鋁合金-鋼MIG電弧熔-釬焊接頭釬焊界面微觀組織與性能研究.pdf

1、異種材料熔-釬焊技術(shù)是一種基于兩種材料熔點(diǎn)具有較大差異的高效焊接工藝方法，在焊接過程中低熔點(diǎn)母材熔化并與熔化的填充金屬形成熔焊接頭，而熔化的填充金屬和低熔點(diǎn)母材在未熔化的高熔點(diǎn)母材表面鋪展，并與之形成釬焊接頭。該工藝方法可以充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，是一種有著廣闊應(yīng)用前景的異種材料連接技術(shù)。鋁合金/鋼的熔-釬焊技術(shù)是近幾年的研究熱點(diǎn)之一，眾多學(xué)者借助各種焊接熱源對(duì)鋁合金/鋼的熔-釬焊進(jìn)行了焊接工藝的開發(fā)，取得很大進(jìn)展。但鋁合金在鋼表面

2、的鋪展性以及在釬焊界面處形成的金屬間化合物仍舊是制約著鋁合金/鋼焊接接頭性能提升的兩大主要因素?；诖?，本文主要對(duì)鋁合金/鋼MIG電弧熔-釬焊接頭釬焊界面組織演變及其性能變化作為主要研究對(duì)象，分別研究了初始溫度、焊接熱輸入、合金元素對(duì)鋁合金/鋼熔-釬焊接頭釬焊界面組織性能的影響，分析釬焊界面組織變化機(jī)制，為揭示鋁合金/鋼熔-釬焊接機(jī)理以及促進(jìn)鋁合金/鋼熔-釬焊技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。
　　在初始溫度對(duì)釬焊界面顯微組織及接頭力學(xué)性能

3、影響的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，釬焊界面處存在著三個(gè)特征區(qū)域:焊趾富鋅區(qū)、中心IMCs(Intermetallic Compounds,金屬間化合物)層區(qū)、焊根富鋅區(qū)。其中兩個(gè)富鋅區(qū)域形成原因是由于該區(qū)域焊接過程溫度較低、熔化的鍍鋅層卷入靠近釬焊界面的熔池中，并在隨后冷卻過程中沿晶界析出。中心區(qū)域組織以金屬間化合物為主，沒有發(fā)現(xiàn)Zn的存在。對(duì)不同初始溫度下的IMCs層分析認(rèn)為，由于Fe2Al5的吉布斯自由能相比于其它Fe-Al金屬間化合物更低，因

4、而Fe2Al5相首先在界面處形成，并沿著c軸向熔池中生長(zhǎng)。在Fe2Al5相的尖端，Al、Si含量比較豐富，因此它們會(huì)繼續(xù)與Fe2Al5相發(fā)生反應(yīng)生成Al8Fe2Si和Fe4Al13。而提高初始溫度后，在釬焊界面有納米尺寸的富鐵相產(chǎn)生，這主要是因?yàn)槌跏紲囟忍嵘?，釬焊界面的峰值溫度以及高溫停留時(shí)間都得到進(jìn)一步提升和延長(zhǎng)，促進(jìn)了Fe2Al5與Fe元素的相互擴(kuò)散而形成了富鐵相，但由于其形成溫度較高而焊接過程冷卻速度較快，富鐵相的生長(zhǎng)被抑制。提

5、高初始溫度使得IMCs層的厚度有所增大，但與此同時(shí)液態(tài)金屬的鋪展性也得到極大改善，促進(jìn)了接頭抗拉強(qiáng)度提高。
　　對(duì)不同熱輸入下的鋁合金/鋼熔釬焊接頭釬焊界面形貌觀察后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱輸入較低時(shí)，鋼側(cè)界面比較平直，而熱輸入較大時(shí)鋼側(cè)界面會(huì)有凸起的出現(xiàn)。分析認(rèn)為，焊接過程溫度可以達(dá)到1406℃(I=65 A)，使鋼表面處于高溫塑性狀態(tài)或出現(xiàn)微熔的現(xiàn)象，因而可以在電弧和熔滴對(duì)熔池的沖擊作用下而形成大小不一的凸起。凸起在形成過程中，IMCs層也

6、開始向熔池內(nèi)部進(jìn)行生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)的過程中，IMCs會(huì)垂直于凸起斜面擇優(yōu)生長(zhǎng)使IMCs層與鋼界面處產(chǎn)生孔洞型缺陷。隨著焊接熱輸入的增加，接頭釬焊界面的剪切強(qiáng)度先升后降。當(dāng)焊接熱輸入較低時(shí)，中心區(qū)域剪切強(qiáng)度低于焊趾富鋅區(qū)域，因此裂紋會(huì)首先沿著釬焊界面進(jìn)行擴(kuò)展然后向焊趾富鋅區(qū)域內(nèi)部延伸。而熱輸入較高時(shí)，中心區(qū)域強(qiáng)度提升使裂紋貫穿整個(gè)釬焊界面。
　　分析了添加合金元素調(diào)控熔-釬焊接頭釬焊界面組織性能的可能性。結(jié)果表明，添加了Zn、Sn條帶后

7、，釬焊界面中心IMCs層明顯變薄，并在釬焊界面處只形成了Fe2Al5，而Fe4Al13和Fe2Al8Si得到了明顯的抑制。添加了Si粉后，Si元素占據(jù)Fe2Al5晶胞的c軸，阻礙了Fe與Al元素的接觸而使IMCs層厚度有所下降，但化合物種類并沒有顯著變化仍為Fe2Al5、Fe4Al13、Fe2Al8Si。當(dāng)添加Ti粉后，其在一定程度上避免液態(tài)鋁合金與Fe、Zn直接作用而使化合物層厚度下降更加明顯，并且化合物外觀形貌也變得更為平整。研究結(jié)