鋁合金-不銹鋼預(yù)涂層TIG熔-釬焊特性與界面行為研究.pdf

1、鋁合金與不銹鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車制造及造船等領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，然而兩者之間固溶度低，熱物理性能差異大，且極易反應(yīng)生成脆性的金屬間化合物，這已成為焊接領(lǐng)域中的難點(diǎn)問(wèn)題。近來(lái)，電弧熔-釬焊方法以其便捷、高效化的焊接特性成為鋁/鋼異種合金連接中的熱門研究方向，促進(jìn)液態(tài)釬料在鋼表面的潤(rùn)濕鋪展，并控制界面脆性化合物層的生長(zhǎng)，是獲得優(yōu)質(zhì)鋁/鋼接頭的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本文首次提出了預(yù)涂層TIG熔

2、-釬焊方法，針對(duì)3mm厚的鋁合金與不銹鋼板對(duì)接結(jié)構(gòu)，全面地研究了其焊接特性，研制出了適用于電弧加熱條件下的預(yù)涂層，開(kāi)發(fā)出了接頭成形控制技術(shù)，獲得了具有熔焊與釬焊雙重特征的復(fù)合型接頭。在此基礎(chǔ)上，研究了接頭微觀結(jié)構(gòu)特征，深入分析了界面層的組織形態(tài)與反應(yīng)產(chǎn)物，評(píng)定了接頭力學(xué)行為，建立了界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的聯(lián)系。進(jìn)一步，從焊接能量控制與合金元素作用兩方面展開(kāi)研究，分析了焊接熱輸入對(duì)界面溫度場(chǎng)分布的影響，通過(guò)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，揭示了TIG

3、熔-釬焊界面層生長(zhǎng)機(jī)制，深入研究了合金元素對(duì)界面結(jié)構(gòu)的作用，分析了其控制界面層生長(zhǎng)的作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種合金的可靠連接。
　　通過(guò)潤(rùn)濕鋪展試驗(yàn)和多組元正交試驗(yàn)，獲得了綜合性能良好的預(yù)涂層，分析了其促進(jìn)釬料潤(rùn)濕鋪展的作用機(jī)理，闡述了預(yù)涂層TIG熔-釬焊接頭成形行為，開(kāi)發(fā)出了單面焊雙面成形控制技術(shù)，獲得了成形良好的鋁/鋼對(duì)接接頭。預(yù)涂層成分為：改性的Nocolok釬劑(KAlF465％+K3AlF635%)55wt%，Zn20w

4、t%，Sn20wt%，K2SiF65wt%。預(yù)涂層的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是熔融氟化物釬劑去除液態(tài)釬料表面的殘余氧化膜，凈化液態(tài)釬料表面；二是氟化物釬劑分解并覆在熔池表面，顯著降低液-氣界面張力σl-g；三是Zn和Sn金屬液層沉積在鋼表面并溶入液態(tài)釬料，降低液-固界面張力σl-s。接頭成形過(guò)程為：預(yù)涂層首先熔化，在鋼表面形成液態(tài)薄膜；隨后，焊絲送到坡口根部，緊貼成形槽底部，并迅速熔化，液態(tài)釬料在鋼板背面潤(rùn)濕鋪展，完成背面成形；最后，

5、液態(tài)釬料沿坡口表面進(jìn)行“上坡”鋪展，實(shí)現(xiàn)正面成形。
　　研究了鋁合金/不銹鋼TIG熔-釬焊接頭微觀結(jié)構(gòu)特征，深入分析了不同填充釬料和焊接熱輸入條件下的界面結(jié)構(gòu)，測(cè)試了接頭的力學(xué)性能，研究了接頭的斷裂行為。采用Al-Si12釬料時(shí)，界面層厚度分布不均勻，呈鋸齒狀生長(zhǎng)，由τ5-Al8Fe2Si和θ-(Al,Si)13Fe4兩層化合物構(gòu)成，隨著熱輸入量的增加，界面層中θ相生長(zhǎng)迅速，整體界面層厚度在3-10μm之間，形態(tài)由小鋸齒狀向粗大鋸

6、齒狀變化；界面層具有高的硬脆性，在界面層由τ5相組成，厚度在5-7μm之間，呈粗大鋸齒狀生長(zhǎng)時(shí)，具有較高的抗裂能力，接頭抗拉強(qiáng)度在120-130MPa之間，界面層抗拉強(qiáng)度在80-100MPa之間。采用Al-Cu6釬料時(shí)，界面層厚度分布較為均勻，呈短須狀生長(zhǎng)，由θ-Al13(Fe,Cu)4一層化合物組成，隨著熱輸入量的增加，界面層厚度在2-5μm之間，形態(tài)由短須狀向粗針狀變化；界面層具有較高的抗裂性，當(dāng)界面層厚度在2-4μm之間，呈短須狀

7、生長(zhǎng)時(shí)，其抗裂能力最強(qiáng)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到170-180MPa，界面層抗拉強(qiáng)度在135-150MPa之間。
　　運(yùn)用MARC有限元軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)TIG熔-釬焊界面溫度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬，通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算了不同化合物的生長(zhǎng)自由能，闡述了界面層的生長(zhǎng)機(jī)制。溫度場(chǎng)模擬結(jié)果顯示，液-固界面溫度分布不均勻，坡口頂部位置與底端位置相差近300℃，加熱時(shí)間相差2.5s，界面峰值溫度在700-1200℃之間，加熱時(shí)間不超過(guò)10s。熱力學(xué)計(jì)算

8、結(jié)果顯示，隨著含Al量的升高，化合物的生長(zhǎng)自由能逐漸降低，Si元素的加入能夠顯著降低化合物的生長(zhǎng)自由能，界面處形成含Al量最高的Al-Fe-Si三元相。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示，界面層的生長(zhǎng)行為是由溶解動(dòng)力學(xué)控制的，鋼基體在鋁液中的溶解過(guò)程決定著整個(gè)界面層的結(jié)構(gòu)特征，而界面峰值溫度對(duì)溶解過(guò)程起到?jīng)Q定性的影響，界面溫度控制在1000℃左右時(shí)，界面層由τ5相一層組成，厚度在5-8μm之間，呈鋸齒狀生長(zhǎng)，計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際界面結(jié)構(gòu)相符合，對(duì)界面層的

9、生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)最佳能量控制。
　　研究了不同含量Si、Cu元素對(duì)界面結(jié)構(gòu)的作用效果，揭示了其控制界面層生長(zhǎng)的作用機(jī)理。Si元素是通過(guò)與Al、Fe反應(yīng)形成Al-Fe-Si三元相來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)界面層生長(zhǎng)控制的，Si元素極易在界面偏聚，增大了Fe原子向鋁液中的溶解速度，Si含量在5wt%左右時(shí)，界面由τ5-Al8Fe2Si和θ-(Al,Si)13Fe4兩層化合物組成，控制界面層生長(zhǎng)的作用效果最佳。Cu元素是通過(guò)置換固溶于θ-Al13Fe4相中抑制了