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、耐腐蝕等方面的綜合優(yōu)勢，在航空航天、汽車制造及造船等領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，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)域中的難點問題。近來，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，促進液態(tài)釬料在鋼表面的潤濕鋪展，并控制界面脆性化合物層的生長，是獲得優(yōu)質(zhì)鋁/鋼接頭的關(guān)鍵問題。
　　本文首次提出了預(yù)涂層TIG熔

2、-釬焊方法，針對3mm厚的鋁合金與不銹鋼板對接結(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。進一步，從焊接能量控制與合金元素作用兩方面展開研究，分析了焊接熱輸入對界面溫度場分布的影響，通過熱力學(xué)與動力學(xué)分析，揭示了TIG

3、熔-釬焊界面層生長機制，深入研究了合金元素對界面結(jié)構(gòu)的作用，分析了其控制界面層生長的作用機理，實現(xiàn)了鋁/鋼異種合金的可靠連接。
　　通過潤濕鋪展試驗和多組元正交試驗，獲得了綜合性能良好的預(yù)涂層，分析了其促進釬料潤濕鋪展的作用機理，闡述了預(yù)涂層TIG熔-釬焊接頭成形行為，開發(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)釬料在鋼板背面潤濕鋪展，完成背面成形；最后，

5、液態(tài)釬料沿坡口表面進行“上坡”鋪展，實現(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，界面層厚度分布不均勻，呈鋸齒狀生長，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，呈粗大鋸齒狀生長時，具有較高的抗裂能力，接頭抗拉強度在120-130MPa之間，界面層抗拉強度在80-100MPa之間。采用Al-Cu6釬料時，界面層厚度分布較為均勻，呈短須狀生長，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、生長時，其抗裂能力最強，接頭抗拉強度達到170-180MPa，界面層抗拉強度在135-150MPa之間。
　　運用MARC有限元軟件實現(xiàn)了對TIG熔-釬焊界面溫度場分布的數(shù)值模擬，通過熱力學(xué)和動力學(xué)分析，計算了不同化合物的生長自由能，闡述了界面層的生長機制。溫度場模擬結(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℃，加熱時間相差2.5s，界面峰值溫度在700-1200℃之間，加熱時間不超過10s。熱力學(xué)計算

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

9、生長實現(xiàn)最佳能量控制。
　　研究了不同含量Si、Cu元素對界面結(jié)構(gòu)的作用效果，揭示了其控制界面層生長的作用機理。Si元素是通過與Al、Fe反應(yīng)形成Al-Fe-Si三元相來實現(xiàn)對界面層生長控制的，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，界面由τ5-Al8Fe2Si和θ-(Al,Si)13Fe4兩層化合物組成，控制界面層生長的作用效果最佳。Cu元素是通過置換固溶于θ-Al13Fe4相中抑制了