不锈钢薄板搭接激光软钎焊接头组织与性能

2023-06-02刘勇李刚卿王生希韩晓辉王博叶结和

焊接学报 2023年4期

刘勇，李刚卿，王生希，韩晓辉，王博，叶结和

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛,266111；2.中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司,宁波,315700)

0 序言

不锈钢具有强度高和抗腐蚀性好等优点，广泛应用于交通运输、核电、能源、医疗器械等领域[1-5].目前，由于不锈钢具有线膨胀系数大、热导率低等特性[6-7]，采用常规弧焊或电阻点焊对城市轨道交通车辆的薄板不锈钢车体进行焊接，存在如下问题：薄板弧焊易出现裂纹、变形、烧穿等缺陷[8]；而电阻焊焊缝不连续[9]，无法实现防雨和降噪，当前国内一般采用硅烷密封剂对电阻焊焊缝进行胶粘密封，存在有机物污染、密封强度差和易老化失效等问题[10].国外有采用锡基软钎焊的工程应用，但是使用的钎料为含铅的锡基钎料，当前这种材料在国内已禁止使用.

激光焊作为一种高能束焊接方法，具有焊缝窄、热影响区小、工件变形小、焊接速度快、激光可达性好、生产效率高以及显著的“净化效应”等特点[11-14]，在不锈钢薄板焊接领域中应用越来越广泛[15].激光钎焊的主要特点是热输入小[16-17]，适用于夹层构件、蜂窝结构、薄板结构等异种复杂金属构件的润湿、铺展和填缝等[18-19].

激光钎焊的关键在于激光功率与离焦量、加热位置和激光束角度等工艺参数的设计与优化.如激光束汇聚在钎料上，温度过高导致钎料熔化过快，而母材温度不足使钎料不能很好地润湿母材，影响钎料的填充效果，钎缝成形变差；激光束汇聚在母材上，钎料温度有可能过低，导致流动性较差，此外，母材也可能过热熔化，促使钎料直接进入熔池形成脆性相，恶化钎缝性能[20-21].

激光软钎焊可进一步降低薄板变形，但目前采用激光软钎焊实现不锈钢薄板搭接钎缝可靠密封的研究鲜有报道.对电阻点焊后的不锈钢搭接缝进行激光软钎焊研究，并对钎缝组织与界面性能进行表征分析，可为不锈钢薄板激光软钎焊技术的研究提供数据支撑和理论支持.

1 试验方法

试验所选母材为304 不锈钢，试样尺寸为200 mm × 25 mm × 1 mm，其成分如表1 所示.试验前用丙酮去除不锈钢表面油污以及杂质.试验所选钎料为φ1.6 mm 的自制锡基合金丝SnSb8Cu4，其成分如表2 所示.试验选用自制液态无机酸作为钎剂.

表1 304 不锈钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of 304 stainless steel

表2 SnSb8Cu4 焊丝的化学成分(质量分数，%)Table 2 Chemical compositions of SnSb8Cu4 solder wire

钎焊设备采用锐科CAMHW 1000 型连续式光纤激光器，激光软钎焊工艺参数如表3 所示.试板采用搭接形式，搭接宽度为5 mm，组装间隙为0.2 mm，丝状钎料预置在焊缝处，如图1 所示.

图1 激光软钎焊示意图(mm)Fig.1 Schematic diagram of laser soldering

表3 激光软钎焊工艺参数Table 3 Laser soldering process parameters

焊后使用线切割机取样，经过磨抛后，采用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样.使用体视显微镜对焊缝截面的宏观形貌进行观察.借助Zeiss Axio Vert，A1 光学显微镜(optical microscope,OM)、Zeiss EVO 10 型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)及其自带的牛津 Ultim Max 型能谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)对钎料和钎焊接头进行形貌观察和成分分析.

依据标准GB/T 11363—2008《钎焊接头强度试验方法》采用 MTS Exceed E44 型电子万能试验机开展接头剪切试验，试样尺寸为45 mm × 20 mm ×2 mm，拉伸速率为 1 mm/min，试验重复3 次，试验结果取其平均值.采用Rigaku D/max-2500/PC 型 X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)对剪切试样断口的相组成进行检测.

2 试验结果与分析

2.1 钎缝宏观形貌

图2 为激光软钎焊钎缝形貌.试验获得的钎缝外貌如图2a 所示，钎缝外观光滑美观，钎缝宽度均匀一致，钎焊后试板基本无变形，外观无变色，不需要焊后处理.从图2b 可以看出，不锈钢母材在钎焊过程中没有熔化，这是由于钎焊温度较低，约为400 ℃，远远达不到母材的熔点，虽然采用高能束激光热源，但在离焦量为300 mm 和激光束倾角为60°条件下进行精准低热输入，熔化的钎料在不锈钢母材表面润湿铺展，润湿铺展较好，钎着率高.钎缝正面与母材之间形成光滑的圆弧过渡，钎缝整体均匀致密，钎缝内部没有出现熔蚀、未钎透、裂纹和气孔夹杂等缺陷，钎料能够连续填满5 mm 搭接缝.

图2 激光软钎焊钎缝形貌Fig.2 Laser soldering seam morphology.(a) appearance of soldering seam;(b) cross section of soldering seam

2.2 钎缝微观组织

图3 为钎料和钎缝的显微组织.由图3a 可见，有较多的小菱形块状析出物均匀分布在锡基巴氏合金基体中.基体相为黑色部分的锡基固溶体相，基体相中除弥散分布的块状析出物，还有细小白色颗粒状析出物.从图3b 可以明显看出，钎焊接头分为不锈钢母材区、钎缝区、不锈钢母材区3 个区域，钎缝区和母材区边界清晰明显，钎缝显微组织主要由黑色锡基固溶体相，大菱形块状白色相和短棒状白色相组成，白色相在钎缝中的分布与在钎料中的分布不同，呈现出较明显的不均匀分布，可能是在钎焊过程中锡基固溶体熔化及流动铺展使钎料中小块状白色相汇聚偏析形成.

图3 钎料和钎缝微观组织Fig.3 Microstructure of filler metal and soldering joint.(a) filler seam;(b) soldering seam

图4 为钎缝的微观组织形貌，钎缝区组织和金相观察结果一致，也是由形貌不同的两种相组织和基体固溶体相组成，对其中的块状物成分进行EDS点分析，点成分分析结果如表4 所示.点 A 和点 B处菱形块状析出物中主要为Sn，Sb 元素，锡、锑摩尔分数比分别为xSn/xSb=47.87/30.91 和xSn/xSb=48.63/34.30，A，B 摩尔分数比基本相近，考虑到锡基固溶体中Sn 元素对检测结果的影响，A，B 菱形块状析出物为 SnSb 相.点 C 和点 D 处元素组成基本相同，其中Sn，Cu 元素摩尔分数比分别为xSn/xCu=53.26/49.53 和xSn/xCu=49.92/55.70，C，D 点摩尔分数比基本相近，可知两处的短棒状析出物为同一种析出相.考虑到锡基固溶体对 Sn 元素含量的影响并结合XRD 检测结果可知，短棒状析出物为Cu6Sn5相.

图4 钎缝的微观组织Fig.4 Microstructure of soldering seam

表4 钎缝EDS 点分析结果(原子分数，%)Table 4 EDS point analysis results of soldering seam

图5 为钎缝区沿图4 箭头所示的线扫描结果EDS 线扫描图.结果表明，Fe 元素主要分布在母材区域，Sn 元素主要分布在钎缝区域，说明在钎焊过程中，不锈钢中的主要元素成分和钎缝钎料无明显扩散，从接头界面结合处发现Fe 和Sn 元素有微小扩散距离.

图5 钎缝界面线扫描图Fig.5 Line scanning diagram of soldering seam interface

根据文献[22]，固体Fe 和液态Sn 在350 ℃左右保温50 h，固体Fe 和液态Sn 之间有扩散深度约为36 μm 的FeSn2金属间化合物层,且扩散深度和时间近似成线性正比例关系.在激光软钎焊过程中，钎焊温度约为400 ℃，且激光束在钎焊过程中以一定的速度移动，几乎没有保温时间.因此可认为钎料和母材之间形成约1～ 2 μm FeSn2金属化合物.

2.3 力学性能

通过试验获得激光软钎焊钎缝抗剪强度如表5 所示，激光软钎焊获得的钎缝的平均抗剪强度为39 MPa.由图2 可知，激光钎焊过程中钎料进入钎缝中.结合图6 钎缝剪切断口形貌可知，钎缝区组织比较均匀，钎料润湿铺展在整个钎缝，钎料在钎焊过程中均匀连续铺展，钎着率高，断裂发生在钎缝，因此获得接缝的力学性能稳定.