SUS310S不锈钢与6061铝合金激光搭焊接头机械性能的影响

原标题：激光清洗正确SUS310S不锈钢与6061铝合金激光搭焊接头机械性能的影响

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本文讨论了激光清洗SUS310S不锈钢与6061铝合金激光搭焊接头机械性能的影响。

激光清洗成功应用SUS310S激光焊接不锈钢和6061铝合金。激光清洗后，随着扫描速度的增加，鱼鳞坑的长度和宽度从3000开始mm/s增加到7000?mm/s。当扫描速度为5000时mm/s鱼鳞坑深度高。焊接接头激光清洗速度为3万mm/s和5000?mm/s除了冶金组合，界面上还有强大的机械组合。清洗后，不锈钢表面的鱼鳞坑可以改善熔融铝合金的向外扩散，使其具有较强的机械组合。更大拉伸剪切力为1948N，比未经激光清洗增加54%。采用适当的激光清洗参数，可有效提高激光焊接接头的机械性能。

1. 介绍

汽车生产、造船业等不同领域采用铝合金和钢激光焊接，实现轻量化。目前，激光黄油焊接、搭接焊等激光技术较多，实现了铝合金/钢的良好焊接接头。前期工作的主要策略是抑制界面，以提高焊接接头的强度Fe-Al反应，因为Fe-Al金属间化合物(IMC)焊接接头的形成会导致脆性。假设界面有一定的厚度IMC机械结合层，可进一步提高焊接接头的强度，脆性不能再差。

众所周知，材料应在焊接前进行清洁，以去除表面杂质。近年来，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，对激光清洗后焊接应用效果的研究较少。在激光清洗过程中，在一定条件下可以明显形成鱼鳞坑。理论上，如果焊接界面有鱼鳞坑，熔化材料可以填充坑，形成机械组合。在冶金和机械组合的影响下，可以提高接头的强度。因此，本研究研究了激光清洗对钢铝合金激光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首先，不锈钢的波长是1064nm、平均额定功率为200W脉冲光纤激光器清洗。在激光清洗过程中，激光斑振荡率从3000年到30000年，如激光斑振荡率的一维线性运动mm/s, 5000?mm/s，变为7000?mm/s。清洗速度为10mm/s，二维表面扫描的扫描速度方向始终垂直于清洗速度方向。

激光搭焊时，SUS310S不锈钢清洗后的表面与6061铝紧密接触，如图1所示(a)所示。图1(b)为图1(a)激光清洗后，用蓝色正方形标记放大重叠界面的示意图。一束1064nm、离焦长度为20mm应用激光束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扫描速度对SUS310S不锈钢表面激光清洗。(f)影响鱼鳞坑的长度和宽度。(g)对鱼鳞坑深度的影响。

激光重叠后，用激光共聚焦显微镜扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)表示焊接接头的清洁表面、界面和断裂形状。采用电子试验机进行室温拉伸剪切力试验，样品宽度为20mm，速率为1?mm/min。

激光焊接光焊接示意图。

上图为焊接工艺示意图，型号：YLS-更大输出功率为10 kW光纤激光器。送丝机由。Fronius（Trans Puls Synergic 5000)生产。焊接过程中，填充丝送入熔融金属前缘，填充丝与工件表面的夹角为3000°。激光束向前倾斜12°，也就是说，为了降低光纤后散射损伤的风险，工件表面上方有2 mm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，熔融金属与固体钢连接。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：激光功率、送丝速度和激光偏移与铝板边缘的偏差距。为了了解铝/钢接头焊接外观和显微组织的影响，每组只改变一个参数。

3.结果与讨论

图1(c)、(d)、(e)激光清洗时，不同扫描速度为3万mm/s、5000?mm/s和7000?mm/s清洗后的表面有大量的鱼鳞坑。鱼鳞坑的长度和宽度应沿激光扫描方向和垂直于激光扫描方向确定，如图1所示(c)显示。随着扫描速度的增加，长度和宽度的增加往往会从3000减少？mm

/ s 到 7000?mm / s,如图1(c), (d), (e)和(f)。扫描速度3000mm / s,单位时间单位面积激光辐射时间较高，导致面积较大，融化速度高于扫描速度。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，激光斑的覆盖宽度较小，导致鱼鳞坑的长度较长。(g)激光共聚焦显微镜沿凹激光共聚焦显微镜的结果。不到100μm部分为未清洁表面数据，其余为清洁表面数据。mm/s在扫描速度下，鱼鳞坑的平均深度约为5μm，理论上，不难理解鱼鳞坑的深度会随着扫描速度的增加而降低。重要的是，前提是测量的鱼鳞坑应该是一个单一和完整的熔化区。鱼鳞坑的形状实际上是相互叠加的。当扫描速度为3000时，叠加区域随着扫描速度的降低而增加mm/s测量深度下降。

激光搭接接头的截面界面如图2所示。激光扫描速度下的界面形状如图2所示(a)、(b)、(c)和(d)所示。熔合边界附近发生冶金反应。因此，金相结合界面沿焊接接头的熔合边界，如图2所示，用黄色箭头标记。SUS310S不锈钢和6061铝合金的熔合边界附近有两个紧密的集成区域，如图2所示，用白色箭头标记。在激光重叠过程中，在焊接热循环和压力下，在较低的温度区域形成机械组合界面。(e)结合区域的长度显示，包括冶金结合和机械结合。5000年mm/s在扫描速度下，关键区域的长度大于另外两组，类似于鱼鳞坑的深度。由于焊接条件相同，激光清洗的长度与未激光清洗的冶金组合区相似。因此，粘接区域的长度差主要由机械粘接区域决定。液体铝对固体钢的润湿性相对较低，但材料表面的鱼鳞坑可以改善润湿和扩散。

图2 (a) - (d)激光清洗时，扫

描速度分别为3万mm/s、5000?mm/s、7000?mm/s0时界面形状。(e)焊接接头在不同扫描速度下的焊接区域长度。

图3(a)激光搭焊接头拉伸剪切力的结果。激光扫描速度为3万mm/s和5000?mm/s焊接接头的拉伸剪切力较高。扫描速度为7万mm/s激光清洗或无激光清洗时，扫描速度明显降低。更大拉伸剪切力比未激光清洗时高54%。不锈钢侧断裂结果如图3所示（b）至（m）所示。通过SEM对比图像和元素分布，当扫描速度为3000时，大量熔融铝mm/秒和5000mm/秒出现在断口两侧，如图3所示（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接过程中容易扩散和填充鱼鳞坑，形成强烈的机械组合，就像手指相互握紧一样。当扫描速度为7000时mm/s或未清洗，由于润湿性差，不利于熔融铝的扩散，形成的机械键可以忽略不计，如图3所示（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)激光扫描速度分别为3000mm/s、5000?mm/s、7000?mm/s以及激光清洗时断口示意图。

因此，5000年结合界面形状和断口特征mm/s在扫描速度下，由于冶金与强机械的结合，拉伸剪切力增加，如图3所示(n)所示。实际上，由于鱼鳞坑形状较深，长度和宽度适宜，可以获得较高的拉伸剪切力。

4. 结论

对SUS310S激光清洗后，不锈钢与6061铝合金焊接不同，获得冶金与强机械结合的激光搭接接头。激光清洗时，扫描速度为5万mm/s鱼鳞坑长度较深，可获得适当的长度和宽度。扫描速度为5万mm/s由于冶金和机械的结合，拉伸剪切力较高。熔化铝可扩散并填充不锈钢清洁表面的鱼鳞坑，形成强大的机械组合。激光清洗处理有利于提高激光焊接接头的机械性能。

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.

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

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