文章编号：1004-0609(2016)-08-1632-09

双相钢/铝合金激光搭接焊添加Mn粉的作用

卢源志^{1, 2}，刘金水^{1, 2}，周惦武¹，谭  哲^{1, 2}，贾  骁¹，胡林西¹

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；

2. 湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082)

摘  要：通过双相钢/铝合金有无添加Mn粉激光焊接的对比，揭示钢上、铝下激光搭接焊时Mn粉的作用。对焊接过程进行金属蒸气/等离子体形貌分析及光谱采集，发现添加Mn粉激光焊接时，金属蒸气/等离子体颜色明亮，光谱相对强度和金属蒸气/等离子体的电子密度增加；焊缝EDS分析发现，添加Mn粉时，熔池内部Fe、Al混合宽度减小，铝侧熔池两侧的Al含量增多；剪切试验发现，添加Mn粉焊接接头的平均抗剪强度提高，断口呈现混合断裂特征。由于添加Mn粉加快钢/铝层间热量传递，受热分解产生的金属蒸气在排出过程中，产生强烈向下的反冲作用力，使下层铝合金板材中的焊接匙孔加深，同时，金属蒸气改善下层铝合金的高反射率状况，促进铝合金吸收激光能量，导致焊接熔深增加。此外，熔池流动行为发生改变，下层Al向上层钢侧的扩散受到抑制，熔融态Al向熔宽两侧迁移，在减弱熔池内部Fe、Al混合程度、降低钢/铝界面Fe-Al化合物层厚度的同时，上、下板结合处的焊接熔宽加大，因此添加Mn粉改善钢/铝焊接接头的力学性能。

关键词：激光搭接焊；钢/铝异种金属；Mn粉；焊缝成形

中图分类号：TG457　　           文献标志码：A

双相钢具有较低的屈强比、较高的初始加工硬化速率以及良好强度和延性配合等优点，已成为现代汽车为实现减轻自质量首选的钢种之一^[1-2]。双相钢在汽车上的应用必然涉及与其他金属的连接问题，其中之一就是钢与铝的连接^[3-5]。研究发现，激光焊接过程中添加合金元素粉末，可改善焊缝成形、冶金性能与焊缝组织，获得优质焊接接头，添加粉末激光焊接成为钢/铝理想的连接方法^[6-10]，如添加Sn，提高熔池的流动性，促进钢/铝界面结合^[11]；添加Ni，抑制Fe-Al化合物的形成，增强焊接接头韧性^[12]；添加Mg、Zn、Si、Mn、B、Al，减小铝/钢界面层厚度，改善接头性能^[13]。本文作者课题组近期对双相钢/铝合金进行激光焊接，发现双相钢中除Fe元素外，Mn元素发生烧损，Mn元素烧损对钢/铝接头性能产生重要影响^[14]，为探索钢/铝新的连接方法，本实验中选取汽车车身用DP590双相钢与6016铝合金作为研究对象，进行钢上铝下搭接、钢/铝层间添加Mn粉的激光焊接试验，比较分析金属蒸气/等离子体形貌、焊接光谱、焊缝成形、抗剪强度及界面显微组织等试验结果，揭示双相钢/铝合金激光搭接焊时添加Mn粉对焊接过程的作用及Mn粉改善焊接接头性能的作用机理。研究结果为车用双相钢/铝合金的优质焊接提供一种新的研究思路，并为推进汽车轻量化提供重要理论依据和实验基础。

1  实验

试验材料采用DP590双相钢和6016铝合金，双相钢的化学成分(质量分数，% ,下同)为C 0.15，Si 0.60，Mn 2.50，S 0.015，P 0.04，Fe余量，6016铝合金的化学成分为Si 1.0~1.5，Cu 0.2，Mn 0.2， Mg 0.25~0.6，Fe 0.5，Al余量。焊接光谱与焊缝成形试验采用双相钢和铝合金的板料尺寸分别为1.4 mm×100 mm×30 mm和1.2 mm×100 mm×30 mm。剪切试验采用标准剪切试样。

试验前用砂纸打磨以去除铝合金表面的氧化层，用丙酮清洗试样以去除表面油污。考虑到铝合金反射率高，将双相钢板置于铝合金上侧进行搭接焊实验。双相钢/铝合金层间添加Mn粉时，用丙酮调和并均匀涂敷到经表面清理后的6016铝合金试板上，涂抹尺寸为0.04 mm×30 mm×30 mm，待其干燥后，将其与双相钢板组合成搭接接头，采用氩气为保护气体，双相钢铝合金塔接激光焊示意图如图1所示。通过调整焊接参数以获得最佳焊接成形，本实验中所述有无添加Mn粉激光焊接金属蒸气/等离子体形貌同步拍摄与焊接光谱试验，经调整优化的工艺参数均为：激光功率2 kW，焊接速度50 mm/s，离焦量+2 mm，Ar为保护气体，流量为15 L/min。

图1  双相钢/铝合金搭接激光焊示意图

Fig. 1  Principle map of DP steel/Al alloy laser lap welding

焊接试验采用YLS-4000-CL型光纤激光器，最大输出功率4 kW，激光波长1070 nm，连续输出的激光模式为TEM₀₀，抛物反射镜聚焦，焦距镜长200 mm；焦斑直径0.4 mm；光束发散角α小于0.15 rad；金属蒸汽/等离子体形貌同步拍摄采用FASTCAM SA4的Photron高速摄像机，高速摄像机放置在可调节高度的支架上，镜头离观测位置约1 m，借助人工辅助照明源并对其调整使其照射在上层双相钢板表面，保证灯光覆盖激光束聚焦到钢板光斑的整个范围，以清晰完整地记录焊接过程；焊接光谱试验采用HR2000+型光谱仪，将光纤探测头借助固定装置水平固定在一定位置，光纤探测头离观测位置的距离约0.3 m，保证光纤探测头能准确接收金属蒸气/等离子体信号，而光纤探测头和光谱仪通过光纤相连，在取放和使用光纤时不超过其弯曲半径，以防止光纤遭到损坏。光谱仪通过数据线与电脑连接，若光谱信号太强而无法正常采集时，在光谱仪和光纤探头之间增加衰减器，光谱采集系统如图2所示。

本实验是在熔池表面上方3 mm处对有无添加Mn粉激光焊接的金属蒸气/等离子体形貌进行同步拍摄及对金属蒸气/等离子体发射光谱进行采集，高速摄像机的拍摄速度为1×10⁴帧/s，每两张图片之间的时间间隔为0.1 ms。考虑试验中采集金属蒸气/等离子体形貌的数量较多，本实验中选取403.3~405.4 ms 时间段的金属蒸气/等离子体形貌进行观察分析，拍摄照片选取的时间间隔为0.3 ms。

图2  光谱采集系统示意图

Fig. 2  Principle map of spectra acquisition system

采用XJG-05型卧式金相显微镜观察钢/铝焊缝显微组织；采用配有能谱仪(EDS)的FEI Quanta200 扫描电镜分析钢/铝焊缝熔池及界面的元素分布和剪切试样断口形貌；采用D500X射线衍射仪(XRD)分析焊接接头的主要物相；在Css-225型电子万能试验机上进行剪切试验，每组取3个试样计算平均值作为剪切强度，剪切强度用剪切力与横截面积的比值来进行计算，横截面积取上、下板结合处实际熔宽与标准剪切试样的宽的乘积，比较试验结果并观察断裂位置。

2  结果与分析

2.1  金属蒸气/等离子体形貌与焊接元素特征谱线

图3所示为添加Mn粉前后双相钢/铝合金激光焊接同步拍摄的金属蒸气/等离子体形貌。由图3(a)可看出，当未添加Mn粉，焊接时小孔上方形成的金属蒸气/等离子体垂直于激光方向。而由图3(b)可见，当添加Mn粉时，由于Mn的沸点低于Fe和Al的沸点，在高能量密度激光的作用下，Mn在熔池内分解产生金属蒸气，导致小孔内蒸气压力迅速加大，从熔池排出，导致小孔上方金属蒸气/等离子体的颜色变得明亮。

图4所示为添加Mn粉前后双相钢/铝合金激光焊接元素特征谱线图。由图4可以看出，金属蒸气/等离子体光谱为连续谱上叠加的一系列分立谱线。由图4(a)和(b)可见，当波长为526.89 nm时，光谱相对强度最大值分别为13558.38和15906.92，进一步分析 515~550 nm波长范围内元素特征谱线(见图5)，主要为Fe元素及少量Mn元素。在元素特征谱线中，光谱相对强度最高为FeⅠ526.89，其他为FeⅠ516.74、FeⅡ520.56、FeⅠ522.67、FeⅠ532.79、FeⅡ537.08、FeⅡ539.6、MnⅠ540.49和FeⅠ544.67，对比观察波峰峰值，发现添加Mn粉双相钢/铝合金激光焊接元素光谱相对强度高于未添加Mn粉双相钢/铝合金激光焊接的相对强度。

图3  双相钢/铝合金激光焊接金属蒸气/等离子体形貌

Fig. 3  Metallic vapor /plasma shape of dual phase (DP) steel/Al alloy laser welding

图4  钢/铝激光焊接元素特征谱线

Fig. 4  Element characteristic spectral lines of steel/Al laser welding

图5  515~550 nm钢/铝激光焊接元素特征谱线

Fig. 5  515-550 nm element characteristic spectral lines of steel/Al laser welding

以FeⅠ526.89峰值位置附近的光谱数据点测量谱线展宽，计算激光焊接金属蒸气/等离子体的电子密度。辐射原子在周围电子和离子的扰动作用下引起的谱线Stark加宽主要谱线线型为Lorentzian型，Lorentzian函数的表达式为

                     (1)

式中：w表示谱线半高全宽；x_c表示中心波长；y₀表示背景发射；A表示谱线积分面积。

本实验中采用Lorentzian函数拟合有无Mn粉添加双相钢/铝合金激光焊接两种条件下Fe I 526.89峰值位置附近的元素特征谱线，结果如图6所示。拟合时选取一定时间间隔的5组试验数据取平均值得到添加Mn粉前后双相钢/铝合金激光焊谱线半高全宽分别为0.20665和0.21467 nm。根据Stark谱线展宽理论，对中性原子和其一次电离的离子的分离谱线而言，谱线加宽主要是电子碰撞引起的，因此，可以通过式(2)计算焊接等离子体的电子密度：

                            (2)

式中：N_e是电子密度，cm^-3；是谱线半高全宽；a是电子碰撞展宽。由于焊接过程中，金属蒸气/等离子体发射谱线的半高全宽可近似认为谱线Stark展宽^[15]，由式(2)可得到，添加Mn粉前后双相钢/铝合金激光焊试件上方的金属蒸气/等离子体电子密度分别为1.96×10¹⁷和2.03×10¹⁷ cm^-3。通常焊接条件下，金属蒸气/等离子体电子密度与金属蒸气/等离子体粒子密度成对应关系，因此，添加Mn粉，熔池上方焊接金属蒸气密度增加，焊缝逸出更多的Fe粒子和Mn粒子。

图6  谱线拟合结果

Fig. 6  Result of line fitting

2.2  焊缝显微形貌及EDS分析

图7所示为添加Mn粉前后双相钢/铝合金激光焊接焊缝形貌。由图7可以看出，焊接试样的焊缝成形性良好，没有裂纹和气孔等明显缺陷产生，熔池上宽下窄，深宽比大，有明显的“匙孔”指状特征，焊接方式为典型的激光深熔焊；与未添加Mn粉比较，添加Mn粉焊缝熔深增加。

图7  双相钢/铝合金焊接接头显微组织

Fig. 7  Microstructures of DP steel/Al alloy welding joint

图8所示为添加Mn前后双相钢/铝合金焊接接头元素线扫描结果。当未添加Mn粉时，上侧钢熔池内部Fe、Al变化剧烈，Al存在焊缝中心区域，Al元素分布宽度较宽，Fe、Al相互混合，宽度约400 μm(见图8(c))；下侧铝熔池内部Fe、Al变化不明显(见图8(d))。当添加Mn粉后，上侧钢熔池内部Fe、Al变化平稳，混合宽度约150 μm，Al存在焊缝中心区域，但相对未添加Mn粉时，Al元素分布宽度显著减少(见图8(e))；下侧铝熔池内部Fe、Al变化也不明显，但与未添加Mn粉相比，铝熔池中Al元素分布宽度增大(见图8(f))。可见，Mn粉的添加对下层铝进入到上层钢起阻扰作用，较少Al进入到上层钢中，导致上层Al的分布宽度减少，而仅存在焊缝中心区域。

图9所示为双相钢/铝合金界面Al元素的分布。由图9可知，添加Mn粉后，下层铝合金熔宽两侧熔融态Al含量增多(见图9(b))，与3.1节元素特征谱线中未观测到下层铝合金中Al元素特征谱线以及图8焊接接头线扫描中下侧铝熔池Al元素分布宽度加大的分析结果相符。

图8  双相钢/铝合金焊接接头不同区域的线扫描成分分析

Fig. 8  EDS line scanning of DP steel/Al alloy weld joint in different sections

图9  双相钢/铝合金焊接接头Al元素分布

Fig. 9  Al element distribution of DP steel/Al alloy welding joint

表1  剪切实验结果

Table 1  Results of shear tensile test

2.3  剪切性能与断口形貌

对有无添加Mn粉双相钢/铝合金激光焊接头进行剪切试验，剪切实验结果如表1所示。由表1可知，未添加Mn粉时，焊接试样的平均剪切强度为158.49 MPa；而添加Mn粉后，平均剪切强度提高，为163.84 MPa。图10所示为有无添加Mn粉中间剪切强度焊接试样的断裂位置。由图10可知，焊接试样均从焊缝界面剥离。图11所示为剪切试样断口处的微观形貌。由图11可见，未添加Mn粉时，微观形貌为河流状花样，表现为脆性断裂特征；而添加Mn粉后，微观形貌为含有微量韧窝和少量的夹杂物，表现为混合断裂特征。

2.4  钢/铝界面层的相结构

图12所示为添加Mn粉前后双相钢/铝合金焊缝微观组织SEM像。从图12(c)可看出，未添加Mn粉时，双相钢/铝合金界面层根部组织呈粗大的针状，延伸方向参差不齐，厚度大约20 μm，界面层由3个部分组成。进一步将界面层划分B、C和D 3个区域，并进行能谱分析，结果如表2所示。分析发现，B区域Fe元素富集，Al相对含量较少，C区域Fe、Al元素的摩尔比接近1:1，D区域 Fe、Al元素的摩尔比接近1:2，从Fe-Al相图推测来看，C和D区域分别生成FeAl和FeAl₂金属间化合物。

与未添加Mn粉相比，当添加Mn粉后，钢/铝界面层厚度减小，约12 μm(见图12(d))，界面层由3个部分组成，将其分成F、G和H 3个区域，并进行能谱分析，结果并入表2。发现F区域Fe、Al元素的摩尔比接近3:2，G区域Fe、Al元素的摩尔比接近1:2，H区域 Fe、Al元素的摩尔比接近2:5，从Fe-Al相图推测来看，F区域生成Fe₃Al₂，G区域生成FeAl₂金属间化合物，H区域生成Fe₂Al₅金属间化合物。

图10  双相钢/铝合金激光焊接剪切试样断裂位置

Fig. 10  Fracture positions of DP steel/Al alloy after tensile test

图11  双相钢/铝合金激光焊接剪切试样断口形貌

Fig. 11  Fracture morphologies of shear DP steel/Al alloy

图12  钢/铝焊缝界面SEM像

Fig. 12  SEM images of steel/Al interface layer

表2  图12中双相钢/铝合金焊接接头的EDS分析

Table 2  EDS analysis of DP steel/Al alloy weld joint shown in Fig. 12

为进一步确定焊接接头的相结构类型，对添加Mn粉前后双相钢/铝合金激光焊接试样进行XRD分析，结果如图13所示。未添加Mn粉时，发现焊缝界面生成FeAl和FeAl₂等金属间化合物(见图13(a))；添加Mn粉，焊缝界面生成Fe_0.6Al_0.4、FeAl₂和Fe₂Al₅(见图13(b))，与上述钢/铝合金界面层的能谱分析结果基本一致。

2.5  分析与讨论

对有无添加Mn粉双相钢/铝合金激光焊接而言，热流密度均由激光能量决定，相同焊接参数条件下，双相钢下表面的温度相同，而下层铝合金表面的温度主要受中间的空气层或粉末层的影响。由于Mn的热导率大于空气的热导率，激光焊接时，熔融状态的上层双相钢不能向下层铝合金传递热量，但添加Mn粉时，上、下两板由粉末层连接，两板间热量传递受阻现象得到改善，上层双相钢将热量更快传递到下层铝合金。此外，Mn的沸点低于Fe和Al的沸点，在高能量密度激光的作用下，Mn在熔池内易发生分解，产生的金属蒸气在排出过程中，产生强烈的向下反冲作用力，促使下层板材中的焊接小孔进一步加深^[16]；同时，金属蒸气还改善下层铝合金的高反射率状况，促进铝合金吸收更多激光能量，上述因素的叠加效应大大提高下层铝合金对激光能量的吸收，导致焊接熔深增加。此外，3.2节分析发现熔池流动行为发生改 变，下层Al向上层钢侧的扩散受到抑制，熔融态Al向铝侧熔池两侧迁移，在减弱熔池内部Fe、Al的混合程度，降低钢/铝界面Fe-Al化合物的层厚度的同时，上、下板结合处的焊接熔宽加大，因此，添加Mn粉改善钢/铝焊接接头的力学性能。

图13  双相钢/铝合金焊接接头的XRD谱

Fig. 13  XRD patterns of DP steel/aluminum alloy weld joint

3  结论

1) 添加Mn粉增加试件对激光能量的吸收，金属蒸气/等离子体颜色明亮，光谱相对强度和金属蒸气/等离子体电子密度增加。

2) 添加Mn粉增加焊接熔深，提高焊接接头的平均抗剪强度，断口呈现混合断裂特征。

3) 添加Mn粉加快钢/铝层间热量传递，改变熔池流动行为，下层Al向上层钢侧的扩散受到抑制，熔融态Al向熔宽两侧迁移，减弱熔池内部Fe、Al的混合程度，降低钢/铝界面Fe-Al化合物的层厚度，因此，添加Mn粉改善钢/铝焊接接头的力学性能。

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Laser lap welding joints in dual phase steel/aluminum alloy with Mn powder addition

LU Yuan-zhi^{1, 2}, LIU Jin-shui^{1, 2}, ZHOU Dian-wu¹, TAN Zhe^{1, 2}, JAI Xiao¹, HU Lin-xi¹

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,

Hunan University, Changsha 410082, China;

2. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: Through comparison analysis of the laser welding of dual phase steel to aluminum alloy with and without Mn powder addition, Mn powder effect on dissimilar metals in steel-on-aluminum overlap configuration were discussed. By collecting and analyzing the metallic vapor/plasma shape and welding spectra, it is found that the color of metallic vapor/plasma induced by laser welding with Mn powder addition is bright, the relative intensity of spectra and electron density of metallic vapor/plasma increases. In addition, the mixing of Fe and Al in the molten pool decreases based on EDS analysis of joints, however, the content of Al on both sides of weld width increases. The results of the shearing experiments show that the average shear strength of welded joint increases compared to that without powder addition, and the failure mode is a mixed fracture. The welding keyhole of the lower Al plates becomes deeper by the reversed impact during the discharge of steam due to the decompose of Mn powder. Meanwhile, heat transfer between steel and aluminum is speeded up, the metallic vapor can decrease the reflectivity and increase the laser energy absorption of the lower aluminum alloy, thus, increasing the depth of the welding joints. What’s more, the flow behavior of the molten pool changes, the molten Al removes to both side of the welding joint, which leads to the width increase of the welding joints, thus the diffusion from the lower Al to the upper steel side is suppressed, and the size of Fe-Al intermetallic compound in aluminum/steel interface is reduced. Therefore, it can improve the mechanical properties of steel/aluminum welding joint with Mn powder addition.

Key words: laser lap welding; steel/l alloy dissimilar metal; Mn powder; weld molding

Foundation item: Project(2012AA111802) supported by the National High Research Development Program of China

Received date: 2016-01-25; Accepted date: 2016-05-20

Corresponding author: ZHOU Dian-wu; Tel: +86-13017297124; E-mail: ZDWe_mail@126.com

(编辑  龙怀中)

基金项目：国家高技术研究发展计划重点资助项目(2012AA111802)

收稿日期：2016-01-25；修订日期：2016-05-20

通信作者：周惦武，教授，博士；电话：13017297124；E-mail: ZDWe_mail@126.com