鋁合金-不銹鋼熱絲TIG熔-釬焊接頭組織與性能研究.pdf

1、本文針對鋁合金/不銹鋼TIG熔-釬焊接頭穩(wěn)定成形、金屬間化合物控制以及非平衡態(tài)固液界面反應機理三個有待解決的關(guān)鍵問題展開研究。首先通過對釬劑的改性、送絲方式及背部墊板的優(yōu)化實現(xiàn)了接頭穩(wěn)定成形；進一步實現(xiàn)了鋁合金高頻感應熱絲技術(shù)在該體系中的應用，擴大了工藝范圍、降低了焊接電流并提高了接頭強度及穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，基于降低熱輸入以及界面金屬間化合物生長與分解動態(tài)調(diào)控的兩種化合物控制思想，分別實現(xiàn)了ER2319及ER1100兩種焊絲填充接頭組

2、織與性能的有效控制，實現(xiàn)了鋁/鋼異種金屬的優(yōu)質(zhì)連接；研究了接頭微觀組織結(jié)構(gòu)特征，深入分析了界面金屬間化合物及焊縫中析出相，評定了接頭斷裂行為，建立了接頭工藝-組織-性能三者之間的聯(lián)系；通過對界面溫度場的模擬，結(jié)合熱力學與動力學相關(guān)理論，揭示了不同情況下界面層的生長機制及規(guī)律。
　　通過在 Nocolok釬劑中加入高純鋁粉并對其含量進行優(yōu)化，研制出了可以在交流電弧下發(fā)揮良好作用的釬劑，在不銹鋼表面使用此釬劑可使電弧穩(wěn)定性提高、釬料潤

3、濕角減小、鋪展面積增加。當釬劑中鋁粉的添加量在0-40 wt.％變化時，潤濕角減少、鋪展面積增加，IMC厚度變化不大；當鋁粉的添加量大于40 wt.%時，潤濕角及鋪展面積變化不大，IMC厚度明顯增加。在釬劑中添加鋁粉改變了釬劑的作用機制，釬劑中鋁粉的熔化即完成了鋁液對不銹鋼表面的潤濕，釬料的鋪展過程則變?yōu)殇X熔池與釬劑中熔化的鋁粉的混合。采用雙送絲方法很好地解決了鋁/鋼 TIG熔-釬焊對送絲位置敏感及連接薄板時容易燒穿的問題。通過采用不同

4、的送絲搭配及合適的焊接電流，分別實現(xiàn)了母材厚度為1.5 mm、3 mm和4 mm接頭的穩(wěn)定成形。通過采用不銹鋼墊板替代銅墊板增加了背部熔透，解決了由于銅墊板導熱過快而導致的背面成形不均一的問題，實現(xiàn)了均勻、穩(wěn)定、飽滿的背面成形。
　　基于降低熱輸入的思想對ER2319焊絲填充接頭的組織和性能進行控制。首先根據(jù)鋁合金焊絲高電導率和高熱導率的特點構(gòu)建了高頻感應雙熱絲系統(tǒng)，可將不同直徑的鋁合金單絲或雙絲加熱至400℃以下的任意溫度并連續(xù)

5、穩(wěn)定送進。通過采用高頻感應熱絲脈沖焊，可減小電弧熱輸入、有效降低界面溫度場，界面峰值溫度可由采用冷絲時的810℃降至698℃，界面反應時間由6.5 s降低至3.5 s，界面底部IMC厚度可控制在3.3μm左右，接頭抗拉強度達到280 Mpa。界面化合物由θ-(Fe,Cu)4Al13相及少量的Cr0.7Fe0.3Al6組成，焊縫中析出相為Al2Cu。隨熱輸入增加，界面反應峰值溫度及固液反應時間增加，金屬間化合物厚度增加，接頭力學性能下降。

6、接頭具有兩種斷裂模式，高強度接頭斷于靠近鋁側(cè)熔合線的焊縫處，而強度較低的接頭起裂于界面底部IMC并向上延伸至焊縫。
　　基于界面金屬間化合物生長與分解動態(tài)調(diào)控的思想對ER1100焊絲填充接頭的組織和性能進行控制。首先采用響應曲面法結(jié)合中心復合設(shè)計對工藝進行優(yōu)化，考察的主要工藝參數(shù)為脈沖峰值電流、脈寬比、脈沖基值電流、脈沖頻率，響應值為接頭整體及去掉余高后的抗拉強度。建立了二階回歸模型并用此模型實現(xiàn)了對焊接工藝的優(yōu)化及接頭性能的預測

7、，優(yōu)化后接頭強度最高可達238 MPa?；诮⒌幕貧w模型對單因素及交互作用的影響進行了深入分析。對接頭微觀結(jié)構(gòu)分析表明，ER1100焊絲填充接頭的界面化合物由厚度為200 nm左右η-Fe2Al5相和厚度為幾個微米的θ-Fe4Al13相組成，焊縫中析出相為條狀或網(wǎng)狀的FeAl6。隨著焊接電流的增加，界面化合物厚度先減小后增加，焊縫中FeAl6的析出量增加，接頭性能先增加后減小。接頭主要存在兩種斷裂模式，強度較低的接頭起裂于界面底部并向

8、上延伸至焊縫，強度較高的接頭斷裂于界面化合物層。
　　根據(jù)使用填充材料和化合物控制策略的不同，結(jié)合動力學相關(guān)理論，分別對兩種情況的界面反應機理進行了深入分析。針對ER2319焊絲填充接頭，基于溶解動力學控制的動態(tài)溶解-擴散過程建立了界面化合物生長模型，實現(xiàn)了給定溫度下界面化合物生長速度及厚度的預測。針對ER1100焊絲填充接頭，同時考慮固液界面化合物的生長與溶解，從二個區(qū)間分析了化合物生長與分解速率的動態(tài)變化，揭示了化合物厚度-F