原標(biāo)題：激光清洗對SUS310S不銹鋼與6061鋁合金激光搭焊接頭機械性能的影響
江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
本文探討了激光清洗對SUS310S不銹鋼與6061鋁合金激光搭焊接頭機械性能的影響。
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，魚鱗坑的長度和寬度隨著掃描速度的增加有增大和減小的趨勢，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，魚鱗坑深度較高。在焊接接頭中，在激光清洗速度為3000?mm/s和5000?mm/s時，除冶金結(jié)合外，在界面處還出現(xiàn)了較強的機械結(jié)合。清洗后不銹鋼表面的魚鱗坑可以改善熔化鋁合金的向外擴散，使其出現(xiàn)較強的機械結(jié)合。最大拉伸剪切力達到1948?N，比未經(jīng)激光清洗時提高了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械性能。
1. 介紹
鋁合金和鋼的激光焊接應(yīng)用于汽車生產(chǎn)、造船工業(yè)等不同領(lǐng)域，以實現(xiàn)輕量化。目前，有很多激光技術(shù)，如激光黃油焊和搭接焊，來實現(xiàn)鋁合金/鋼良好的焊接接頭。為了提高焊接接頭的強度，前期工作的主要策略是抑制界面的Fe-Al反應(yīng)，因為Fe-Al金屬間化合物(IMC)的形成會導(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，然后再進行一次機械結(jié)合，則焊接接頭的強度可以進一步提高，脆性不能再差。
眾所周知，焊接前應(yīng)對材料進行清洗，以去除表面的雜質(zhì)。近年來，對激光清洗技術(shù)進行了大量的研究，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。在激光清洗過程中，一定條件下魚鱗坑能明顯形成。理論上，如果搭接焊接界面出現(xiàn)魚鱗坑，熔化的材料可以填充坑內(nèi)，形成機械結(jié)合。在冶金結(jié)合和機械結(jié)合的影響下，可以提高搭接接頭的強度。因此，本研究研究了激光清洗對鋼鋁合金激光搭接接頭拉伸剪切力的影響。
2. 材料及實驗步驟
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不銹鋼首先用波長為1064?nm、平均額定功率為200?W的脈沖光纖激光器進行清洗。在激光清洗過程中，掃描速度，如實現(xiàn)一維線性運動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現(xiàn)二維表面掃描的掃描速度方向垂直。
激光搭焊時，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)激光清洗后用藍色正方形標(biāo)記的示意圖。將一束1064?nm、離焦長度為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SUS310S不銹鋼表面進行激光清洗。(f)掃描速度對魚鱗坑長度寬度的影響。(g)掃描速度對魚鱗坑深度的影響。
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)對焊接接頭的清潔表面、界面和斷口形貌進行表征。采用電子試驗機進行室溫拉伸剪切力試驗，試樣寬度為20?mm，速率為1?mm/min。
鋁和鋼的激光焊接示意圖。
上圖是一個焊接工藝示意圖，激光焊接采用連續(xù)模式（型號：YLS-10000）下最大輸出功率為10 kW的光纖激光器進行。送絲機由Fronius（Trans Puls Synergic 5000）生產(chǎn)。在焊接過程中，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，并且在工件表面上方有一個2 mm的焦點位置。工件兩側(cè)采用氬氣保護，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接配置實現(xiàn)連接。焊接速度保持恒定（即1.8m/min），本研究選擇了三個焊接參數(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。分別進行三組試驗，每組只改變一個參數(shù)，以了解該參數(shù)對鋁/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，不同掃描速度為3000?mm/s、5000?mm/s和7000?mm/s時，清洗后的表面有大量魚鱗坑。沿著激光掃描方向和垂直于激光掃描方向分別確定魚鱗坑的長度和寬度，如圖1(c)所示。傾向于增加長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,激光的輻射時間在單位時間單位面積相對較高,導(dǎo)致出現(xiàn)更多的區(qū)域,融化相比掃描速度更高。因此，魚鱗坑的長度有增加的趨勢。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)致魚鱗坑的長度變長。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，魚鱗坑的平均深度約為5?μm，高于其他兩個。理論上不難理解，魚鱗坑的深度會隨著掃描速度的增加而減小。重要的是，前提條件是測量的魚鱗坑應(yīng)是一個單一和完整的熔化區(qū)。而魚鱗坑的形態(tài)實際上是相互疊加的。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，測量深度下降。
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)域形成機械結(jié)合界面。圖2(e)顯示了結(jié)合區(qū)域的長度，包括冶金結(jié)合和機械結(jié)合。在5000?mm/s的掃描速度下，接頭中鍵合區(qū)域的長度大于另外兩組，與魚鱗坑的深度相似。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)長度相似。因此，粘接區(qū)長度的差異主要由機械粘接區(qū)決定。液態(tài)鋁對固態(tài)鋼的潤濕性相對較低，但是，材料表面的魚鱗坑可以改善潤濕性和擴散行為。
圖2 (a) - (d)激光清洗時，掃描速度分別為3000?mm/s、5000?mm/s、7000?mm/s和0時的界面形貌。(e)不同掃描速度下焊接接頭的焊接區(qū)長度。
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，焊接接頭的拉伸剪切力較高。而在掃描速度為7000?mm/s的激光清洗或不進行激光清洗時，其掃描速度顯著降低。最大拉伸剪切力比未激光清洗時提高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程中很容易擴散并填充魚鱗坑，就像手指相互緊握一樣，形成了較強的機械結(jié)合。而在掃描速度為7000的情況下?mm/s或未清洗，由于潤濕性差，不利于擴散出熔融鋁，形成的機械鍵可以忽略不計，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和不進行激光清洗時的斷口示意圖。
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)合作用和較強的機械結(jié)合作用，拉伸剪切力有所增加，如圖3(n)所示。實際上，由于魚鱗坑的形態(tài)較深，且長度和寬度適宜，可以獲得較高的拉伸剪切力。
4. 結(jié)論
對SUS310S不銹鋼和6061鋁合金進行激光清洗后的異種焊接，獲得了冶金結(jié)合和較強機械結(jié)合的激光搭接接頭。激光清洗時，掃描速度為5000?mm/s時，魚鱗坑的長度較深，可以獲得合適的長度和寬度。在掃描速度為5000?mm/s時，拉伸剪切力較高，這是由于冶金結(jié)合和機械結(jié)合較強。熔化后的鋁可以向外擴散并填滿不銹鋼清潔表面的魚鱗坑，形成較強的機械結(jié)合。激光清洗處理有利于提高激光搭焊接頭的機械性能。
來源：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：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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