產(chǎn)物能譜及X射線衍射儀的分析結(jié)果。發(fā)現(xiàn)所有樣品腐蝕產(chǎn)物主要成分均含有O、Fe和Zn元素，但2、3、4號(hào)樣品Zn元素相對(duì)含量比1號(hào)樣品多，可見(jiàn)膠層的存在，減輕了鍍鋅鋼中鍍鋅層的腐蝕，對(duì)鋼基材能起防護(hù)作用。

本研究的耐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：同等腐蝕條件下，未加膠層激光焊接試樣比加入膠層激光焊接試樣腐蝕快。由于實(shí)驗(yàn)腐蝕環(huán)境為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl水溶液，腐蝕初期階段，NaCl的存在，在鋼表面形成了無(wú)數(shù)個(gè)腐蝕微電池，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Na+、Fe+向陰極區(qū)域移動(dòng)，OH-、Cl-向陽(yáng)極溶解區(qū)移動(dòng)，在活性陽(yáng)極區(qū)形成Fe(OH)2。但Fe (OH)2腐蝕產(chǎn)物膜并不穩(wěn)定，會(huì)分解為FeO或與溶解于液體中的O2氧化成FeOOH(注：反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程如式(2)和(3))，因此，未加入膠層的1號(hào)樣品腐蝕產(chǎn)物主要為表3所列的Fe3O4和Fe6(OH)12CO3。

加入膠層的2號(hào)、3號(hào)樣品腐蝕產(chǎn)物除了Fe2O3、Fe(OH)3外，還生成Zn5(OH)8Cl2H2O(如表3所列)，主要是微電池反應(yīng)中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Zn+向陰極區(qū)域移動(dòng)，OH-、Cl-向陽(yáng)極溶解區(qū)移動(dòng)。其腐蝕過(guò)程包括氧化物或氫氧化物的形成、Cl-的腐蝕和腐蝕產(chǎn)物的形成過(guò)程；4號(hào)樣品腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3、FeO(OH)、Fe6(OH)12CO3，但能譜分析結(jié)果中出現(xiàn)了Zn元素，主要是腐蝕樣品從鹽水溶液中取出后保存方式造成的，Cl-的存在會(huì)造成鋅的氫氧化物的局部溶解，故XRD檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)含鋅腐蝕產(chǎn)物的存在。

圖7 去除腐蝕產(chǎn)物后表面SEM像Fig. 7 SEM images of surface of samples 1 (a), 2 (b), 3 (c) and 4 (d) by removing corrosion products after corrosion

表3 腐蝕產(chǎn)物能譜及X射線衍射儀分析結(jié)果Table 3 Corrosion analysis results of spectrum and X ray diffraction

通常情況下，異種金屬在同一電解液中直接接觸會(huì)構(gòu)成電偶電池。電位較負(fù)的金屬腐蝕速率快，而電位較正的金屬腐蝕速率慢。對(duì)鍍鋅鋼/鋁合金激光焊接試樣而言，構(gòu)成電偶電池為鍍鋅鋼板上的鋅和鐵以及鐵和鋁。由于鋅的電位較鐵更負(fù)，電偶腐蝕中，首先腐蝕的是鋅層，雖然鍍鋅層對(duì)鋼板有保護(hù)作用，但隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，鋅層會(huì)被腐蝕掉而露出鋼板，此時(shí)鋼板就與鋁板接觸構(gòu)成電偶電池，由于鐵的電位較鋁負(fù)，故鋼板先腐蝕，鋁板后腐蝕。加入膠層，由于膠層具有絕緣性，可抑制陽(yáng)極和陰極之間的電子交換，減緩電偶腐蝕作用，因此，加入膠層可提高鋼/鋁焊接試樣的耐腐蝕性能[14-15]。

3 結(jié)論

1) 激光功率1650 W，焊接速度35 m/s，離焦量+3.0 mm，Ar為保護(hù)氣體且流量為20 L/min的最佳工藝條件下，加入膠層后，焊接試樣正面焊縫均勻連續(xù)，無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。

2) 膠層的加入改善了搭接焊中因間隙而產(chǎn)生的熱傳遞受阻現(xiàn)象，與未加膠層相比，橫截面金屬平板試件間隙減少，熔深值增大；膠層受激光作用分解形成氣體和固體微粒殘留物，改變鋁合金表面高反射率狀況，加大鋁合金對(duì)激光能量吸收，鋼/鋁熔融金屬冷卻后互相嵌入，與未加入膠層相比，鋼/鋁界面分界線不十分連續(xù)。

3) 激光焊接中加入膠層，焊接接頭抗剪強(qiáng)度與平均剪切力分別為41.45 MPa和1.04 kN，力學(xué)性能并沒(méi)有因?yàn)槟z層的加入而減弱；同等腐蝕條件下，焊接試樣腐蝕方式為電偶腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3、FeO(OH)、Fe6(OH)12CO3，與未加入膠層相比，焊接試樣腐蝕速度減慢，耐蝕性明顯提高；

4) 由于膠層具有絕緣性，抑制陽(yáng)極和陰極之間的電子交換，減緩電偶腐蝕作用，加入膠層，提高了鋼/鋁焊接試樣的耐腐蝕性能。

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