鋁合金與不銹鋼低溫?cái)U(kuò)散焊及界面主組元擴(kuò)散行為研究.pdf

1、鋁合金具有比強(qiáng)度大、比剛度高、重量輕、耐腐蝕等特性,不銹鋼具有高強(qiáng)度、可焊接性、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)鋁合金與不銹鋼的可靠連接在航空航天、汽車、化工等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。由于Al與Fe的晶體結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)性質(zhì)相差懸殊,造成鋁合金與不銹鋼的焊接性很差。集中體現(xiàn)在鋁合金表面極易形成穩(wěn)定而致密的氧化膜,破壞了接頭的連續(xù)性和整體性；連接界面易生成脆性金屬間化合物,降低了接頭的連接效果。因此,實(shí)現(xiàn)鋁合金與不銹鋼的可靠連接,一直是焊接界關(guān)注的

2、焦點(diǎn)。
　　 本文結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于鋁合金與不銹鋼焊接的研究現(xiàn)狀,以鍍Cu層、鍍Ag層,Al-Si合金箔作為中間反應(yīng)材料,對6063鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散焊接試驗(yàn)研究,借助光學(xué)顯微鏡、SEM、EPMA、XRD等分析測試手段,對連接過程的潤濕鋪展行為、晶界滲透現(xiàn)象、接頭微觀組織與結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析,測試接頭力學(xué)性能,優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,以純Al／純Fe作為擴(kuò)散偶,在不同溫度和保溫時(shí)間條件下進(jìn)行擴(kuò)散試驗(yàn),重

3、點(diǎn)研究Al原子與Fe原子的擴(kuò)散行為,探討界面反應(yīng)層生長機(jī)制,建立界面過渡區(qū)Al元素、Fe元素?cái)U(kuò)散濃度分布方程。
　　 對于6063鋁合金／鍍Cu層／1Cr18Ni9Ti不銹鋼低溫?cái)U(kuò)散焊,Al-Cu共晶液相對6063鋁合金基體具有較好的潤濕性,潤濕角小于10度,是反應(yīng)潤濕和鋪展?jié)櫇窆餐饔玫慕Y(jié)果；焊接接頭組織結(jié)構(gòu)為6063鋁合金／Fe2Al5、Fe3Al／AlCu、AlCu4／Al固溶體與Al-Cu化合物構(gòu)成的共晶組織／1Cr18

4、Ni9Ti不銹鋼,增加低溫?cái)U(kuò)散加熱溫度或延長保溫時(shí)間,舍屬間化合物層厚度增大,焊縫區(qū)域共晶組織量逐漸減?。挥?jì)算表明Al-Cu共晶液相沿6063鋁合金晶界滲透速度為1.3297×10-8m／s；中間反應(yīng)層Cu的溶解速度非常迅速,是以秒為計(jì)數(shù)單位的快速過程；在二次加熱溫度510℃、保溫時(shí)間30min、鍍Cu層厚度10μm條件下,接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值約83MPa。對于6063鋁合金／鍍 Ag層／1Cr18Ni9Ti不銹鋼低溫?cái)U(kuò)散焊,焊接接頭組織

5、結(jié)構(gòu)為6063鋁合金／富 Ag相／Al(Ag)固溶體和Ag-Al化合物／Ag-Al化合物／Fe-Al化合物／1Cr18Ni9Ti不銹鋼；由于Al原子擴(kuò)散路徑的緣故,Fe-Al金屬間化合物的產(chǎn)生具有延遲特性；鍍Ni層具有良好的阻隔效應(yīng),可以有效控制界面生成Fe-Al金屬間化合物；低溫?cái)U(kuò)散焊與接觸反應(yīng)釬焊相比,Fe-Al金屬間化合物的生長速度較慢,焊接過程較易控制；界面反應(yīng)層厚度與保溫時(shí)間平方根成正比,其生長激活能為162.39KJ／mol

6、；Ag具有優(yōu)先沿6063鋁合金晶界擴(kuò)散的特性,從而造成6063鋁合金基體晶界液化。對于6063鋁合金／Al-Si／1Cr18Ni9Ti不銹鋼低溫?cái)U(kuò)散焊,保溫時(shí)間對Al-Si共晶液相在6063鋁合金基體上的潤濕性影響較小,而對1Cr18Ni9Ti不銹鋼的潤濕性影響較大；低溫?cái)U(kuò)散加熱溫度越高,保溫時(shí)間越長,焊縫區(qū)域的共晶組織量減少,初生Si及共晶Si出現(xiàn)長大現(xiàn)象,界面生成的Fe-Al金屬間化合物厚度明顯增厚,甚至產(chǎn)生顯微裂紋；焊接接頭強(qiáng)度普

7、遍較低,界面生成的Fe-Al金屬間化合物、Al-Si共晶液相因等溫凝固造成對基體表面潤濕和鋪展性下降、焊縫中形成大塊狀脆性初生Si相是制約焊接接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。對于Fe／Al界面反應(yīng)層生長機(jī)理和元素?cái)U(kuò)散數(shù)值分析,采用Boltzmann-Matano分析方法確定Fe／Al擴(kuò)散焊界面過渡區(qū)元素的D-C關(guān)系方程,計(jì)算Fe、Al元素在界面過渡區(qū)各相層中的擴(kuò)散系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明,Fe、Al元素的擴(kuò)散系數(shù)均隨加熱溫度和濃度的增加而增大,Al元素的

8、擴(kuò)散能力比Fe元素的擴(kuò)散能力強(qiáng)。結(jié)合擴(kuò)散系數(shù)和誤差函數(shù)解建立了界面過渡區(qū)元素的反應(yīng)擴(kuò)散方程,模擬計(jì)算了Fe元素與Al元素在Fe3Al和AlCu4金屬間化合物中的濃度分布,并與EPMA實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者基本吻合,作為對Fe元素與Al元素?cái)U(kuò)散行為的初步分析具有一定的參考價(jià)值。
　　 本研究的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)為:通過插入特定中間層,實(shí)現(xiàn)6063鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的低溫?cái)U(kuò)散連接,有利于材料表面氧化膜破碎和清除,降低