江苏激光联盟导读：
本文探讨了激光清洗对SUS310S不锈钢与6061铝合金激光搭焊接头机械性能的影响。
激光清洗成功地应用于SUS310S不锈钢与6061铝合金的激光搭焊。激光清洗后，鱼鳞坑的长度和宽度随着扫描速度的增加有增大和减小的趋势，扫描速度从3000 mm/s增加到7000 mm/s。当扫描速度为5000 mm/s时，鱼鳞坑深度较高。在焊接接头中，在激光清洗速度为3000 mm/s和5000 mm/s时，除冶金结合外，在界面处还出现了较强的机械结合。清洗后不锈钢表面的鱼鳞坑可以改善熔化铝合金的向外扩散，使其出现较强的机械结合。最大拉伸剪切力达到1948 N，比未经激光清洗时提高了54%。采用合适的激光清洗参数可有效提高激光搭焊接头的机械性能。
1. 介绍
铝合金和钢的激光焊接应用于汽车生产、造船工业等不同领域，以实现轻量化。目前，有很多激光技术，如激光黄油焊和搭接焊，来实现铝合金/钢良好的焊接接头。为了提高焊接接头的强度，前期工作的主要策略是抑制界面的Fe-Al反应，因为Fe-Al金属间化合物(IMC)的形成会导致焊接接头的脆性。而可以想象，如果界面具有一定厚度的IMC层，然后再进行一次机械结合，则焊接接头的强度可以进一步提高，脆性不能再差。
众所周知，焊接前应对材料进行清洗，以去除表面的杂质。近年来，对激光清洗技术进行了大量的研究，主要集中在清洗效果上。然而，关于激光清洗后焊接应用效果的研究较少。在激光清洗过程中，一定条件下鱼鳞坑能明显形成。理论上，如果搭接焊接界面出现鱼鳞坑，熔化的材料可以填充坑内，形成机械结合。在冶金结合和机械结合的影响下，可以提高搭接接头的强度。因此，本研究研究了激光清洗对钢铝合金激光搭接接头拉伸剪切力的影响。
2. 材料及实验步骤
使用的材料是不锈钢SUS310S 尺寸100 mm × 100 mm × 1 mm,和尺寸100 mm × 100 mm × 2 mm的6061铝合金。
SUS310S不锈钢首先用波长为1064 nm、平均额定功率为200 W的脉冲光纤激光器进行清洗。在激光清洗过程中，扫描速度，如实现一维线性运动的激光光斑振荡速率，从3000 mm/s, 5000 mm/s，变为7000 mm/s。清洗速度为10 mm/s，清洗速度方向始终与实现二维表面扫描的扫描速度方向垂直。
激光搭焊时，SUS310S不锈钢清洁后的表面与6061铝紧密接触，如图1(a)所示。图1(b)为图1(a)的放大搭接界面经激光清洗后用蓝色正方形标记的示意图。将一束1064 nm、离焦长度为20 mm的激光束应用于SUS310S不锈钢上表面。激光搭接焊接的其他参数为:激光功率为2.4 kW，焊接速度为1.5 m/min。
图1 (a)激光搭接示意图。(b)图1(a)放大界面。(c) - (e)分别以3000 mm/s、5000 mm/s和7000 mm/s的扫描速度对SUS310S不锈钢表面进行激光清洗。(f)扫描速度对鱼鳞坑长度宽度的影响。(g)扫描速度对鱼鳞坑深度的影响。
激光搭接后，采用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对焊接接头的清洁表面、界面和断口形貌进行表征。采用电子试验机进行室温拉伸剪切力试验，试样宽度为20 mm，速率为1 mm/min。
铝和钢的激光焊接示意图。
上图是一个焊接工艺示意图，激光焊接采用连续模式（型号：YLS-10000）下最大输出功率为10 kW的光纤激光器进行。送丝机由Fronius（Trans Puls Synergic 5000）生产。在焊接过程中，填充丝被送入熔融金属的前缘，填充丝与工件表面的夹角为30°。激光束向前倾斜12°，即处于拖曳位置，以降低光纤束后向散射损坏的风险，并且在工件表面上方有一个2 mm的焦点位置。工件两侧采用氩气保护，防止焊缝金属氧化。如图所示，填充丝和铝基金属被激光束熔化，熔融金属和固体钢以对接配置实现连接。焊接速度保持恒定（即1.8m/min），本研究选择了三个焊接参数作为变量，即激光功率、送丝速度和激光偏移距铝板边缘的偏差距离。分别进行三组试验，每组只改变一个参数，以了解该参数对铝/钢接头焊接外观和显微组织的影响。
3.结果与讨论
图1(c)、(d)、(e)为激光清洗时，不同扫描速度为3000 mm/s、5000 mm/s和7000 mm/s时，清洗后的表面有大量鱼鳞坑。沿着激光扫描方向和垂直于激光扫描方向分别确定鱼鳞坑的长度和宽度，如图1(c)所示。倾向于增加长度和宽度随扫描速度的增加而降低,从3000 mm / s 到 7000 mm / s,如图1(c), (d), (e)和(f)。当扫描速度3000 mm / s,激光的辐射时间在单位时间单位面积相对较高,导致出现更多的区域,融化相比扫描速度更高。因此，鱼鳞坑的长度有增加的趋势。但另一方面，随着扫描速度的增加，激光光斑的覆盖宽度变小，导致鱼鳞坑的长度变长。图1(g)显示了激光共聚焦显微镜沿凹中心线扫描的结果。小于100 μm的部分为未清洁表面的数据，其余为清洁表面的数据。在5000 mm/s的扫描速度下，鱼鳞坑的平均深度约为5 μm，高于其他两个。理论上不难理解，鱼鳞坑的深度会随着扫描速度的增加而减小。重要的是，前提条件是测量的鱼鳞坑应是一个单一和完整的熔化区。而鱼鳞坑的形态实际上是相互叠加的。叠加区域随着扫描速度的降低而增大，当扫描速度为3000 mm/s时，测量深度下降。
激光搭接接头截面界面如图2所示。不同激光扫描速度下的界面形貌如图2(a)、(b)、(c)和(d)所示。冶金反应发生在熔合边界附近。因此，金相结合界面沿着焊接接头的熔合边界，如图2所示，用黄色箭头标记。在SUS310S不锈钢与6061铝合金的熔合边界附近有两个紧密的整合区域，如图2所示，用白色箭头标记。激光搭接过程中，在焊接热循环和下压力的作用下，可以在较低温度区域形成机械结合界面。图2(e)显示了结合区域的长度，包括冶金结合和机械结合。在5000 mm/s的扫描速度下，接头中键合区域的长度大于另外两组，与鱼鳞坑的深度相似。由于焊接条件相同，激光清洗和未激光清洗的冶金结合区长度相似。因此，粘接区长度的差异主要由机械粘接区决定。液态铝对固态钢的润湿性相对较低，但是，材料表面的鱼鳞坑可以改善润湿性和扩散行为。
图2 (a) - (d)激光清洗时，扫描速度分别为3000 mm/s、5000 mm/s、7000 mm/s和0时的界面形貌。(e)不同扫描速度下焊接接头的焊接区长度。
图3(a)为激光搭焊接头拉伸剪切力的结果。激光扫描速度为3000 mm/s和5000 mm/s时，焊接接头的拉伸剪切力较高。而在扫描速度为7000 mm/s的激光清洗或不进行激光清洗时，其扫描速度显著降低。最大拉伸剪切力比未激光清洗时提高54%。不锈钢侧断裂面的结果如图3（b）至（m）所示。通过SEM图像和元素分布的比较，在扫描速度为3000的情况下，清洗后的试样在断口两侧出现了大量的熔融铝毫米/秒和5000 毫米/秒，如图3（b）、（c）、（f）、（g）、（j）和（k）所示。激光清洗后，熔池两侧熔化的铝在激光搭接焊过程中很容易扩散并填充鱼鳞坑，就像手指相互紧握一样，形成了较强的机械结合。而在扫描速度为7000的情况下 mm/s或未清洗，由于润湿性差，不利于扩散出熔融铝，形成的机械键可以忽略不计，如图3（d）、（e）、（h）、（i）、（l）和（m）所示。
图3 (a)拉伸剪切力。(b) - (m)断口的SEM图像及Fe、Al元素分布。(n)、(o)分别在激光扫描速度为3000 mm/s、5000 mm/s、7000 mm/s和不进行激光清洗时的断口示意图。
因此，结合界面形貌和断口特征，在5000 mm/s的扫描速度下清洗试样，由于冶金结合作用和较强的机械结合作用，拉伸剪切力有所增加，如图3(n)所示。实际上，由于鱼鳞坑的形态较深，且长度和宽度适宜，可以获得较高的拉伸剪切力。
4. 结论
对SUS310S不锈钢和6061铝合金进行激光清洗后的异种焊接，获得了冶金结合和较强机械结合的激光搭接接头。激光清洗时，扫描速度为5000 mm/s时，鱼鳞坑的长度较深，可以获得合适的长度和宽度。在扫描速度为5000 mm/s时，拉伸剪切力较高，这是由于冶金结合和机械结合较强。熔化后的铝可以向外扩散并填满不锈钢清洁表面的鱼鳞坑，形成较强的机械结合。激光清洗处理有利于提高激光搭焊接头的机械性能。
来源：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.2021.129549
参考文献：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
江苏激光联盟陈长军原创作品！
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