• 方正帅,刘佳明,黄根哲,张宏,刘凤德

• 长春理工大学 机电工程学院, 长春 130022

作者简介: 方正帅(1995-), 男, 硕士研究生, 现主要从事激光加工技术的研究.

通讯作者: 刘凤德, lfd@cust.edu.cn

• 基金项目:吉林省科技发展计划资助项目 20190302022GX

为了改善铝/钢连接性能, 采用激光技术通过调整工艺参数获得了拉伸强度达到铝母材40%的不等厚铝/钢对焊接头, 并对接头焊缝组织、界面化合物、力学性能展开了分析。结果表明, 焊接速率为1.8 m/min、激光向钢侧偏置0.3 mm、离焦量为0 mm、激光功率为3.0 kW时, 接头抗拉强度达到38 MPa; 保持其它焊接参数不变, 离焦量为-2 mm时, 接头抗拉强度进一步提升至57.7 MPa, 焊缝截面形状由酒杯状变为束腰状, 熔合线更加整齐, 附近裂纹、气孔缺陷明显减少; 焊缝界面区域物相衍射与能谱分析表明, 沿熔合线垂直方向生长的化合物为脆韧程度不尽相同的FeAl、FeAl3、Fe2Al5和Fe2CrAl、Fe3Al; 接头整体拉伸断裂模式为脆性断裂, 断口表面部分位置连接强度较好, 呈凹陷状, 检测发现Fe3Al。此研究结果在提升车身铝/钢连接处性能、车身减重以及节能减排方面具有重要现实意义。

实验材料为150 mm×65 mm×4 mm的304不锈钢和150 mm×65 mm×8 mm的6061铝。

实验中采用德国通快公司型号为HL4006D的Nd∶YAG激光器。实验前先将待焊母材用砂纸去除表面氧化膜，并用丙酮对母材表面进行超声清洗、真空干燥炉烘干，然后将待焊母材用特定夹具固定在试验台上，将激光偏移至钢侧设定位置。

完成焊接实验后，切割获得标准拉伸试样，利用万能试验机测试接头抗拉强度，并对拉伸断口进行X射线衍射物相分析。在焊接区域进行12 mm×10 mm金相切割和镶嵌打磨，用配比为(1.5 mL HF+2.5 mL HCl+3 mL HNO3+50 mL H2O)的凯勒试剂和FeAl3溶液分别对铝侧和钢侧进行15 s和30 s的腐蚀，在光镜下观察焊缝区域宏观形貌，利用扫描电镜及其配备的能谱分析仪(energy dispersive spectrometer，EDS)观察焊缝区微观组织形貌并分析元素组成。使用MH-60显微硬度仪在焊缝区域间距0.1 mm，进行载荷1.962 N保载时间10 s的显微硬度测试。

图1 Side view of laser butt welding

图2 Tensile specimen

图 6为试样h(见图 4c)焊缝截面的宏观形貌。图 7a为图 6焊缝标记区域(见K点)的放大图，图 7b为图 6焊缝标记区域(见P点)的放大图。图 7a和图 7b中标记点1~7为光镜下观察到的组织形态。从图 7a和图 7b中可知，在标记点1和7处存在沿钢侧连续锯齿状物质生成。在其他学者[13-14]的研究中也同样表明，与标记点1、7处形态类似的锯齿状物质为Fe4Al13，其生成原因与紧邻钢侧有关。标记点2、3、4处分别能观察到絮状、正方形块状和米粒状物质，标记点5、6处为粗大和细小针状混合物，同时可观察到标记点2~6都位于界面或铝浓度较高的铝侧焊缝内。同样有学者[15-17]研究发现，标记点2~6针状、棒状物为FeAl3、FeAl以及Fe4Al13。因此图 7a和图 7b靠近铝侧焊缝标记点2~6应为富铝相铁-铝化合物。

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

   图7 Macrostructure of -2 mm defocus joint weld