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對(duì)于鋼/鋁兩種金屬的焊接，由于兩者之間的固溶度很低，物理、化學(xué)性能差異較大，極易反應(yīng)生成 Fe-Al 脆性金屬間化合物，故嚴(yán)重影響焊接接頭的力學(xué)性能。但是對(duì)于汽車車身多材料結(jié)構(gòu)而言，鋼/鋁、鑄鐵/鋁等兩種不同類型的材料進(jìn)行連接焊接卻是不能避免的。采用摩擦焊、超聲波焊、擴(kuò)散焊和冷壓焊等壓焊方法對(duì)鋼/鋁進(jìn)行焊接，可獲得良好焊接接頭，但這些方法共同的缺點(diǎn)是焊件形狀受到限制。與常規(guī)熔焊相比，激光焊用激光束作焊接熱源，具有能量密度高、熱輸入量小、熱量集中、熱源易控制、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接變形小以及高效高自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，實(shí)驗(yàn)表明，解決焊接區(qū)Fe-Al 金屬間化合物的脆性是鋼/鋁激光焊的一大難點(diǎn)。
最近，湖南大學(xué)在激光焊接中添加Zr粉末，通過改變鋼/鋁界面元素分布、物相組成及微觀組織形態(tài)，獲得了優(yōu)質(zhì)鋼/鋁焊接接頭，為鋼/鋁激光焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用打開了一個(gè)新的發(fā)展方向。
他們選用Zr作為添加粉末，采用光纖激光器對(duì) 1.4 mm 厚的DC51D+ZF 鍍鋅鋼和 1.2 mm 厚的 6016 鋁合金平板試件進(jìn)行激光搭接焊試驗(yàn)。鍍鋅鋼與 6016 鋁合金激光搭接焊，激光功率為 1800 W、焊接速度為 50 mm/s、離焦量為+2.0mm、保護(hù)氣體為Ar，流量為 20 L/min。
檢測表明，未添加Zr粉的試樣，鋼/鋁界面層存在許多針狀物質(zhì)，部分針狀物質(zhì)在界面層上斷裂，游離而自由形核，形成新的枝針狀物質(zhì)，其主要組成為 Fe、Al 元素以 1:1 或 1:3比例形成的Fe-Al 脆性金屬間化合物。相同焊接工藝條件下添加Zr粉末的試樣中，焊縫熔池形貌良好，余高適宜，無明顯氣孔、裂紋等缺陷，對(duì)比未添加粉末的試樣，組織晶粒細(xì)小、均勻，鋼/鋁界面層無 Fe、Al 元素組成的 Fe-Al 脆性金屬間化合物的針狀物質(zhì)。相對(duì)于未添加粉末的焊縫區(qū)域，添加 Zr 后，焊縫熱影響區(qū)域小。X光衍射分析表明，添加 Zr粉末的試樣，未形成 Fe-Al 脆性金屬間化合物，卻形成了新的物相 ZrFe3.3Al1.3。可見，由于ZrFe3.3Al1.3韌性相抑制 Fe-Al 脆性金屬間化合物生成，因此，添加 Zr 能明顯提高鋼/鋁焊接接頭的力學(xué)性能。
焊接試樣的剪切強(qiáng)度測試表明，未添加粉末的試樣，平均剪切強(qiáng)度為34.53 MPa;添加 Zr粉末的試樣，平均剪切強(qiáng)度為 43.88 MPa，焊接接頭的平均剪切強(qiáng)度提高明顯。未添加粉末的試樣，微觀形貌表現(xiàn)為河流狀花樣，鋼/鋁試樣呈現(xiàn)典型脆性斷裂特征。添加Zr 粉末的試樣，微觀形貌含有微量韌窩，表現(xiàn)為混合性斷裂特征。
總之，在鋼-鋁激光焊接中添加Zr粉末，不僅可以細(xì)化晶粒，而且Zr與 Al 和 Fe 會(huì)形成韌性相，抑制 Fe-Al 脆性金屬間化合物的生成，從而明顯改善鋼/鋁焊接接頭的力學(xué)性能。
