铝/钢金属箔小功率YAG激光焊接工艺及机理研究

摘要

本文研究了厚度均为0.3mm的316L不锈钢和6061铝合金的小功率Nd:YAG激光焊接。实验结构采用搭接和封边接头形式，利用正交实验的方法分别优化了铝/钢直接接触焊接接头形式的工艺参数（焊接电流、速度和激光频率、脉宽）；利用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析和显微硬度测试等方法研究了接头横截面显微组织特征、成型及熔合情况、元素分布、断口的断裂形式以及界面硬度变化情况和规律。为了改善界面冶金结合情况，对不锈钢镀铜处理，研究了铜元素对接头界面元素、组织分布和接头性能的影响。搭接接头单位长度抗拉剪负荷最大的是c号件，为22.23N/mm。获得了最优水平参数为A1B3C2D3，即焊接电流为100A，焊接速度为170 mm/min，激光脉宽为4.5ms，激光频率为12Hz。并依据优化后的参数得到焊接接头，接头单位抗拉剪力为27.31 N/mm，大于c号件。影响焊接接头单位抗拉剪载荷的水平因素主次顺序为A＞C＞D＞B，焊接电流是影响铝钢激光搭接焊质量最主要的因素。在界面区域Fe、Al相互扩散生产大量的(Fe, Cr, Ni)Al3、(Fe, Cr, Ni)Al2、(Fe, Cr, Ni)Al等金属间化合物；熔化的铁基体由于C元素的存在而开裂；靠近熔合线附近的裂纹主要是产生的金属间化合物和C元素共同作用，由于熔合区的不锈钢发生了急速冷却，故熔合区的硬度大于母材的硬度；在熔合线附近由于脆硬的金属间化合物的存在，使熔合线区域的硬度远远大于母材的硬度；裂纹附近的含碳量较高裂纹附近的硬度也远大于母材的硬度，研究接头的断裂形式为沿着晶界的脆性断裂。封边焊接接头单位长度抗拉剪负荷最大的是f号件，为19.79 N/mm。铝/钢激光封边焊的优水平为A2B3C3D2，即焊接电流为110A，激光脉宽为4ms，激光频率为16Hz，焊接速度为200mm/min。铝钢接头界面处有少量铁嵌入铝基体中，并和铝元素发生反应；主要由靠近铝一侧的(Fe, Cr, Ni)Al和靠近钢一侧的( Fe, Cr, Ni)2Al5组成，嵌入铝一侧的主要是?-Al和(Fe, Cr, Ni)3Al组成。由于铝钢对激光吸收的差异性导致焊接接头焊缝区域的熔合线与母材之间的缝隙呈“Y”型，部分接头不锈钢熔池区域和熔合线附近出现不同程度的裂纹。不锈钢与铝合金熔合线位置处显微硬度急剧增加，远大于焊缝不锈钢熔池处的硬度；铝钢异种金属封边焊接的断裂形式主要是脆性断裂，与搭接接头不同的是：封边接头并伴随有一定的塑性断裂。不锈钢表面镀铜形成了铝钢焊接的过渡层，减缓了界面处液态金属传递，抑制了铁铝之间的熔合，铝钢熔合线向钢一侧偏移。不锈钢与铝直接焊接时，焊接接头组织主要由靠近铝一侧的细小条状、片层状的Fe2Al5和靠近钢一侧的FeAl组成；镀铜后Cu主要固溶到Fe中，接头组织主要由（Fe, Cu)2Al5、(Fe, Cu)3Al组成。镀铜后单位长度抗拉力呈现不同程度的增加，增幅大约为20％-40%，其中 i接头抗拉力增幅最大，未镀铜接头单位长度的抗拉力为11.14N/mm，不锈钢镀铜后接头单位长度的抗垃力为15.63N/mm，抗拉力增加40.32%。然而所研究的i号试样镀铜前后断口形貌未发生明显改变。