78zn22al焊丝铝钢焊接性能研究
研究78Zn-22Al焊丝铝/钢焊接性能。钎料铺展性能实验结果表明78Zn-22Al钎料在3003铝合金上铺展性能良好。钎料铺展后成为薄薄的一层，形状近似为圆形，并且钎料与母材光泽不同有着明显的分界线。钎焊接头的力学性能实验结果表明78Zn-22Al钎料钎焊铝/钢接头具有良好的力学性能，钎缝显微组织比较较均匀，尺寸较小，其接头强度大约为100.41MPa。78Zn-22Al钎料能够能够顺利实现3003铝合金和Q235普通碳素钢钎焊接头的连接，形成的钎焊接头较为完美，钎缝外型美观，钎料分布均匀，且钎缝表面较为光滑。
关键词 铺展性能，78Zn-22Al钎料，3003铝合金，力学性能，钎焊
目 录
1 引言 2
1.2 压焊 3
1.3 熔钎焊 5
1.3.1 低能量熔钎焊 5
1.3.2 激光填丝熔钎焊 6
1.3.3 激光 -MIG 复合熔钎焊 6
1.3.4 TIG熔钎焊 6
1.3.5 钎焊 6
1.4 本课题研究内容及意义 7
2 研究的实验方法及过程 7
2.1 研究的流程图 8
2.2 钎料合金的制备与选择 8
2.2.1 原材料的选择 8
2.2.2 合金的制备 8
2.3 钎料铺展性能实验 9
2.3.1 钎料润湿铺展性能的测试方法 9
2.3.2 钎料铺展实验采用的实验设备 10
2.4 炉中钎焊接头 11
2.4.1 接头形式 11
2.4.2 炉中钎焊 11
2.5 拉伸试验 12
2.6 显微组织分析 13
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
6.1 金相显微镜分析 13
3 实验结果与分析 14
3.1 78Zn-22Al钎料显微组织 14
3.2 78Zn-22Al钎料在3003铝合金表面铺展性能的影响 15
3.3 78Zn-22Al钎料钎焊铝/钢接头力学性能的影响 17
3.4 78Zn-22Al钎料钎焊铝/钢接头钎焊接头显微组织 19
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 引言
铝/钢异种金属复合结构能充分发挥两种材料的优势，具有质量轻、强度高以及耐蚀性好等综合优势，在汽车制造、航空航天等领域具有越来越广泛的作用。但是铝与钢之间固溶度低、热物理性能及力学性能差异大以及容易形成脆硬的金属间化合物，这使得铝/钢焊接成为难点问题[1]。
目前,应用于铝—钢、铜—钢异种金属连接的焊接方法多为固相连接, 这些相连接方法要么焊接效率低,要么容易受到工件尺寸和形状的限制 ,所以这些固相连接方法难以满足大批量的生产要求,异种金属的优质高效连接问题成为制约铝—钢异种金属复合结构在工程中大量推广在最大技术瓶颈。近来有一些新型在焊接方法提出 ,为异种金属连接的发展提供了更为广阔的空间 ,但是 ,这些焊接方法都还不太成熟、也不够完善,特别是在提高焊接的生产效率、改善接头的性能方面有待做进一步的研究[2]。
1.1 铝和钢的焊接性
铝和钢的物理性能相差非常很大,这会对铝-钢的焊接造成非常大的困难。由于铝的熔点为 660℃,比钢低 700～900℃，在焊接时，所以熔点低的铝会被先熔化，此时由于钢仍未熔化，由于铝与钢的密度差别较大，熔池中的铝就会浮在钢上面， 冷却结晶后就会造成焊缝成分的不均匀，造成的结果就是接头性能的不均匀；铝和钢之间的线膨胀系数相差非常大，这将导致在焊接接头中产生较大残余应力，会导致产生焊接裂纹。另外，由于铝及其合金在空气中易氧化生成氧化物保护膜，难熔还不导电，焊接时容易造成未熔合、夹渣并使焊接过程变得极不稳定。钢与铝的焊接具有如下特点[3]：铁在固态铝中的溶解度非常的小，室温下基本是不溶于铝的；由于冷却过程中会出现 FeAl3、FeAl2、Fe2Al5等脆性很大的金属间化合物，从而使得焊缝强度和硬度提高，但是塑性下降，从而导致结合区呈脆性，并且具有结晶长大及破坏接头的倾向。为实现铝-钢的可靠连接就需要克服铝及铝合金表面的氧化膜对连接的阻碍作用，以及使铝合金与钢的界面上不生成或减少脆性金属间化合物[4]。总之，铝-钢结构的焊接性比较差，一般焊接方法是很难获得良好的焊接接头。
表1.1 钢和铝的主要物理特性
特性
热导率/
W(mK) -1
比热容/
J(kgK) -1
密度/
kg/cm3
熔点/℃
沸点/℃
钢
铝
66.7
217.7
481.5
899.2
7880
2700
1536
660
2450
2519
1.2 压焊
压焊就是在焊接的过程中，对焊件施加一定的压力(加热或不加热)以完成焊接的方法。在焊接铝和钢时，常用到爆炸焊、磁脉冲焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等方法。
1.2.1 爆炸焊
王建民等人[5]采用 2mm 厚的纯铝1060 作为中间过渡层，选用三种不同的工艺参数对5083 铝合金和 Q235 钢进行了爆炸焊接。作者认为铝-钢复合板的界面形成一种直接结合与波状结合的混合结合方式，界面发生冶金反应，产生了脆性金属间化合物。在铝-钢结构的爆炸焊接中宜采用小药量焊接，以便提高爆炸复合板的强度。利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。20世纪50年代末期,在用爆炸成形方法加工零件时,发现零件与模具之间产生局部焊合现象，由此产生了爆炸焊接的方法，如图1所示。爆炸焊接时,通常把炸药直接敷在覆板表面,或在炸药与覆板之间垫以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与基板之间一般留有平行间隙或带角度的间隙，在基板下垫以厚砧座。炸药引爆后的冲击波压力高达几百万兆帕，使覆板撞向基板，两板接触面产生塑性流动和高速射流，结合面的氧化膜在高速射流作用下喷射出来，同时使工件连接在一起。爆炸焊分点焊、线焊和面焊。接头有板和板、管和管、管和管板等形式。所使用炸药的爆轰速度、用药量、被焊板的间隙和角度、缓冲材料的种类、厚度、被焊材料的声速、起爆位置等，均对焊接质量有重要影响。爆炸焊所需装置简单，操作方便，成本低廉，适用于野外作业。爆炸焊对工件表面清理要求不太严，而结合强度却比较高，适合于焊接异种金属，如铝、铜、钛、镍、钽、不锈钢与碳钢的焊接，铝与铜的焊接等。爆炸焊已广泛用于导电母线过渡接头、换热器管与管板的焊接和制造大面积复合板。
图1 爆炸焊示意图
1.2.2 磁脉冲焊
磁脉冲焊是在磁脉冲成形技术的基础上发展起来的一种快速、无接触的新型固态连接方法。在焊接过程中是不需要添加填充金属和保护气体的，无飞溅、烟尘，几乎没有热影响区，可以用来焊接异种难焊金属，获得性能优良的焊接接头，防止或减少金属间化合物的产生，得以显著提高接头强度和耐蚀性能[6]。明珠等人[7]用磁脉冲连接的方法对 6061铝合金与 304 不锈钢管进行了焊接。作者认为磁脉冲连接铝合金和不锈钢的界面呈冶金结合，选择大小合适的能量非常重要，冲击速度较低时很难形成冶金结合；能量太大、高冲击速度，又会导致界面过度熔化、生成金属间化合物、降低焊接接头的性能。Lee Kwang-Jin 等人[8]研究了低碳钢 SPCC 与 A6111铝合金异种材料的磁脉冲焊接工艺方法以及焊缝的微观组织和力学性能，获得了良好的焊接接头。拉伸试验结果表明，焊缝断裂位置位于低碳钢母材上，焊缝的界面是过渡组织，在组织中观察到了中间层，中间层是由细晶铝(约 100nm)、超精细的金属间化合物和细晶铁共同组成的多相结构。
1 引言 2
1.2 压焊 3
1.3 熔钎焊 5
1.3.1 低能量熔钎焊 5
1.3.2 激光填丝熔钎焊 6
1.3.3 激光 -MIG 复合熔钎焊 6
1.3.4 TIG熔钎焊 6
1.3.5 钎焊 6
1.4 本课题研究内容及意义 7
2 研究的实验方法及过程 7
2.1 研究的流程图 8
2.2 钎料合金的制备与选择 8
2.2.1 原材料的选择 8
2.2.2 合金的制备 8
2.3 钎料铺展性能实验 9
2.3.1 钎料润湿铺展性能的测试方法 9
2.3.2 钎料铺展实验采用的实验设备 10
2.4 炉中钎焊接头 11
2.4.1 接头形式 11
2.4.2 炉中钎焊 11
2.5 拉伸试验 12
2.6 显微组织分析 13
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
6.1 金相显微镜分析 13
3 实验结果与分析 14
3.1 78Zn-22Al钎料显微组织 14
3.2 78Zn-22Al钎料在3003铝合金表面铺展性能的影响 15
3.3 78Zn-22Al钎料钎焊铝/钢接头力学性能的影响 17
3.4 78Zn-22Al钎料钎焊铝/钢接头钎焊接头显微组织 19
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 引言
铝/钢异种金属复合结构能充分发挥两种材料的优势，具有质量轻、强度高以及耐蚀性好等综合优势，在汽车制造、航空航天等领域具有越来越广泛的作用。但是铝与钢之间固溶度低、热物理性能及力学性能差异大以及容易形成脆硬的金属间化合物，这使得铝/钢焊接成为难点问题[1]。
目前,应用于铝—钢、铜—钢异种金属连接的焊接方法多为固相连接, 这些相连接方法要么焊接效率低,要么容易受到工件尺寸和形状的限制 ,所以这些固相连接方法难以满足大批量的生产要求,异种金属的优质高效连接问题成为制约铝—钢异种金属复合结构在工程中大量推广在最大技术瓶颈。近来有一些新型在焊接方法提出 ,为异种金属连接的发展提供了更为广阔的空间 ,但是 ,这些焊接方法都还不太成熟、也不够完善,特别是在提高焊接的生产效率、改善接头的性能方面有待做进一步的研究[2]。
1.1 铝和钢的焊接性
铝和钢的物理性能相差非常很大,这会对铝-钢的焊接造成非常大的困难。由于铝的熔点为 660℃,比钢低 700～900℃，在焊接时，所以熔点低的铝会被先熔化，此时由于钢仍未熔化，由于铝与钢的密度差别较大，熔池中的铝就会浮在钢上面， 冷却结晶后就会造成焊缝成分的不均匀，造成的结果就是接头性能的不均匀；铝和钢之间的线膨胀系数相差非常大，这将导致在焊接接头中产生较大残余应力，会导致产生焊接裂纹。另外，由于铝及其合金在空气中易氧化生成氧化物保护膜，难熔还不导电，焊接时容易造成未熔合、夹渣并使焊接过程变得极不稳定。钢与铝的焊接具有如下特点[3]：铁在固态铝中的溶解度非常的小，室温下基本是不溶于铝的；由于冷却过程中会出现 FeAl3、FeAl2、Fe2Al5等脆性很大的金属间化合物，从而使得焊缝强度和硬度提高，但是塑性下降，从而导致结合区呈脆性，并且具有结晶长大及破坏接头的倾向。为实现铝-钢的可靠连接就需要克服铝及铝合金表面的氧化膜对连接的阻碍作用，以及使铝合金与钢的界面上不生成或减少脆性金属间化合物[4]。总之，铝-钢结构的焊接性比较差，一般焊接方法是很难获得良好的焊接接头。
表1.1 钢和铝的主要物理特性
特性
热导率/
W(mK) -1
比热容/
J(kgK) -1
密度/
kg/cm3
熔点/℃
沸点/℃
钢
铝
66.7
217.7
481.5
899.2
7880
2700
1536
660
2450
2519
1.2 压焊
压焊就是在焊接的过程中，对焊件施加一定的压力(加热或不加热)以完成焊接的方法。在焊接铝和钢时，常用到爆炸焊、磁脉冲焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等方法。
1.2.1 爆炸焊
王建民等人[5]采用 2mm 厚的纯铝1060 作为中间过渡层，选用三种不同的工艺参数对5083 铝合金和 Q235 钢进行了爆炸焊接。作者认为铝-钢复合板的界面形成一种直接结合与波状结合的混合结合方式，界面发生冶金反应，产生了脆性金属间化合物。在铝-钢结构的爆炸焊接中宜采用小药量焊接，以便提高爆炸复合板的强度。利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。20世纪50年代末期,在用爆炸成形方法加工零件时,发现零件与模具之间产生局部焊合现象，由此产生了爆炸焊接的方法，如图1所示。爆炸焊接时,通常把炸药直接敷在覆板表面,或在炸药与覆板之间垫以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与基板之间一般留有平行间隙或带角度的间隙，在基板下垫以厚砧座。炸药引爆后的冲击波压力高达几百万兆帕，使覆板撞向基板，两板接触面产生塑性流动和高速射流，结合面的氧化膜在高速射流作用下喷射出来，同时使工件连接在一起。爆炸焊分点焊、线焊和面焊。接头有板和板、管和管、管和管板等形式。所使用炸药的爆轰速度、用药量、被焊板的间隙和角度、缓冲材料的种类、厚度、被焊材料的声速、起爆位置等，均对焊接质量有重要影响。爆炸焊所需装置简单，操作方便，成本低廉，适用于野外作业。爆炸焊对工件表面清理要求不太严，而结合强度却比较高，适合于焊接异种金属，如铝、铜、钛、镍、钽、不锈钢与碳钢的焊接，铝与铜的焊接等。爆炸焊已广泛用于导电母线过渡接头、换热器管与管板的焊接和制造大面积复合板。
图1 爆炸焊示意图
1.2.2 磁脉冲焊
磁脉冲焊是在磁脉冲成形技术的基础上发展起来的一种快速、无接触的新型固态连接方法。在焊接过程中是不需要添加填充金属和保护气体的，无飞溅、烟尘，几乎没有热影响区，可以用来焊接异种难焊金属，获得性能优良的焊接接头，防止或减少金属间化合物的产生，得以显著提高接头强度和耐蚀性能[6]。明珠等人[7]用磁脉冲连接的方法对 6061铝合金与 304 不锈钢管进行了焊接。作者认为磁脉冲连接铝合金和不锈钢的界面呈冶金结合，选择大小合适的能量非常重要，冲击速度较低时很难形成冶金结合；能量太大、高冲击速度，又会导致界面过度熔化、生成金属间化合物、降低焊接接头的性能。Lee Kwang-Jin 等人[8]研究了低碳钢 SPCC 与 A6111铝合金异种材料的磁脉冲焊接工艺方法以及焊缝的微观组织和力学性能，获得了良好的焊接接头。拉伸试验结果表明，焊缝断裂位置位于低碳钢母材上，焊缝的界面是过渡组织，在组织中观察到了中间层，中间层是由细晶铝(约 100nm)、超精细的金属间化合物和细晶铁共同组成的多相结构。
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