1、不锈钢/双镀层低碳钢激光焊接裂纹形成机理摘要:为了研究不锈钢/双镀层低碳钢激光焊接裂纹的形成机理，本文采用 300w 的 Nd:YAG激光器焊接不锈钢和双镀层低碳钢，用光学显微镜、扫描电子显微镜镜和能谱仪观察并分析焊点内裂纹形貌和裂纹附近元素分布。结果表明：镀层内的铜在激光的热作用下扩散到焊点内，快速冷却后在晶界富集，在焊接应力的作用下产生裂纹。关键词：激光焊接；镀层；裂纹；机理引言300 系列奥氏体不锈钢具较高的耐腐蚀性、强度和韧性，广泛运用于电子仪器、精细器械、微电子等领域。激光脉冲焊接作为一种高质量和低变形量的焊接方法，是焊接 300系列不锈钢的重要方法之一，同时也能满足电子器件高精密的
2、要求。300 系列不锈钢价格较高，若将其和碳钢进行焊接形成复合结构，既可以利用不锈钢的优良特性，同时又可以降低成本。在低碳钢表面进行电镀，利用双镀层结构达到镀层和低碳钢紧密结合的目的，同时又能保证表面具有一定的耐磨性、耐腐蚀性。近年来，国内外许多学者对不锈钢和碳钢的激光焊接进行了深入的研究。Abdel Monem 和 El Batahgy 研究了激光功率、焊接速度、离焦量和保护气类型对激光焊接镀锌低碳钢/不锈钢的焊点形状和凝固组织的影响；M.J. Torkamany 等人研究不锈钢薄板和低碳钢薄板的异种金属激光搭接焊，认为激光功率影响激光焊接模式由热导焊向深熔焊过渡，这一转变影响到下层板中熔化
3、区尺寸，进而决定了不锈钢/低碳钢异种焊接接头的机械性能； M. Nekoukie 等人研究低碳钢/不锈钢激光焊接时发现，当激光束能量超过一定值时，熔池内金属混合均匀，通过改变激光束焦点位置可以控制焊接接头的机械性能。近年来针对于影响熔合区组织、成分和性能的焊接工艺参数的研究很深入，但并没有深入的研究镀层对于激光焊接不锈钢和低碳钢的影响。本文采用 300w 的 Nd:YAG 激光器对厚度分别为 0.4mm 和 0.5mm 的不锈钢和双镀层低碳钢异种材料进行搭接焊。研究了镀层对激光焊接不锈钢和碳钢的影响，分析了激光焊接不锈钢和双镀层低碳钢的焊点内裂纹的形成机理。1 试验材料和试验方法1.1 试验材
4、料试验母材为 SUS301 奥氏体不锈钢、双镀层的 SPCD 低碳钢和无镀层的 SPCD 低碳钢，厚度分别为 0.4mm、0.5mm 和 0.5mm，其中双镀层低碳钢的内镀层厚度是 4um，外镀层的厚度是 3um。焊接前将其加工为 6.52.5mm2 的板材。母材及镀层的化学成分如表 1、2 所示。表 1 不锈钢和碳钢的化学成分 wt%C Mn Si S P Cr Ni FeCS - 0.16 - 0.02 0.02 0.09 - 余量SS 0.05 1.18 0.42 0.01 0.02 16.98 6.85 余量表 2 镀层的化学成分 wt%Ni Fe Cu O内镀层 - 2.87 96.
5、87 0.26外镀层 58.09 2.15 39.48 0.281.2 试验方法对两种材料进行搭接焊，不锈钢在上、低碳钢在下，激光束作用于不锈钢表面。试验前用丙酮、乙醇先后清洗试样表面油污、灰尘，并烘干。试验采用 300W 脉冲 Nd: YAG 激光器，其脉宽可调范围为 010ms，电流可调范围为 0400A。选用氩气作保护气，气体流量为 15L/min，与激光同轴送气。焊后采用光学显微镜观察焊点截面内的裂纹形貌，采用维氏显微硬度计得到焊点不同区域的硬度值，采用 S4800 型扫描电镜观察裂纹，并采用能谱仪分析裂纹附近的元素分布情况。2 试验结果及分析2.1 光学显微分析不同激光功率下焊点截面
6、的光学显微镜照片如图 1 所示。从图 1 可以看出，裂纹由低碳钢的镀层与焊点熔合线的交点处启裂，向焊点内扩展。改变激光功率、脉冲宽度、激光束交点位置等工艺参数进行大量的试验，发现裂纹均不能避免。双镀层低碳钢/不锈钢焊点无镀层低碳钢/不锈钢焊点图 1 不同激光功率下焊点截面光学显微照片2.2 显微硬度分析0.750.500.250.00-0.25-0.50450400350300250距 焊 点 中 心 距 离 (mm)维氏硬度(HV)有 镀 层无 镀 层焊点母材 母材图 2 有双镀层低碳钢/不锈钢和无镀层低碳钢/ 不锈钢显微维氏硬度值对比为了研究镀层对焊点的影响，对比双镀层低碳钢/不锈钢焊点和
7、无镀层低碳钢/ 不锈钢焊点的显微硬度值的变化，如图 2 所示。镀层对于焊点的硬度值有明显影响，双镀层低碳钢/不锈钢的焊点的硬度明显低于无镀层低碳钢 /不锈钢的焊点的硬度。这可能是由于从镀层中扩散到焊点中的 Cu 的含量较高， Cu 在晶界大量富集，导致焊点的硬度降低。在双镀层低碳钢/不锈钢焊点的热影响区的硬度值降低，且低于不锈钢母材的硬度。 这可能是由于热影响区晶粒粗化造成的。2.3 扫描电镜及能谱分析为了研究镀层中的 Cu 和 Ni 对焊点的化学成分的影响，采用扫描电镜观察不锈钢一侧的焊点，如图所示，焊点内不同区域处的 Cu 含量不同，晶粒内的 Cu 含量远小于晶界 Cu的含量。相比于 Cu
8、，Ni 在晶界处的含量不高，可能有两个原因，一是因为双镀层低碳钢和不锈钢进行异种焊接时，Ni 的扩散能力不如 Cu，二是因为 Cu 和 Ni 在 -Fe 中的固溶度不同，由于 Cu 在 -Fe 中的固溶度较小，导致晶界处的 Cu 含量远高于 Ni。元素 成分（ wt）Ni 4.16Cu 22.29元素 成分（ wt）Ni 3.82Cu 46.29元素 成分（ wt）Ni 3.51Cu 46.54元素 成分（ wt）Ni 4.03Cu 15.89元素 成分（ wt）Ni 4.90Cu 6.04图 3 焊点内不同化学元素分布采用扫描电镜观察焊点裂纹，焊点内裂纹的形态如图 3 所示，裂纹侧面呈波纹状
9、，可能是热裂纹。图 4 扫描电子显微镜下裂纹的形貌对裂纹的起始部分和扩展部分做能谱分析，如图 5 所示。裂纹起始部分的 Cu 的含量明显高于焊点内 Cu 的含量，而和镀层中 Cu 的含量接近。裂纹的扩展部分的 Cu 含量也明显高于焊点内其他位置的 Cu 含量，且裂纹越向焊点内部扩展，裂纹附近 Cu 含量降低。这是因为不锈钢在激光热作用下，由于温度升高，镀层中的 Cu 向熔池内扩散，一部分由于温度升高时在 Fe 中的固溶度增加，可在 -Fe 中形成置换固溶体，而激光作用后快速冷却时，固溶度降低，Cu 在晶界析出；另一部分的 Cu 由于激光的快速冷却来不及向晶粒中扩散而富集在熔合线附近的晶界处。不
10、锈钢的热膨胀系数是低碳钢的 1.5 倍，热导率仅为低碳钢的 1/3，因此二者在搭接焊时，极易在不锈钢这一侧产生较大的残余应力。因而在这种焊接应力的作用下，富集了 Cu 的晶界处容易产生开裂，导致不锈钢和双镀层低碳钢焊接时焊点的裂纹的敏感性较大。图 5 焊点内不同区域能谱分析表 3 焊点内不同区域能谱分析启裂处成分(wt) 扩展处成分 (wt)元素 谱图 1 谱图 2 谱图 3 谱图 4 谱图 5 谱图 6 谱图 7 谱图 8 谱图 9 谱图 10C 10.37 11.71 9.78 11.71 15.63 11.38 14.11 11.90 9.30 10.75O 4.87 2.40 2.70
11、 2.40 8.43 17.10 8.15 5.46 6.61 7.87Si - - 0.41 - 0.38 - 0.45 0.61 - -Cr 4.42 4.79 7.40 4.79 8.62 7.12 10.52 11.41 10.63 9.62Mn 1.05 0.62 0.67 0.62 0.93 - 0.95 1.08 1.36 1.91Fe 19.16 21.83 38.94 61.83 47.32 46.13 51.14 54.04 52.66 57.03Ni 6.2 7.01 7.09 7.01 6.03 4.26 7.12 7.63 6.97 8.46Cu 53.92 51.6
12、3 33.01 11.63 12.66 14.01 7.55 7.88 11.47 5.3665398274 1103.结论采用 Nd：YAG 焊接双镀层低碳钢/不锈钢时，发现焊点产生裂纹的倾向很大，裂纹源于镀层，调整焊接工艺参数无法避免裂纹的产生；裂纹产生的主要原因是激光热作用下，镀层中的 Cu 向焊点内扩散，由于 Cu 的扩散能力超过 Ni，一部分 Cu 扩散至焊点晶粒内，一部分 Cu 由于激光快速冷却来不及向晶粒内部扩散，而在晶界处聚集，且由于不锈钢和低碳钢的热膨胀系数差别较大，在搭接焊时不锈钢一侧有较大的焊接应力，在焊接应力的作用下，导致双镀层低碳钢/ 不锈钢焊点的裂纹敏感性较大，产生裂纹。参考文献：
