SUS321不锈钢和6061铝合金激光搭接焊接头的组织和力学性能

SUS321不锈钢和6061铝合金激光搭接焊接头的组织和力
学性能
高生祥;邓丽霞
【摘要】Welding parameters have an important influence on the quality of dissimilar joints.In this paper,the effects ot laser power and welding speed on the weld formation of SUS321 stainless steel and 6061 aluminum alloy were studied.The morphology and composition of the dissimilar joints were analyzed,and the fracture morphology and mechanical properties were studied.Through welding test,it is found that different welding speed and laser power have important influence on weld formation.When the laser power is from 2 200～2 400 W and the welding speed is about 30～35 mm/s,the weld with higher quality can be obtained.In the welding process,intermetallic compounds such as FeAl,Fe2Al3 and Fe3Al are formed at the interface of the joints,and their existence influences the mechanical properties of the joints.Ductile fracture occurs in the tensile test,and the crack initiates in intermetallic compound and expands along the steel aluminum reaction interface until the joint is broken.%焊接参数对钢铝异种接头质量影响明显.主要研究不同的激光功率和焊接速度对SUS321不锈钢和6061铝合金焊缝成形的影响,分析异种接头的微观形貌特征及组成,并对接头的断口形貌和力学性能进行了试验研究.结果表明,不同焊接速度和激光功率对于焊缝成形有着重要影响:当激光功率为2 200～2 400W,焊接速度为30～35 mm/s时可以获得质量较高的焊缝;在焊接过程中,接头界面形成了FeAl、Fe2Al3和Fe3Al 等金属间化合物,它们的存在影响了接头的力学性能;接头在拉伸试验中发生韧性断
裂,且裂纹最先在金属间化合物中萌生,并沿着钢铝反应界面进行扩展,直至整个接头发生断裂.
【期刊名称】《电焊机》
【年(卷),期】2017(047)006
【总页数】5页(P105-109)
【关键词】SUS321不锈钢;6061铝合金;激光焊接;组织结构;力学性能
【作者】高生祥;邓丽霞
【作者单位】浙江工业职业技术学院,浙江绍兴312000;浙江工业职业技术学院,浙江绍兴312000
【正文语种】中文
【中图分类】TG457
钢铝异种金属焊接技术是一种正在被大力推广的新型技术，随着其在降低生产成本和轻量化等方面的巨大优势，在汽车、交通和装备制造领域获得了广泛应用。

钢和铝的成分结构和物理化学特性差别巨大，这两种金属的接头会形成大量Fe-Al金属间脆性化合物，极大降低接头质量[1]。

本研究以“钢上铝下”的搭接形式采用激光进行焊接，研究不同焊接速度和激光功率对焊缝的影响，并分析接头的微观形貌和抗剪强度。

1.1 试验材料
试验材料为SUS321不锈钢和6061铝合金。

SUS321不锈钢也称1Cr18Ni9Ti，属于奥氏体不锈钢，是工业生产中广泛应用的一种高强度结构钢；6061铝合金属于Al-Mg-Si系合金，具有成形性好、耐蚀性强、强度高、耐高温性能好等性能，
非常适合与不锈钢结合在一起使用，也是一种在结构件中广泛使用的材料。

采用1.5 mm厚的SUS321不锈钢与1.5 mm厚的6061铝合金作为母材进行激光搭接焊试验，两种母材的化学成分如表1和表2所示[2]。

激光源选用额定功率为4kW 的UW-S3000型光纤激光器，试验波长1 070 nm±10 nm。

采用纯度99.999%、流量16 L/min的工业用氩气作为保护气体，焊接时不填充其他材料，焊接母材板料的尺寸均为200mm×80 mm×1.5 mm。

1.2 试验方法
由于不锈钢和铝合金两种母材均易氧化，试验前应当除去其表面氧化膜。

因此焊前要用细砂纸打磨焊接区域表面，并用钢丝刷和丙酮溶液清洗焊件以去除氧化膜和油污，之后晾干待用。

焊接时采用“钢上铝下”的搭接形式，用专用焊接夹具将两种母材夹紧，保证钢铝结合面贴紧，如图1所示。

为了研究焊接热输入对钢铝异种
接头质量的影响，在此分别制备了在不同焊接速度和激光功率下的接头试样。

要获得优质的接头，要求焊接输入的热量必须合理，既不能过大使得熔池区域过大，降低母材质量导致飞溅和气孔等缺陷，又要保证焊缝区域有充分的能量形成大小合适的熔池以保证接头质量。

为此，首先研究焊接速度v和激光功率P对接头质量
的影响。

2.1 焊接速度对焊缝成形的影响
经过前期多次试验并借鉴文献[3]的相关研究制备了焊接功率2 300 W，离焦量
A=1，焊接速度分别为 25 mm/s、30 mm/s、35 mm/s、40 mm/s的 4 种接头，其焊缝宏观形貌如图2所示。

由图2可知，在4种不同的焊接速度时获得了不同质量的焊缝。

当焊接速度为25 mm/s时，焊接热输入较大，形成的焊缝有明显的凹陷等缺陷；当焊接速度为30 mm/s和35 mm/s时，焊接速度适宜，热输入合理，可以形成连续性较好且均匀美观的焊缝，此时接头质量较好；当焊接速度超过40 mm/s时，由于焊接速度过
快，导致单位时间内单位面积上的热输入过低且降低了焊缝成形的连续性，使得焊缝出现因熔融金属堆积而产生的焊瘤和局部塌陷，极大降低了接头质量。

因此，在其他焊接参数不变的情况下，焊接速度为30～35 mm/s时获得的焊缝质量较高。

2.2 激光功率对焊缝成形的影响
本研究制备焊接速度32 mm/s，离焦量A=1，激光功率分别为2 000 W、2 200 W、2 400 W、2 600 W的4种接头，焊缝的宏观形貌如图3所示。

由图3可知，在4种激光功率条件下获得了形貌不同的焊缝。

当P=2 000 W时由于热输入量较低，形成的焊缝不够连续，焊缝前半段出现凸起缺陷，后半部分出现部分凹坑，此时不锈钢与铝合金未能实现完整的冶金结合，接头质量较差。

当激光功率为2 200 W和2 400 W时，由于热输入适宜，焊缝的连续性较好,焊缝表面
呈现出鱼鳞状波纹，焊缝无其他明显缺陷，焊缝质量较好。

当激光功率超过2 600 W时，由于热输入过大，焊缝出现明显的下塌缺陷，大大降低了焊缝质量[4]。

因此，在其他焊接参数不变的情况下，当激光功率为2 200～2 400 W时获得的焊
缝质量较高。

为了研究钢铝异种接头的微观形貌和组成，采用线切割机沿着焊缝方向将试样切割成25 mm×25mm的金相试样，经打磨、抛光和试剂腐蚀处理后在光学显微镜下的典型形貌如图4所示。

由图4可知，接头的横截面形状为上宽下窄的“丁字”形曲面。

焊接反应区结合
紧密，基本无明显的气孔、裂纹或者夹杂等缺陷。

在焊缝与铝合金的反应界面上存在一些间断的“稻穗”状物质沿焊缝曲面分布，根据铁铝二元相图分析，这些物质可能为FeAl和FeAl3等金属间化合物，这些化合物依附于较早冷却的铝合金侧并沿着温度梯度变化方向生长[5]。

在铝合金界面与焊缝中心部分存在一个过渡区域，钢铝两种母材在熔池的搅拌作用下，在此形成明显的热扩散区，该区域也分布有沿着焊缝中心生长的不均匀组织成分。

为了进一步分析接头界面的金属间化合物成分，采用X射线衍射仪对界面层进行XRD分析，结果如图5所示。

在接头中检测出了FeAl、Fe2Al3和Fe3Al等几种金属间化合物，这与采用Fe-Al二元图分析的结果基本相同。

选择图2b、图2c和图3b、图3c的4种焊缝成形较好的工艺参数制备接头进行试验，每种工艺参数制备10组接头，并依次编号为1、2、3和4。

在各个工艺参数的焊接试验完成后，用线切割机将接头切割为符合国标GB-2651-89的标准剪切试样，切割时使焊缝处于拉伸试样中间，试样具体形状尺寸如图6所示。

采用DST数显式电子万能材料拉伸试验机在室温条件下对这40个试样进行拉剪试验，拉伸速度2 mm/min，发生剪切断裂的照片如图7所示，试样在焊缝处发生剥离。

由图8a可知，当激光功率为2 300 W、离焦量A=1、焊接速度30 mm/s（序号为2）时接头的抗剪强度最高，其平均抗剪强度为38MPa，最高强度42MPa；当激光功率2300W、离焦量A=1、焊接速度25mm/s（序号为1）时接头的抗剪强度最低，平均抗剪强度27.5 MPa，最低抗剪强度23 MPa。

由图8b可知，4种接头的断后伸长率和抗拉强度呈现出类似规律，序号1的接头断后伸长率最低，序号2的接头断后伸长率最高。

4种试样均在焊缝处发生剥离，用扫描电子显微镜观察断口的微观形貌，如图9所示。

由图9a可知，接头中无明显的裂纹、气孔和夹杂等缺陷存在。

断口表面呈灰色，表面形貌凹凸不平分布着大量的撕裂棱和河流状纹样，隐约可以看到部分韧窝，断口呈现出韧性断裂特征。

由图9b可知断口表面存在大量解离台阶和撕裂棱，断口处分布着一些较浅的韧窝，并伴有少量的河流花样形成，断口形貌符合韧性断裂特征[6]。

断裂最先发生在接头两侧的界面处，这是由于在界面层分布着大量铁铝金属间化合物，其成分分布不均匀，它们的存在降低了接头强度。

在剪切力作用下，
裂纹首先在这些金属间化合物之间萌生，并沿着钢铝反应界面进行扩散，直至整个接头发生剪切断裂。

（1）当激光功率为2 200～2 400 W、焊接速度为30～35 mm/s时，可获得质量较高的焊缝。

（2）钢铝异种接头呈现出上宽下窄的“丁字”形状。

通过对接头区域进行XRD 分析可知，接头区域生成了FeAl、Fe2Al3和Fe3Al等几种金属间化合物等铁铝间金属化合物。

（3）通过拉剪试验发现，几种焊接参数条件下的接头均在焊缝处发生韧性断裂，焊接接头的最高抗剪切强度为42 MPa，最低抗剪切强度为23 MPa。

断裂发生在接头的脆性金属间化合物界面中，然后沿着钢铝反应界面进行扩展，直到整个接头发生剪切断裂。

【相关文献】
[1]李亚江，吴娜.钢铝异种金属焊接的研究现状[J].焊接，2010（3）：5-12.
[2]王晓虹.钢/铝异种金属激光焊接头界面特性的研究[D].吉林：吉林大学，2016.
[3]刘微.激光搭接焊不锈钢/铝合金接头组织与性能研究[D].吉林：吉林大学，2014.
[4]戴婷.钢铝激光胶接焊组织性能试验研究[D].湖南：湖南大学，2013.
[5]李玉龙，李鹤，赵诚.铝钢异种金属小功率YAG激光焊接工艺[J].应用激光，2015，35（4）：456-460.
[6]周惦武，乔小杰，张丽娟，等.镀锌钢/6016铝合金激光焊的BP神经网络工艺优化及组织和性能[J].中国有色金属学报，2014，24（3）：678-688.。