原標(biāo)題：激光清洗對(duì)SUS310S不銹鋼與6061鋁合金激光搭焊接頭機(jī)械性能的影響
江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
本文探討了激光清洗對(duì)SUS310S不銹鋼與6061鋁合金激光搭焊接頭機(jī)械性能的影響。
激光清洗成功地應(yīng)用于SUS310S不銹鋼與6061鋁合金的激光搭焊。激光清洗后，魚(yú)鱗坑的長(zhǎng)度和寬度隨著掃描速度的增加有增大和減小的趨勢(shì)，掃描速度從3000?mm/s增加到7000?mm/s。當(dāng)掃描速度為5000?mm/s時(shí)，魚(yú)鱗坑深度較高。在焊接接頭中，在激光清洗速度為3000?mm/s和5000?mm/s時(shí)，除冶金結(jié)合外，在界面處還出現(xiàn)了較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。清洗后不銹鋼表面的魚(yú)鱗坑可以改善熔化鋁合金的向外擴(kuò)散，使其出現(xiàn)較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。最大拉伸剪切力達(dá)到1948?N，比未經(jīng)激光清洗時(shí)提高了54%。采用合適的激光清洗參數(shù)可有效提高激光搭焊接頭的機(jī)械性能。
1. 介紹
鋁合金和鋼的激光焊接應(yīng)用于汽車(chē)生產(chǎn)、造船工業(yè)等不同領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)輕量化。目前，有很多激光技術(shù)，如激光黃油焊和搭接焊，來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金/鋼良好的焊接接頭。為了提高焊接接頭的強(qiáng)度，前期工作的主要策略是抑制界面的Fe-Al反應(yīng)，因?yàn)镕e-Al金屬間化合物(IMC)的形成會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的脆性。而可以想象，如果界面具有一定厚度的IMC層，然后再進(jìn)行一次機(jī)械結(jié)合，則焊接接頭的強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高，脆性不能再差。
眾所周知，焊接前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行清洗，以去除表面的雜質(zhì)。近年來(lái)，對(duì)激光清洗技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，主要集中在清洗效果上。然而，關(guān)于激光清洗后焊接應(yīng)用效果的研究較少。在激光清洗過(guò)程中，一定條件下魚(yú)鱗坑能明顯形成。理論上，如果搭接焊接界面出現(xiàn)魚(yú)鱗坑，熔化的材料可以填充坑內(nèi)，形成機(jī)械結(jié)合。在冶金結(jié)合和機(jī)械結(jié)合的影響下，可以提高搭接接頭的強(qiáng)度。因此，本研究研究了激光清洗對(duì)鋼鋁合金激光搭接接頭拉伸剪切力的影響。
2. 材料及實(shí)驗(yàn)步驟
使用的材料是不銹鋼SUS310S 尺寸100?mm?×?100?mm?×?1?mm,和尺寸100?mm?×?100?mm?×?2?mm的6061鋁合金。
SUS310S不銹鋼首先用波長(zhǎng)為1064?nm、平均額定功率為200?W的脈沖光纖激光器進(jìn)行清洗。在激光清洗過(guò)程中，掃描速度，如實(shí)現(xiàn)一維線性運(yùn)動(dòng)的激光光斑振蕩速率，從3000?mm/s, 5000?mm/s，變?yōu)?000?mm/s。清洗速度為10?mm/s，清洗速度方向始終與實(shí)現(xiàn)二維表面掃描的掃描速度方向垂直。
激光搭焊時(shí)，SUS310S不銹鋼清潔后的表面與6061鋁緊密接觸，如圖1(a)所示。圖1(b)為圖1(a)的放大搭接界面經(jīng)激光清洗后用藍(lán)色正方形標(biāo)記的示意圖。將一束1064?nm、離焦長(zhǎng)度為20?mm的激光束應(yīng)用于SUS310S不銹鋼上表面。激光搭接焊接的其他參數(shù)為:激光功率為2.4?kW，焊接速度為1.5?m/min。
圖1 (a)激光搭接示意圖。(b)圖1(a)放大界面。(c) - (e)分別以3000?mm/s、5000?mm/s和7000?mm/s的掃描速度對(duì)SUS310S不銹鋼表面進(jìn)行激光清洗。(f)掃描速度對(duì)魚(yú)鱗坑長(zhǎng)度寬度的影響。(g)掃描速度對(duì)魚(yú)鱗坑深度的影響。
激光搭接后，采用激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對(duì)焊接接頭的清潔表面、界面和斷口形貌進(jìn)行表征。采用電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸剪切力試驗(yàn)，試樣寬度為20?mm，速率為1?mm/min。
鋁和鋼的激光焊接示意圖。
上圖是一個(gè)焊接工藝示意圖，激光焊接采用連續(xù)模式（型號(hào)：YLS-10000）下最大輸出功率為10 kW的光纖激光器進(jìn)行。送絲機(jī)由Fronius（Trans Puls Synergic 5000）生產(chǎn)。在焊接過(guò)程中，填充絲被送入熔融金屬的前緣，填充絲與工件表面的夾角為30°。激光束向前傾斜12°，即處于拖曳位置，以降低光纖束后向散射損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并且在工件表面上方有一個(gè)2 mm的焦點(diǎn)位置。工件兩側(cè)采用氬氣保護(hù)，防止焊縫金屬氧化。如圖所示，填充絲和鋁基金屬被激光束熔化，熔融金屬和固體鋼以對(duì)接配置實(shí)現(xiàn)連接。焊接速度保持恒定（即1.8m/min），本研究選擇了三個(gè)焊接參數(shù)作為變量，即激光功率、送絲速度和激光偏移距鋁板邊緣的偏差距離。分別進(jìn)行三組試驗(yàn)，每組只改變一個(gè)參數(shù)，以了解該參數(shù)對(duì)鋁/鋼接頭焊接外觀和顯微組織的影響。
3.結(jié)果與討論
圖1(c)、(d)、(e)為激光清洗時(shí)，不同掃描速度為3000?mm/s、5000?mm/s和7000?mm/s時(shí)，清洗后的表面有大量魚(yú)鱗坑。沿著激光掃描方向和垂直于激光掃描方向分別確定魚(yú)鱗坑的長(zhǎng)度和寬度，如圖1(c)所示。傾向于增加長(zhǎng)度和寬度隨掃描速度的增加而降低,從3000?mm / s 到 7000?mm / s,如圖1(c), (d), (e)和(f)。當(dāng)掃描速度3000?mm / s,激光的輻射時(shí)間在單位時(shí)間單位面積相對(duì)較高,導(dǎo)致出現(xiàn)更多的區(qū)域,融化相比掃描速度更高。因此，魚(yú)鱗坑的長(zhǎng)度有增加的趨勢(shì)。但另一方面，隨著掃描速度的增加，激光光斑的覆蓋寬度變小，導(dǎo)致魚(yú)鱗坑的長(zhǎng)度變長(zhǎng)。圖1(g)顯示了激光共聚焦顯微鏡沿凹中心線掃描的結(jié)果。小于100?μm的部分為未清潔表面的數(shù)據(jù)，其余為清潔表面的數(shù)據(jù)。在5000?mm/s的掃描速度下，魚(yú)鱗坑的平均深度約為5?μm，高于其他兩個(gè)。理論上不難理解，魚(yú)鱗坑的深度會(huì)隨著掃描速度的增加而減小。重要的是，前提條件是測(cè)量的魚(yú)鱗坑應(yīng)是一個(gè)單一和完整的熔化區(qū)。而魚(yú)鱗坑的形態(tài)實(shí)際上是相互疊加的。疊加區(qū)域隨著掃描速度的降低而增大，當(dāng)掃描速度為3000?mm/s時(shí)，測(cè)量深度下降。
激光搭接接頭截面界面如圖2所示。不同激光掃描速度下的界面形貌如圖2(a)、(b)、(c)和(d)所示。冶金反應(yīng)發(fā)生在熔合邊界附近。因此，金相結(jié)合界面沿著焊接接頭的熔合邊界，如圖2所示，用黃色箭頭標(biāo)記。在SUS310S不銹鋼與6061鋁合金的熔合邊界附近有兩個(gè)緊密的整合區(qū)域，如圖2所示，用白色箭頭標(biāo)記。激光搭接過(guò)程中，在焊接熱循環(huán)和下壓力的作用下，可以在較低溫度區(qū)域形成機(jī)械結(jié)合界面。圖2(e)顯示了結(jié)合區(qū)域的長(zhǎng)度，包括冶金結(jié)合和機(jī)械結(jié)合。在5000?mm/s的掃描速度下，接頭中鍵合區(qū)域的長(zhǎng)度大于另外兩組，與魚(yú)鱗坑的深度相似。由于焊接條件相同，激光清洗和未激光清洗的冶金結(jié)合區(qū)長(zhǎng)度相似。因此，粘接區(qū)長(zhǎng)度的差異主要由機(jī)械粘接區(qū)決定。液態(tài)鋁對(duì)固態(tài)鋼的潤(rùn)濕性相對(duì)較低，但是，材料表面的魚(yú)鱗坑可以改善潤(rùn)濕性和擴(kuò)散行為。
圖2 (a) - (d)激光清洗時(shí)，掃描速度分別為3000?mm/s、5000?mm/s、7000?mm/s和0時(shí)的界面形貌。(e)不同掃描速度下焊接接頭的焊接區(qū)長(zhǎng)度。
圖3(a)為激光搭焊接頭拉伸剪切力的結(jié)果。激光掃描速度為3000?mm/s和5000?mm/s時(shí)，焊接接頭的拉伸剪切力較高。而在掃描速度為7000?mm/s的激光清洗或不進(jìn)行激光清洗時(shí)，其掃描速度顯著降低。最大拉伸剪切力比未激光清洗時(shí)提高54%。不銹鋼側(cè)斷裂面的結(jié)果如圖3（b）至（m）所示。通過(guò)SEM圖像和元素分布的比較，在掃描速度為3000的情況下，清洗后的試樣在斷口兩側(cè)出現(xiàn)了大量的熔融鋁毫米/秒和5000?毫米/秒，如圖3（b）、（c）、（f）、（g）、（j）和（k）所示。激光清洗后，熔池兩側(cè)熔化的鋁在激光搭接焊過(guò)程中很容易擴(kuò)散并填充魚(yú)鱗坑，就像手指相互緊握一樣，形成了較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。而在掃描速度為7000的情況下?mm/s或未清洗，由于潤(rùn)濕性差，不利于擴(kuò)散出熔融鋁，形成的機(jī)械鍵可以忽略不計(jì)，如圖3（d）、（e）、（h）、（i）、（l）和（m）所示。
圖3 (a)拉伸剪切力。(b) - (m)斷口的SEM圖像及Fe、Al元素分布。(n)、(o)分別在激光掃描速度為3000?mm/s、5000?mm/s、7000?mm/s和不進(jìn)行激光清洗時(shí)的斷口示意圖。
因此，結(jié)合界面形貌和斷口特征，在5000?mm/s的掃描速度下清洗試樣，由于冶金結(jié)合作用和較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合作用，拉伸剪切力有所增加，如圖3(n)所示。實(shí)際上，由于魚(yú)鱗坑的形態(tài)較深，且長(zhǎng)度和寬度適宜，可以獲得較高的拉伸剪切力。
4. 結(jié)論
對(duì)SUS310S不銹鋼和6061鋁合金進(jìn)行激光清洗后的異種焊接，獲得了冶金結(jié)合和較強(qiáng)機(jī)械結(jié)合的激光搭接接頭。激光清洗時(shí)，掃描速度為5000?mm/s時(shí)，魚(yú)鱗坑的長(zhǎng)度較深，可以獲得合適的長(zhǎng)度和寬度。在掃描速度為5000?mm/s時(shí)，拉伸剪切力較高，這是由于冶金結(jié)合和機(jī)械結(jié)合較強(qiáng)。熔化后的鋁可以向外擴(kuò)散并填滿(mǎn)不銹鋼清潔表面的魚(yú)鱗坑，形成較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。激光清洗處理有利于提高激光搭焊接頭的機(jī)械性能。
來(lái)源：Effect of laser cleaning on mechanical properties of laser lapwelded joint of SUS310S stainless steel and 6061 aluminum alloy，MaterialsLetters，doi.org/10.1016/j.matlet.2021.
參考文獻(xiàn)：J. Sun, Q. Yan, W. Gao, J. Huang，Investigationof laser welding on butt joints of Al/steel dissimilar materials，Mater.Des., 83 (2015), pp. 120-128, 10.1016/j.matdes.2015.05.069
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