基于CuSi3焊丝的激光熔钎焊钢/铝异种金属工艺分析

0 序 言

铝合金具有密度小、良好的加工成形性以及高的回收再生性等优点.钢具有优异的综合力学性能. 实现钢/铝异种接头高性能连接因能最大限度地利用材料各自优点达到节能减排的目标而备受关注[1-2]. 激光焊与传统连接方法[3]相比具有自动化程度高、能精确控制热输入、焊后应力应变小等优点，被广泛用于钢/铝异种金属的连接. 但因为钢与铝物理性能和化学性能(熔点、线膨胀系数、导热率、比热容)差异较大，且易生成硬脆的Fe-Al金属间化合物[4]，会直接影响接头质量使激光焊接钢/铝异种金属成为难点.

为了解决上述问题，过去研究多采用填充材料的激光熔钎焊的方法，例如填充锌基焊丝(ZnAl15[5])、铝基焊丝(AlSi3Mn[6], AlSi5[7], AlSi12, Al-Cu[8])、纯铝粉末、镀可润湿性金属(Zn[9], Al[10])等，均有效提高了钢材表面润湿性，抑制了金属间化合物(IMC)的生长. 但到目前为止，很少有报道其它有效的填充材料用于钢/铝异种金属焊接. 近年来，铜基材料作为填充金属被广泛用于异种金属材料的连接，例如镁/钢异种金属接头[11-13]和钛/钢异种金属接头[14-16]，均使接头强度得到明显提升. Chen等人[17]采用铜箔作为夹层金属，进行铝/钢异种金属激光焊. 揭示了加入的铜夹层和铝合金中间发生接触反应钎焊，生成一个外延区域，扩大了焊缝的有效区域. 杨旭东等人[18]也采用铜做中间层激光焊接铝/钢异种金属，研究表明Cu元素抑制粗大板条状Fe4Al3的产生，添加铜箔后焊缝抗拉载荷提高45%. 综上所述，铜基材料作为填充金属焊接钢/铝异种金属值得深入研究.

研究采用直径1.6 mm的CuSi3焊丝焊接6061铝合金和镀锌钢板的激光熔钎搭接焊，优化了工艺参数，深入了解微观结构特征并探究微观组织对接头力学性能的影响. 研究结果为后续铝/钢异种金属添加材料的激光熔钎焊提供了试验和理论基础.

1 试验方法

试验材料选用6061铝合金和经过热镀锌的DP590 钢，镀层厚度 60 g/m2(约 8.4 µm)，试板尺寸分别为150 mm×100 mm×1 mm和150 mm×100 mm×0.7 mm，焊接使用CuSi3焊丝，焊丝直径为1.6 mm，化学成分见表1. 试验采用IPG的YLR-4000光纤激光器作为焊接热源，焦长为250 mm；所用机器人为ABB IRB4400型专用焊接机器人. 焊前首先对铝合金进行机械打磨，既可以去除氧化膜又能提高对激光的吸收率，然后用丙酮清洗铝合金和镀锌钢板以去除表面油污. 试验采用铝板在上钢板在下的搭接形式，采用氩气对焊缝进行保护. 搭接装置示意图如图1所示.

焊接时，离焦量为+30 mm，使激光处于散焦状态. 焊丝位于光斑正中，且焊丝边缘与搭接边缘相切. 激光将CuSi3焊丝与和部分铝合金母材熔化，铺展到未熔的镀锌钢板上最终形成熔钎焊接头. 控制保护气流量1.5 m3/h，离焦量+30 mm不变，分别改变激光功率、焊接速度和送丝速度进行三组单因素试验，旨在了解工艺参数对焊缝成形的影响并优化工艺参数.

表1 母材和焊丝化学成分 (质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of substrates and filler wire

焊接材料 Si Fe Cu Mn Mg Zn Al 6061 0.72 0.4 0.21 0.09 1.10.02 余量DP590 ≤0.6 余量 ≤2.5 ≤0.15 — — —CuSi3焊丝 2.8～4.0 ≤0.3 余量 0.5～1.5 — ≤0.2 ≤0.01

图1 钢/铝激光熔钎搭接焊示意图 (mm)
Fig.1 Schematic diagram of laser fusion brazing lap joint setup for steel-aluminum dissimilar metal

对试验获得的焊缝，观察外观形貌后，用线切割机切取金相试样和拉伸试样. 对于金相试样，经镶嵌、磨抛后，用凯勒试剂腐蚀；采用体式显微镜观察焊缝截面形貌；采用sirion场发射扫描电子显微镜(FSEM)观察微观组织形貌，采用能谱仪(EDS)进行微区能谱成分分析，采用X射线衍射仪进行相成分分析；除此之外，通过原位纳米压痕仪测试显微硬度. 对于拉伸试样，尺寸规格如图2所示，采用材料高温持久性能试验机进行拉伸测试，拉伸力大小取三个样平均值，随后进行断口分析.

图2 拉伸试样尺寸
Fig.2 Size of tensile text specimens

2 试验结果与分析

2.1 工艺参数对焊缝成形的影响

焊接速度为1.2 m/min，送丝速度为2.0 m/min，在6种不同激光功率下得到的焊缝形貌如表2. 在激光功率较小时(2.4 kW)，焊缝未成形，原因是激光能量过小导致焊丝未熔化. 激光功率在2.6～3.2 kW范围内，焊缝呈金属光泽外观形貌较好，熔化的CuSi3焊丝在钢界面铺展润湿较好. 随着激光功率的增加，熔化的铝合金区域(白线围绕区域)逐渐增大，在激光功率为3.2 kW时，横截面处出现气孔，原因可能是热输入过大导致，这将恶化接头力学性能. 当激光功率继续增大时(3.4 kW)，表面生成较多毛刺现象，严重影响焊缝外观成形.

表2 不同激光功率下的焊缝形貌
Table 2 Weld profile under different laser powers

激光功率P/kW 焊缝外观 接头横截面2.4 焊丝熔化较差—2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 焊丝铺展性差—

激光功率为3 kW，送丝速度为1.2 m/min，改变焊接速度得到的焊缝形貌如表3. 当焊接速度较小时(1.0 m/min)，焊缝铝合金一侧出现较多毛刺现象，可能是因为热输入过大导致低熔点铝合金吸收大量能量熔化过多，邻近的焊丝得不到足够的能量而存在局部未完全熔化，就形成毛刺问题. 随着焊接速度的增大(1.2～1.8 m/min)形成了焊缝外观形貌较好的焊缝. 但焊接速度为1.2 m/min时，因为焊接速度仍相对较小，热输入较大，生成气孔缺陷.但当焊接速度过大时(2.0 m/min)，焊缝外观形貌变差. 焊接速度过大，一方面导致热输入减小，熔化的铝合金量减少，另一方面导致焊缝单位长度上的焊丝量也减小，而焊缝就是熔化的铝合金和焊丝混合铺展形成的，所以就导致焊缝成形不良.

表3 不同焊接速度下的焊缝形貌
Table 3 Weld profile under different welding speed

焊接速度vw/(m·min–1) 焊缝外观 接头横截面1.0—1.21.41.61.82.0—

激光功率为3 kW，焊接速度为1.4 m/min时，改变送丝速度得到的焊缝形貌如表4. 当送丝速度较小时(1.4 m/min)，焊丝送进量明显不足，激光能量大部分被用于熔化边缘铝合金，导致成形较差.送丝速度在1.6～2.2 m/min的范围内，各参数较匹配，得到了成形好、无缺陷的焊缝. 但当送丝速度过大时(2.4 m/min)，焊缝单位长度上的焊丝量过多，焊丝未完全熔化，焊缝亦不能成形.

表4 不同送丝速度下的焊缝形貌
Table 4 Weld profile under different wire feeding speed

送丝速度vf/(m·min–1) 焊缝外观 接头横截面1.4—1.61.82.02.22.4—

综上所述，通过填充CuSi3焊丝获得了成形良好、无缺陷的6061铝合金/镀锌钢板异种金属搭接接头. 得到了激光熔纤焊工艺参数优化范围，其中，激光功率为2.6～3.0 kW，焊接速度为1.4～1.8 m/min，送丝速度为1.6～2.2 m/min.

2.2 显微组织分析

图3中所示是在激光功率为2.6 kW、焊接速度为1.2 m/min和送丝速度为2.0 m/min时获得的激光熔钎焊焊缝各区域光学显微组织. 激光熔化CuSi3焊丝和少部分铝合金后铺展到钢板上形成典型熔钎焊焊缝，如图3a所示. 图3b为CuSi3焊丝钎焊镀锌钢板界面层中部显微组织. 激光加热时间较短，靠近钢材生成超薄金属化合物(黑色的A层组织)，呈带状分布；靠近钎料生成金属化合物B层，以微小胚芽状向钎缝中心生长，在激光加热和钎料流动的作用下，少量胚芽状化合物碎化，向钎缝中迁移，冷却凝固形成颗粒状物质. 相关研究表明[19]，接头中这种弥散相为Fe5Si3(Cu)，有利于提高接头的力学性能. 镀锌钢在激光搭接熔钎焊时，受激光加热，焊缝中部界面表面镀锌层以锌蒸气的形式蒸发.

2.2.2 作为饲料添加剂。微生物制剂中所包含的有益菌经过养殖动物的胃肠道以起到相应的作用，因此，加工的微生物制剂需要满足胃肠道的环境要求。目前，市场中饲料的质量千差万别，水产养殖人员往往选择口碑比较好的饲料，其质量有些时候同样无法得到保障，在养殖动物出现摄食量少、活力不强、肉质虚肥及体色发黑等情况时，初步判定为是由于营养不良，营养不良会对水产品的生长与免疫力造成巨大影响。此时，在饲料中拌入适量的微生物制剂，如EM菌等，可有效调节养殖动物肠道内的菌群平衡，促进有益菌生长、繁殖，增强对饵料的消化吸收能力，促进其生长，这是常规药物所不能比拟的。

图3 激光熔钎焊焊缝光学显微组织.
Fig.3 Optical microstructure of laser fusion brazing weld seam

图4 a为焊缝中部界面处的合金元素分布的线扫描结果，此处主要含有Cu，Fe和Si三种元素，几乎不含Zn元素和Al元素. 沿着扫描路径，Cu元素含量逐渐减小，Fe元素含量逐渐增加，即形成了一个宽度约3 µm的元素过渡区域(点划线之间的区域)，且观察到Si元素在界面处存在明显的富集现象.有研究显示[20]，元素过渡区域处生成FeSi(Cu)金属间化合物，CuSi3钎料与镀锌钢能形成了良好的冶金结合. 所以钢侧钎接界面性能较好. 钎接焊缝中心区域显微组织如图3c所示，组织呈现树枝状，成分与焊丝大致相同. 图3d为铝合金和填充金属界面处焊缝微观组织，该区域元素分布的线扫描结果如图4b所示. 区域中主要含有Al元素，Cu元素和少量的Si元素，几乎不含Fe元素和Mg元素. 沿着扫描路径，Cu元素含量逐渐减小，Al元素含量逐渐增加，且局部存在Si元素. 这是因为受激光的作用，少量铝合金也发生熔化，熔化的CuSi3焊丝与熔融铝合金来不及混合扩散而形成成分浓度梯度高的铜/铝焊接区. 图4b中点划线之间为宽度约100 µm的过渡层，其中图3d中Ⅳ区域的SEM图像如图5所示.

图4 界面处合金元素分布的线扫结果
Fig.4 Distribution of alloying elements across interface with line scanning

图4 铜焊丝/铝过渡区 SEM 图像
Fig.5 SEM image of copper solder wire/Al transition
area

铜焊丝/铝过渡区域组织根据形貌和成分可以细分为4个区域，即图5a中的1～4区域. 补充说明，0区域为焊丝组织，5区域为铝合金组织. 图5b～图5d分别为图5a中区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅲ的放大图. 使用SEM-EDS对不同区域进行元素分析.界面元素主要有Cu元素和Al元素，还含有少量Si元素，不同区域的形貌特征和相应位置Cu元素、Al元素的含量见表5.

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表5 铜/铝过渡区组织形貌及对应成分(质量分数，%)
Table 5 Microstructure morphology and corresponding compositions of copper solder wire/Al transition area

采样点 形貌特点 Cu Al 0树枝状 96.04 0.36 1均匀带状组织 60.27 38.82 2-1 粗大骨架状组织 48.26 50.15 2-2 粗大骨架状组织 56.96 42.55 3-1 细小骨架状组织夹杂着层片状组织 36.52 55.69 3-2 细小骨架状组织夹杂着层片状组织 54.48 44.87 3-3 细小骨架状组织夹杂着层片状组织 38.79 59.64 4树枝状组织端部 36.51 62.19 5树枝状组织根部 2.51 97.37

由表5试验结果、铜-铝二元相图[21]以及先前对铜焊丝/铝焊接所形成的金属间化合物的研究[22-23]，微观组织分析如下：区域1呈现带状均匀组织，分布在钎缝侧，相对其它区域而言最薄，可能是由富铜的Cu9Al4和CuAl2组成的过共晶组织；区域2呈现粗大的骨架状，可能是由CuAl2和 α-Al组成的灰色网状组织分布在亮色的CuAl2基体中形成的过共晶组织，晶粒大小约5 µm；区域3为细小的骨架状过共晶组织夹杂着少量共晶组织，其中少量共晶组织由CuAl2和α-Al交替排列呈片层状分布；区域4为树枝状组织端部，此处灰色组织可能为共晶组织(CuAl2+α-Al). 另外，区域0为焊缝枝晶组织CuSi3，区域5为熔融的铝合金组织，呈树枝状组织.

为了测定铜焊丝/铝过渡区的相成分，通过仔细手动磨抛+显微镜辅助的方法，得到只有铜焊丝/铝过渡区的微小X射线衍射试样. XRD分析结果如图6所示，可知铜/铝过渡区主要存在的金属间化合物为Cu9Al4和CuAl2，与上述显微分析一致. 综上所述，过渡区形成了大量的铜/铝金属间化合物Cu9Al4和CuAl2. 因为金属间化合物具有高的硬脆性，这可能直接影响接头的力学性能.

图6 铜焊丝/铝过渡区的 XRD 图谱
Fig.6 XRD patterns of copper solder wire/Al transition area

2.3 微观组织对力学性能的影响

对熔钎焊接头进行拉伸测试，最大拉伸力达到1.2 kN，拉伸强度100 MPa，与先前研究[18]相比，拉伸强度提高了194%. 拉伸试验中，断裂发生在铜铝过渡区，如图7所示，可见铜焊丝/铝过渡区是接头的薄弱位置.

图7 断裂拉伸试样的宏观形态
Fig.7 Macro form of a broken tensile sample

应用原位纳米压痕仪测试铜焊丝/铝过渡区力学性能的变化. 硬度试验中，施加载荷8 mN，加载时间5 s，保压时间2 s，扫描线贯穿整个铜焊丝/铝过渡区且相邻两点之间的距离均为8 µm，结果如图8所示. 钎料钎焊焊缝中心区硬度约1.7 GPa，铝合金硬度约1.2 GPa，而铜焊丝/铝过渡区域最高硬度可达到9.97 GPa. 根据硬度特征可以将铜焊丝/铝过渡区分为4个区域，与上述显微组织分析相一致，铜焊丝/铝过渡区不同区域的硬度大小比较：粗大骨架状区域2＞细小骨架状区域3＞树枝状端部4＞带状区域1. 可见铜焊丝/铝过渡区为局部高硬度区域，此处金属间化合物硬度很高，特别是粗大骨架状区域2，极易导致裂纹由此萌生成为弱化区.

图8 铜焊丝/铝过渡区的显微硬度特征
Fig.8 Microhardness characteristic of copper solder wire/Al transition area

使用SEM-EDS对断口形貌分析，如图9所示.断口呈现脆性断裂[24]，可能是因为在冷却过程中，晶间物质缓慢析出呈网状组织，恶化接头性能.EDS成分分析结果显示，点1处Cu元素质量分数为52.58%，Al元素质量分数为40.07%，由表5中铜焊丝/铝过渡区组织形貌及对应成分可知，该点生成的金属间化合物为CuAl2. 此处平均晶粒大小为5 µm，对应图5过渡区组织中的粗大骨架状组织(区域2). 由此可见，采用CuSi3焊丝进行铜焊丝/铝异种金属激光搭接熔钎焊时，拉伸具体断裂在于铜焊丝/铝过渡区域的粗大骨架状过共晶区(区域2).这是因为粗大骨架状区域的硬度最高，易于裂纹的产生和扩展.

图10为最大拉伸力与粗大骨架状区域宽度之间的关系. 随着该区域宽度减少，力学性能得到明显改善. 当粗大骨架状组织宽度由130 µm减小到33 µm，拉伸力提高了200%.

图9 钢铝异种金属激光填丝熔钎焊断口 SEM-EDS 结果 (铝侧)(P=2.6 kW).
Fig.9 Fracture surface SEM-EDS results of laser wire fusion brazing for steel-aluminum dissimilar metal (Al side)

图10 最大拉伸力与粗大骨架状区域宽度的关系
Fig.10 Variation of maximum tensile force with large skeleton-like zone width

综上所述，改善铜焊丝/铝过渡区组织，减小粗大骨架状区域宽度，能显著提高接头力学性能. 因此，下一步研究应集中在抑制铜焊丝/铝过渡区金属间化合物的生长和长大方面，进而提高铝合金和镀锌钢板接头的力学性能.

3 结 论

(1) 采用CuSi3焊丝实现了1 mm的6061铝合金和0.7 mm的镀锌钢板异种金属的激光搭接熔钎焊. 优化了工艺参数范围，其中，激光功率为2.6～3.0 kW，焊接速度为1.4～1.8 m/min，送丝速度为1.6～2.2 m/min.

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(2) 激光填丝熔钎焊焊缝组织分为钢侧钎接界面区、焊缝中心区和铝侧的铜焊丝/铝过渡区三个区域. 其中，铜焊丝/铝过渡区由均匀带状过共晶组织、粗大骨架状过共晶组织、过共晶组织和共晶组织混合区、树枝状共晶组织组成. 该区域由Cu9Al4和CuAl2两种金属间化合物构成，是接头薄弱区.

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(3) 拉伸试验中，熔钎焊接头拉伸强度100 MPa，达到铝合金母材强度的34%. 断裂发生在铜焊丝/铝过渡区中的粗大骨架状区域，断口形貌属于脆性断裂，因其硬度最高，极易导致裂纹萌生和扩展. 减小粗大骨架状区域宽度，能显著提高接头力学性能.

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