陳根余，吳克如，廖生慧，鄧 輝，張明軍

V型坡口對鋼／鋁激光對接熔釬焊性能的影響

陳根余，吳克如，廖生慧，鄧 輝，張明軍

（湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙410082）

為了改善鋼／鋁熔釬焊中釬焊縫與鋼一側(cè)接合界面上冶金反應(yīng)的不均勻性，進(jìn)而提高接頭的拉伸強度，采用仿真模擬及實驗相結(jié)合的方法研究了V型坡口對鋼／鋁激光對接熔釬焊性能的影響。利用ANSYS軟件對鋼／鋁激光對接熔釬焊溫度場進(jìn)行仿真，在鍍鋅鋼板上開設(shè)V型坡口時，接合界面靠近上表面與靠近下表面的溫度梯度（為241℃）較不開坡口時的溫度梯度（為588℃）明顯減??；分別在鍍鋅鋼板上開設(shè)V型坡口與不開設(shè)坡口的鋼／鋁異種金屬進(jìn)行激光對接熔釬焊試驗，并對試樣進(jìn)行拉伸測試。結(jié)果表明，在鍍鋅鋼板上開設(shè)V型坡口的情況下，接合界面上金屬間化合物層的厚度分布較不開坡口均勻；V型坡口的存在使得斷裂位置遠(yuǎn)離接合界面，接頭的機械性能明顯改善。

激光技術(shù)；激光焊接；金屬間化合物；V型坡口；溫度場；溫度梯度

引 言

為了減少能源的消耗和控制空氣污染，在汽車上采用鋼／鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)，它具有高強度、低重量等優(yōu)點。因此，鋼／鋁異種金屬間的連接技術(shù)引起了學(xué)者們的關(guān)注。

截止目前，很多學(xué)者已經(jīng)采用各種各樣的連接方法比如機械連接（螺栓連接、鉚接等［1-2］）和粘接來實現(xiàn)兩種金屬的連接。粘接只能應(yīng)用于強度不高的場合，機械連接得到的接頭氣密性無法保證。常規(guī)熔化焊得到的鋁／鋼焊接接頭的質(zhì)量很差，一般不具有使用性［3］。為了降低熱輸入量，已經(jīng)開展了固相連接方法的研究，比如摩擦焊、爆炸焊、摩擦攪拌焊［4-6］。但是，這種固相連接方法在一定程度上易受工件形狀和尺寸的影響，且擴(kuò)散焊的焊接效率相對較低。

激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)對熱輸入的精確控制，且焊后試件變形小，是鋼／鋁異種金屬理想的焊接方式［7-11］。在過去的幾年中，異種金屬激光熔釬焊得到了快速發(fā)展，鋼／鋁激光填絲熔釬焊是一個局部加熱的過程，SONG［12］等人發(fā)現(xiàn)，焊接過程中熔池內(nèi)部存在巨大的溫度梯度，導(dǎo)致焊縫與鋼板接合界面上的頂部到底部上的金屬間化合物（intermetallic compounds，IMCs）層厚度分布極不均勻，這樣當(dāng)焊縫的熱輸入量過多時，頂部的金屬間化合物層就會過厚，而Fe-Al金屬間化合物硬且脆，拉伸后斷裂往往發(fā)生在這個位置。所以，在激光熔釬焊過程中，改善金屬間化合物層在接合界面上分布的不均勻性顯得特別重要。

Fe-Al金屬間化合物相的生長是受焊絲的成分和加工過程中的熱循環(huán)影響的。為了改善鋼／鋁熔釬焊接合界面不同部位上金屬間化合物層厚度分布的不均勻性，可在鋼板一側(cè)開設(shè)坡口，來減小焊接過程中接合界面上的溫度梯度。作者研究了V型坡口對鋼／鋁熔釬焊接合界面金屬間化合物層厚度分布不均勻的改善作用：先分別對V型坡口和不開坡口鋼／鋁激光對接熔釬焊焊接過程的溫度場進(jìn)行仿真，對比兩種情況下接合界面上的溫度梯度；再分別進(jìn)行V型坡口和不開坡口鋼／鋁激光對接熔釬焊焊接試驗，在掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）下觀察上述兩種情況下鋼一側(cè)與釬焊縫接合界面上的金屬間化合物層厚度的分布情況，并對焊接接頭、力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 實驗材料與方法

實驗中所用的鋼板為冷軋普通碳鋼（steel plate cold common，SPCC），雙面鍍鋅，鍍鋅層厚度為80μm，在鍍鋅鋼板上開設(shè)角度大約為45°的坡口，所用的鋁合金為熱處理不可強化鋁合金——5052鋁合金，厚度均為2mm，填充的焊絲為ER4043 Al-Si焊絲，直徑為1mm，三者的化學(xué)成分如表1所示。

實驗裝置示意圖如圖1所示，試驗中采用YLR-4000 4kW光纖激光器，光纖芯徑為300μm，準(zhǔn)直焦距為150mm，聚焦透鏡焦距為200mm，聚焦光斑直徑為0.4mm。送絲機采用TranPuls Synergic 2700，送絲角度為30°，采用氬氣同軸保護(hù)。為了加強熔融焊絲與鋁合金母材的混合并且考慮到鋼與鋁在熱導(dǎo)率和反射率方面的不同，激光束從焊縫中心往5052鋁合金一側(cè)偏移1／3光斑半徑。試驗前用細(xì)砂紙打磨去除5052鋁合金的表面氧化膜，用丙酮擦洗表面以去除SPCC鍍鋅鋼與5052鋁合金表面的油污。

Table 1 The mass fraction of the material and wire

Fig.1 Schematic of the experimental setup for laser welding-brazing steel／aluminum butt jionts

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB228-2002，采用線切割方法將已焊試件切割成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣［13］，如圖2所示，圖中F為拉伸力。在WDW-100微機控制電子萬能試驗機上進(jìn)行拉伸試驗，加載速率為1.0mm／min。采用QUANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察焊縫與SPCC鍍鋅鋼接合界面上金屬間化合物層厚度分布情況。

Fig.2 Schematic illustration of a testing specimen of tensile strength measurement

2 結(jié)果與討論

2.1仿真條件

基于ANSYS軟件建立3維有限元模型，利用APDL語言編程實現(xiàn)熱源的移動加載，從而對焊接溫度場進(jìn)行動態(tài)模擬。激光焊接是局部加熱過程，有著極快的加熱與冷卻速率，金屬材料局部的溫度變化非?？?，其熱物理性質(zhì)也將隨溫度發(fā)生變化，為了減小仿真結(jié)果與實際情況的偏差，仿真過程中充分考慮了SPCC鍍鋅板的熱物理性質(zhì)（比熱容c、導(dǎo)熱系數(shù)λ、密度ρ）的變化，不同溫度下SPCC鍍鋅板的熱物理參量如表2所示［14］。溫度場模擬用的單元類型為SOLID70單元，網(wǎng)格劃分的原則如下：焊縫和熱影響區(qū)的溫度梯度較大，采用較密的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.1mm；遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，溫度梯度較小，采用稀疏的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.5mm。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

Table 2 Thermophysical parameters values of SPCC galvanized steel at different temperature

Fig.3 The whole mesh on a generated specimen

在仿真過程中主要做了如下的基本假設(shè)：（1）被加工材料視為均勻、各向同性，且鍍鋅鋼的熱物理性能參量不隨溫度發(fā)生變化；（2）假定試樣的初始溫度與周圍環(huán)境溫度相同；（3）忽略材料表面的熱輻射，忽略加工過程中等離子體對激光吸收的影響。

關(guān)于邊界條件，考慮到母材與周圍環(huán)境間的熱對流引入了熱耗散系數(shù)h。熱對流主要通過母材表面進(jìn)行。在仿真中，母材外表面與周圍環(huán)境的熱耗散系數(shù)h值統(tǒng)一取為10W／（m2·K）［14］。

Fig.4 Temprature field nephogram of laser welding-brazing steel／aluminum butt joints and the selected nodes on the bonding interface for comparison

Fig.5 Corresponding graph of calculated results of temperature of selected nodes on the bonding interface

2.2仿真結(jié)果與分析

圖4為開始焊接時焊縫橫截面上的溫度場云圖，焊接工藝參量分別如下：激光功率為1500W，光斑直徑為1.5mm，焊接速率為2.25m／min。從溫度場云圖可以看出，開設(shè)V型坡口時鍍鋅鋼／鋁合金接合界面的等溫線與鍍鋅鋼一側(cè)坡口的夾角較不開坡口時的夾角明顯減小，V型坡口有利于減小接合界面上的溫度梯度。

為了具體地說明開設(shè)V型坡口能有效地減小釬焊縫與鋼板接合界面上的溫度梯度，對比分析了接合界面上5個節(jié)點處的溫度值，如圖5a和圖5b所示。從圖5a中可以看出，在鍍鋅鋼板側(cè)開設(shè)V型坡口時，接合界面靠近上表面的溫度最高，為854℃，靠近下表面的溫度最低，為613℃，最高溫度與最低溫度的差值只有241℃，整個接合界面上的溫度梯度不大。然而，當(dāng)沒有在鍍鋅鋼板側(cè)開設(shè)坡口時，接合界面靠近上表面的最高溫度為1226℃，靠近下表面的最低溫度為638℃，最高溫度與最低溫度的差值達(dá)到588℃，接合界面上存在較大的溫度梯度，如圖5b所示。故在鍍鋅鋼板側(cè)上開V型坡口能有效地減小接合界面上的溫度梯度，這對于改善界面反應(yīng)的不均勻性具有積極作用。

相關(guān)研究表明，化學(xué)成分的差異和冷卻過程中的溫度的急劇變化是金屬間化合物相生長的動力［15］。也就是說，化合物相的生長是受焊絲的成分和加工過程中的熱循環(huán)曲線的影響。接合界面上Fe-Al金屬間化合物層的形成機制主要有熱擴(kuò)散形成機制和直接反應(yīng)形成機制兩種，具體是哪種機制起主導(dǎo)作用要看采取的焊接方式，采用常規(guī)熔化焊時，由于母材都處于熔融狀態(tài)，兩種流體充分接觸混合，這時金屬間化合物層的形成主要由母材間的直接反應(yīng)所主導(dǎo)。對于激光填絲熔釬焊，焊接過程中鋼板并未熔化，處于流動狀態(tài)的鋁硅焊絲潤濕SPCC鍍鋅鋼板進(jìn)而在接合界面上形成釬焊縫來實現(xiàn)二者的連接，這種界面冶金反應(yīng)主要由原子的熱擴(kuò)散作用所主導(dǎo)，熔融焊絲中的Al，Si原子通過熱擴(kuò)散作用進(jìn)入鋼板表面，在鋼板表面處與Fe原子發(fā)生冶金反應(yīng)形成金屬間化合物層。

［16］中說明Fe-Al金屬間化合物層的厚度與時間相關(guān)，具體的關(guān)系式為X＝Kt，其中K是溫度的函數(shù)，溫度越高其值越大，X表示Fe-Al金屬間化合物層的厚度，t表示熱擴(kuò)散的時間。所以對于激光熔釬焊來說，影響接合界面化合物層厚度的因素為作用時間和界面上的溫度。圖6為未在鍍鋅鋼板上開設(shè)坡口時接合界面上所選定的5個節(jié)點的熱循環(huán)曲線圖，鋁合金的熔點為607℃，如圖中直線a所示，從圖中可以看出各個節(jié)點處固液態(tài)相互作用的時間基本相同。因此，金屬間化合物層的厚度主要是由界面上的溫度峰值決定的。

Fig.6 Calculated results of thermal cycle of five nodes at the bonding interface without grooves on galvanised steel

綜合上述，數(shù)值模擬與理論的結(jié)果，說明了通過在母材上開V型坡口能夠改善接合界面冶金反應(yīng)的不均勻性，使得接合界面上金屬間化合物層的厚度分布更加的均勻。

3 試驗與分析

3.1焊縫成形特點

圖7為5052鋁合金與SPCC鍍鋅鋼板開設(shè)V型坡口激光對接熔釬焊對接接頭的成形照片。焊縫表面成型飽滿，無裂紋，鋁合金一側(cè)也未出現(xiàn)咬邊、未融合等缺陷，如圖7a和圖7b所示。從圖7c和圖7d中可以看出熔釬焊縫的典型特點：在低熔點鋁合金一側(cè)，熔化的焊絲與熔融的5052鋁合金母材充分混合形成熔焊接頭，主要由熔焊焊縫、熱影響區(qū)及鋁合金母材組成；在高熔點SPCC鍍鋅鋼一側(cè)，焊絲與SPCC鍍鋅鋼的連接主要通過熔化的焊絲鋪展、潤濕鍍鋅鋼板而獲得釬焊接頭，主要由釬焊焊縫、連接界面以及鍍鋅鋼母材組成。

Fig.7 Appearances of the aluminum-steel butt joint

3.2V型坡口對接合界面上金屬間化合物層厚度分布的影響

圖8為該金屬間化合物層的能譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）分析結(jié)果圖，圖9和圖10分別為不開坡口與V型坡口情況下接合界面處的顯微組織圖。焊縫中Al，Si原子通過熱擴(kuò)散進(jìn)入鍍鋅鋼表面與Fe之間發(fā)生冶金反應(yīng)生成金屬間化合物相，此化合物相優(yōu)先沿著散熱最快的方向生長，即垂直于接合界面向熔池內(nèi)部方向即熔融焊絲一側(cè)生長形成了Fe-Al金屬間化合物層。由于接合界面上不同部位處的散熱速度不一樣，金屬間化合物相的生長速度也不一樣，加之內(nèi)部熔池流動的影響，最終在焊縫一側(cè)的金屬間化合物層呈現(xiàn)出鋸齒狀，且鋸齒狀金屬間化合物層之間為塑性較好的Al-Si焊絲，這樣的結(jié)構(gòu)不利于裂紋的擴(kuò)展，起到“釘扎”的作用，這使得焊縫與鍍鋅鋼二者之間的結(jié)合更加牢固。

Fig.8 The EDS analysis result diagram of inter metallic compound layer

Fig.9 The distribution of thickness of IMCs on the interface when there are no grooves on galvanised steel

Fig.10 The distribution of thickness of IMCs on the interface when there is a V-shaped groove on galvanised steel

圖9 、圖10中的4個小圖分別是圖7c中1，2，3，4和圖7d中5，6，7，8處相應(yīng)區(qū)域的顯微圖，激光加工是局部加熱過程，接合界面靠近上表明的溫度較中間、靠近下表面位置的溫度高，熱擴(kuò)散作用比較充分，故一般情況下，靠近上表明的厚度高于中間、靠近下表面位置的厚度，這從圖9、圖10中可以明顯看出。通過分別對比圖9、圖10接合界面上相應(yīng)區(qū)域的化合物層厚度分布情況可以得出：開V型坡口較不開坡口情況下接合界面上的化合物層厚度分布更加均勻。試驗中得出的結(jié)果與仿真分析的結(jié)果相吻合，在鍍鋅鋼板上開V型坡口能夠顯著改善接合界面上冶金反應(yīng)的不均勻性。

3.3焊接接頭的力學(xué)性能

為了比較不開坡口鋼與開V型坡口鋼／鋁激光對接熔釬焊試樣的拉伸強度，分別選擇各自表面成型較好的焊接試樣通過線切割制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，并在WDW-100拉伸試驗機進(jìn)行拉伸測試，試驗的結(jié)果統(tǒng)計如圖11所示。

Fig.11 The diagram of the result of tensile tests

總體來說，拉伸試樣呈現(xiàn)3種斷裂位置，它們分別是斷裂在接合界面、鋁合金母材、鋁合金熱影響區(qū)處。從圖中可以看出，隨著斷裂位置的不同，它們之間的抗拉強度差異比較大，斷裂在接合界面上的拉伸強度最低，約為125MPa，波動范圍從92MPa～135MPa；斷裂在鋁合金熱影響區(qū)的拉伸強度次之，約為150MPa，且波動范圍從142MPa～156MPa，較斷裂在接合界面的窄。這是由于V型坡口改善了接合界面上金屬間化合物層的不均勻性，使得斷裂位置遠(yuǎn)離接合界面；極個別斷裂在鋁合金母材上的強度最高，拉伸強度為185MPa，約等于鋁合金母材的強度（193MPa），拉伸應(yīng)變?yōu)?.42%，可以見到非常明顯的“縮頸”現(xiàn)象。

DHARMENDRA等人在參考文獻(xiàn)［16］中已經(jīng)指出，只有當(dāng)金屬間化合物層的厚度處在合適的范圍內(nèi)時，接頭才具備良好的強度。實際上，適宜厚度金屬間化合物層的作用類似“膠層”，利于鋼／鋁界面的接合。當(dāng)熱輸入量過低時，底部接合界面上的冶金反應(yīng)不充分，焊縫與鍍鋅鋼板之間只是機械耦合；當(dāng)熱輸入量過高時，接合界面上的金屬間化合物層厚度過厚，容易在其上面出現(xiàn)裂縫，這兩種情況焊縫的強度較低，斷裂發(fā)生在接合界面上。當(dāng)熱輸入量處于合適的范圍內(nèi)時，V型坡口的存在使得接合界面上金屬間化合物層的厚度分布較不開坡口時均勻得多，斷裂位置遠(yuǎn)離接合界面，此時接頭的機械性能明顯改善。

4 結(jié) 論

（1）采用ANSYS軟件進(jìn)行了鋼／鋁異種金屬激光填絲熔釬焊焊縫溫度場的仿真，仿真結(jié)果表明，在母材上開V型坡口可以大幅降低接合界面上的溫度梯度。接合界面靠近上表面與靠近下表面的溫度梯度（為241℃）較不開坡口時的溫度梯度（為588℃）明顯減小。

（2）研究了鋼／鋁異種金屬開V型坡口與不開坡口的激光填絲熔釬焊，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，V型坡口接合界面上的金屬間化合物層厚度分布明顯比不開坡口時均勻，試驗的結(jié)果同仿真分析的結(jié)果相符合。

（3）拉伸試驗表明，斷裂在鋁合金熱影響區(qū)的平均抗拉強度（150MPa）遠(yuǎn)高于斷裂在接合界面上的平均抗拉強度（125MPa），V型坡口的存在使得斷裂位置遠(yuǎn)離接合界面，接頭的機械性能明顯改善。

參考文獻(xiàn)

［1］ LEE W B，SCHMUECKER M，MERCARDO U A，et al.Interfacial reaction in steel-aluminum joints made by friction stir welding［J］.Scripta Mater，2006，55（4）：355-358.

［2］ BROCKMANN R，DICKMANN K，RADSCHEITC，et al.Method for the laser beam joining of aluminum and steel in the thin sheet range［J］.Weld Cut，1996，48（3）：46-47.

［3］ LIU Zh Q，LIU K.Dissimilia rmatel welding technology guide［M］.Beijing：China Machine Press，1986：36-37（in Chinese）.

［4］ ELLIOTT S，WALLACH E.Joining aluminum to steel by friction welding［J］.Metal Constrution，1981，13（4）：221-225.

［5］ SZECKET A，INAL O T，VIGUERASD J，et al.A wavy versus straight interface in the explosive welding aluminum to steel［J］.Journal of Vacuum Science and Technology，1985，3（6）：2588-2593.

［6］ JIANGW H，KOVACEVIC R.Feasibility study of friction stir welding of6061-T6 aluminium alloy with AISI1018 steel［J］.Engineering Manufacture，2004，218（10）：1323-1331.

［7］ ZHANGM J，CHENG Y，LI Sh Ch，et al.Experimental ivestigation on fiber laser overlap welding of automotive aluminum to galvanized steel［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38（6）：134-139（in Chinese）.

［8］ MATHIEU A，SHABADIR，DESCHAMPS A，et al.Dissimilar material joining using laser（aluminum to steel using zinc-based filler wire）［J］.Optics＆Laser Technology，2007，39（3）：652-661.

［9］ TORKAMANY M J，TAHAMTAN S，SABBAGHZADEH J.Dissimilar welding of carbon steel to5754 aluminum alloy by Nd∶YAG pulsed laser［J］.Materials and Design，2010，31（1）：458-465.

［10］ SHIY，ZHANG H，TAKEHIROW，et al.CW／PW dual-beam YAG laser welding of steel／aluminum alloy sheets［J］.Optics and Lasers in Engineering，2010，37（4）：1132-1137.

［11］ ZHANG H G，JIN X Zh，CHENG Y，et al.Study on the burning loss of magnesium element in fiber laser welding aluminum alloy 5052［J］.Laser Technology，2012，36（6）：713-718（in Chinese）.

［12］ SONG JL，LIN SB，YANGC L，et al.Analysis of intermetallic layer in dissimilar TIG welding-brazing butt joint of aluminium alloy to stainless steel［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2010，15（3）：213-218.

［13］ CHEN G Y，CHEN M，LI Sh Ch，et al.Research of partial penetrated laser overlap-welding of thin steel sheet［J］.Laser Technology，2011，35（5）：577-581（in Chinese）.

［14］ PEYRE P，SIERRA G，DESCHAUX-BEAUME F，et al.Generation of aluminium-steel joints with laser-induced reactive wetting［J］.Materials Science and Engineering，2007，444（1／2）：327-338.

［15］ MURAKAMI T，NAKATA K，TONG H，et al.Dissimilar metal joining of aluminum to steel by MIG arc brazing using flux cored wire［J］.ISIJ International，2003，43（10）：1596-1602.

［16］ DHARMENDRA C，RAOK P，WILDEN J，et al.Study on laser welding-brazing of zinc coated steel to aluminum alloy with a zinc based filler［J］.Materials Science and Engineering，2011，528（3）：1497-1503.

Effect of V-shaped grooves on properties of laser welding-brazed steel-aluminum butt joints

CHEN Genyu，WU Keru，LIAO Shenghui，DENG Hui，ZHANG Mingjun
（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

In order to improve the homogeneity of metallurgical reaction on the bonding interface between seam and steel so as to improve the tensile strength of a specimen，the effect of V-shaped grooves on properties of laser welding brazing steel-aluminum butt joints was discussed by means of simulation combined with experiments.Frist，the temperature field of laser welding steel-aluminum butt was simulated by means of ANSYS.It was found that the temperature gradient on the bonding interface when there was a V-shaped groove on galvanized steel was lower than that when there was no grooves on galvanized steel.Then the experiments were carried out for laser welding steel-aluminum butt joints with and without V-shaped grooves on galvanized steel respectively，and the specimens were subjected to a tensile test.The result showed that distribution of intermetallic compounds on the bonding interface between the seam and galvanized steel with a V-shaped groove was more uniform than that without grooves.The V-shaped groove on the base material made the fracture far away from the bonding interface and the mechanical property of the joint was improved significantly.

laser technique；laser welding；intermetallic compounds；V-shaped groove；temperature field； temperature gradientr

TG456.7

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.003

1001-3806（2014）01-0011-06

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175165）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目資助項目（2010A090200048）

陳根余（1965-），男，博士，教授，主要從事激光加工技術(shù)及裝備制造方面的研究。

E-mail：hdgychen＠163.com

2013-03-07；

2013-04-08