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技术帖|提高铝钢焊接接头力学性能的研究现状

焊割在线2018-11-07 14:47:16

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今日技术帖

摘要:铝钢复合结构具有强度高、耐腐蚀、质量轻等优点,在航空航天、船舶、汽车制造等领域引起了广泛关注,应用前景良好。然而铝、钢两种材料的热物理性能差异大,且两者之间的固溶度低,在连接过程中Al、Fe 原子相互作用极易生成脆性的Al-Fe 金属间化合物,从而降低接头的力学性能,极大限制了铝/钢异种复合结构件在工业生产中的应用。为了增加液态铝在钢表面的润湿铺展性,以及有效控制铝钢界面Al-Fe 金属间化合物的生长,国内外学者主要从添加合金元素和镀层两方面进行研究,以期获得成形良好且符合一定力学性能要求的铝钢接头。


关键词:焊接;铝钢界面;合金元素;镀层

前言


  在提倡节能减排、低碳生活的今天,如何更好地实现汽车的节能、环保是全球汽车制造商们亟待解决的问题。汽车车身在整车质量中占30%,要实现汽车轻量化应当从减轻车身质量出发;而铝合金相对密度小、比强度高、导热性好,是汽车轻量化技术中使用最广泛的轻量化材料。但采用纯铝车身的成本远高于传统钢制车身,且在安全性方面全铝车身结构弱于传统钢制车身,而铝钢复合材料能够很好地解决以上问题,且铝钢复合结构因强度高、耐腐蚀、质量轻等优点,在航空航天、船舶等领域也引起了广泛关注,应用前景良好。


  然而铝、钢两种材料的热物理性能差异大,且两者之间的固溶度低,在连接过程中Al、Fe 原子相互作用极易生成脆性的Al-Fe 金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs),从而降低接头力学性能,极大限制铝/钢异种复合结构件在工业生产中的应用[6-8]。为了增加液态铝在钢表面的润湿铺展性,并有效控制铝钢界面Al-Fe 金属间化合物的生长,以此来获得力学性能良好的铝钢焊接接头,国内外学者主要从添加合金元素和镀层两方面进行研究。


1

措施



1.1 合金元素的影响


  铝的熔点为660 ℃,远低于钢的熔点,在焊接过程中,铝熔化为液态时,钢还没有熔化,仍处于固态,且两者间的密度相差很大,若钢完全熔化时,液态铝因密度低会漂浮在钢水上面,冷却结晶后焊缝分布不均匀,焊缝性能不达标。由于铝和钢的熔点、导热性等物理性能的差异,用熔钎焊连接铝/钢,铝熔化而钢不熔化,在连接界面处易产生FeAl3、Fe2Al5 等脆硬金属间化合物,影响铝钢接头的力学性能。近年来,国内外许多学者深入研究了铝钢异种金属的连接,涉及到压焊、钎焊、熔焊等各种方法,但不论采用哪种焊接方式,焊接材料对焊接接头的性能都起着至关重要的作用,因此许多学者通过在铝钢焊接过程中添加其他合金元素来改善液态铝在钢表面的浸润铺展作用,抑制Al-Fe 金属间化合物的形核生长和细化晶粒以及形成细小的金属间化合物组织,从而提高接头的力学性能。目前,常采用Si、Zn、Cu、Mn、Ag 等合金元素作为铝钢焊接时的填充材料,因为这些元素与铝和铁均有着良好的结合性。


  北京航空航天大学的于文花等人在Al-Si 钎料中添加Cu、Ni 元素,研究Cu、Ni、Si 对Al 基钎料性能的影响。合金元素Cu,Ni,Si 含量对钎料熔点的影响如图1 所示,结果表明,随着Cu、Si 合金元素含量的增加,钎料的熔点大大降低,而Cu、Ni、Si 合金元素的添加对钎焊接头抗剪性能的影响不明显。



  日本大阪大学的Taichi MURAKAMI等人采用直流脉冲MIG 电弧熔钎焊,用Al-Si 药芯焊丝对SPCC钢与A1050P-H24 铝合金进行直流脉冲MIG 电弧搭接焊。试验表明,在接头界面主要形成了Al7.4Fe2Si 三元化合物。研究发现,通过控制焊缝的化学成分能够抑制金属间化合物层厚度,使其小于2.5 μm,此时铝钢焊接接头的抗拉剪强度可达80 MPa,是铝合金母材的约70%。


  哈尔滨焊接研究所雷振等人采用大光斑Nd:YAG+MIG 电弧复合热源实现铝合金和镀铝钢、镀锌钢以及非镀层钢的优质高效连接。研究发现合金元素Zn、Sn 能够降低液态钎料与钢之间的表面张力,从而有效提高了液态钎料在钢表面的流动性和浸润铺展性。同时还发现Sb 能够提高铝钢接头的强度,稀土La 有效改善了金属间化合物的塑性,从而提高铝钢接头的力学性能。


  Jacome 等人采用4 种不同成分的的铝基焊丝(Al99.5,AlMn1,AlSi5,AlSi3Mn1)进行了铝合金与镀锌钢板对接焊接,研究焊丝成分对接头化合物层特征及接头性能的影响。发现添加Si 元素能够在金属间化合物层形成早期抑制其生长,但Si 元素容易导致焊缝裂纹和气孔的出现,从而影响接头的力学性能。而Mn 元素细化了金属间化合物晶粒尺寸,提高了接头的强度。


  澳大利亚皇家理工大学的A Boag等人研究发现Cu、Mn 等元素能固溶于Fe-Al 金属间化合物中,可以改善脆硬的金属间化合物的力学性能。


  哈尔滨工业大学宋建岭等人研究了合金元素改善铝钢接头性能,分别论述添加合金元素的基本原则以及合金元素的作用和添加量。合金元素的添加会降低焊接材料的熔点,确保铝在钢侧有好的浸润性和铺展性;合金元素能抑制化合物层生长,改变金属间化合物的形态及分布;合金元素起到变质处理及形核剂作用,达到细化晶粒以提高接头性能的目的。Si 元素可以降低焊丝熔点,增加其在钢表面的浸润性、铺展性,且焊料中w(Si)一般在5%~12%范围内。Zn 能改善焊料在钢表面的浸润性,提高接头强度,其添加量视具体的焊接方法而定。


  大连理工大学董红刚等人研究了硅和铜元素对铝/镀锌钢接头性能的影响,认为Si 元素能够抑制金属间化合物层的生长。Si 元素对铝/镀锌钢接头形貌的影响如图2 所示,随着Si 含量增加,金属间化合物层厚度减小,同时Si 元素的加入可以改善接头界面区的柱状晶组织。而对于Cu 元素而言,当其含量大于一定值时,金属间化合物层的厚度增加。


  兰州理工大学石玗等人研究了Si、Mg 元素对脉冲旁路MIG 电弧焊铝/钢接头性能的影响。研究发现Si 在焊接过程中参与化学反应,生成Al-Fe-Si 三元金属间化合物,减小Fe 原子向Al-Fe-Si 三元金属间化合物中扩散,从而抑制Fe2Al5 的形成,有利于减小金属间化合物层的厚度,而Mg 不参与Al-Fe 金属间化合物的形成。且通过拉伸试验可知,采用铝硅焊丝其焊接接头的强度大于使用Al-Mg 焊丝的强度。


  湖南大学周惦武等人研究了Mn 和Zr 元素对铝钢激光焊接接头的影响,认为添加Mn、Zr 元素能够提高接头的抗剪能力,且Zr 元素的作用较为明显(见图3)。同时,Mn 元素提高了熔池金属的流动性,而Zr 元素可以细化焊缝区晶粒,形成新的韧性相ZrFe33Al13,均有利于提高接头的力学性能。



1.2 镀层影响


  在铝合金及钢表面沉积过渡层,既能阻止Fe-Al脆性金属间化合物的生成,又能保证钎料在两种金属表面充分润湿。为了提高铝钢异种接头的焊合率、降低焊接温度以及减少脆硬化合物相的生成量,通常选用Ag、Cu、Ni 等箔或镀层作为阻隔层。国内外学者对于采用过渡层来改善铝钢接头的性能方面进行了大量研究。



  哈尔滨工业大学冯吉才等人研究了通过添加Cu 夹层对LF2 铝合金/Q235 钢进行电子束焊接,希望以此来控制焊缝区域Fe-Al 脆性化合物的生成。但研究结果发现,Cu 夹层不能有效阻止脆性相的生成,且接头最高抗拉强度仅为75 MPa,接头成形不良,接头成形如图4 所示。



  江苏大学的吴铭方等人对6016 铝合金/镀银层/lCrl8Ni9Ti 不锈钢进行了扩散钎焊连接,探讨铝钢界面金属间化合物的生长行为。研究发现,连接界面由不锈钢侧的Fe-Al 化合物层、铝侧的Ag(Al)固溶体以及中心区域Ag-Al 化合物和Ag(Al)固溶体的混合结构组成。在金属间化合物产生的过程中,由于Al 原子扩散路径的缘故,首先产生Ag-Al 金属间化合物,Fe-Al 金属间化合物延迟产生。


  上海交通大学的吕学勤等人通过在不锈钢表面电刷镀Ni/Cu 过渡层,与铝合金进行钎焊连接。结果表明,Ni/Cu 复合镀层降低了Al 及Fe 原子的互扩散现象,阻止了金属间化合物的生长。Cu 镀层与钎缝之间生成了少量组织不连续的化合物相,脆硬相对接头力学性能的影响较小,接头的剪切强度可达33.6 MPa。


  赵祖林等人在1Crl8Ni9Ti 不锈钢和6063 铝合金接触反应钎焊过程中采用了Ag-Ni 复合过渡层。结果表明,采用Ag-Ni 复合过渡层焊接过程中应严格控制保温时间,恰当的保温时间有利于获得性能优良的接头。当钎焊时间较短时,镍层阻碍了脆性金属间化合物的形成和长大,钎缝接头组织由铝合金侧Al 基固溶体与Al-Ag 金属间化合物构成;而当钎焊时间较长时,Ni 层阻隔作用消失,Ni 层逐渐熔合于液态钎料中,Al-Ag 化合物含量明显增加,显著降低了接头力学性能。


  哈尔滨工业大学的赵振清等人通过在铝合金表面电刷镀镍、铜及SnPb 钎料合金实现了铝合金的直接低温钎焊。研究发现,镀层与基体结合良好,接头剪切强度最高可达20 MPa,镀镍阻挡层可以有效地增加Sn 基钎料钎焊铝合金焊缝的抗腐蚀性能。


  哈尔滨工业大学的张智慧等人在铝基复合材料表面溅射Cu 后并采用SnAgCu 钎料进行真空钎焊。研究发现焊缝组织致密,接头的最高剪切强度可达9.15 MPa,在靠近Cu 层的复合材料的表层发生断裂。在2024 铝基复合材料表面镀镍时,一些颗粒增强相提高了焊缝强度,Ni 层减小了化合物层厚度提高了焊点的可靠性。


  Zhu 等人对表面镀用化学镀Ni-P-Cu 合金层的YT15 硬质合金与不锈钢进行钎焊。研究发现,合金镀层增强了硬质合金与碳钢的钎焊性能。化学镀时,采用PH=11,浓度为1.254 g/L 的CuSO4 溶液,在温度为90 ℃时进行沉积,获得了均匀致密的Ni-P-Cu 镀层,与硬质合金基体及黄铜钎料形成良好的冶金结合,接头的剪切强度最高可达480 MPa。


  哈尔滨工业大学的徐家富等人在Al2O3 陶瓷表面化学镀镍后与5A05 铝合金进行真空钎焊。结果表明,当钎焊温度为570 ℃、保温时间为15 min时,可获得力学性能良好的钎焊接头,其抗拉强度可达25 MPa。同时发现钎焊保温时间对连接界面金属间化合物的形态和分布有很大影响。随着保温时间的延长,界面反应时间延长,过多的Ni 参与界面反应,镀Ni 层与Al2O3 之间的“锁扣效应”消失,导致接头力学性能降低。


  王奇娟等人在研究热管的钎焊时,首先对铝合金进行化学镀镍预处理,并采用锡基钎料和活性钎剂对镀镍铝合金及不锈钢进行软钎焊。研究表明,当镀镍层厚度10 μm、钎焊温度220 ℃、钎缝间隙0.2~0.5 mm 时,所得热管钎焊结构接头力学性能及传热性能良好。


  Tan 等人在镍板表面电镀金后进行精密电阻钎焊,研究发现,焊接电流大小影响接头的连接机制。随着电流的不断增加,镀金镍板由固相连接转化为固相连接与钎焊连接相结合的连接机制,以及固相连接、钎焊以及熔焊的混合连接机制,在大电流下得到的镀金镍板钎焊接头,接头中无熔核形成,其强度高于无镀层镍板接头。


2

结论


  铝/钢焊接接头界面形成的金属间化合物对焊接接头的力学性能影响很大。因此,主要从添加合金元素和镀层两方面入手,研究铝/钢焊接接头界面金属间化合物的相成分、种类、微观组织分布和形成过程,以及金属间化合物层厚度,以获得成形良好且符合一定力学性能要求的铝钢接头。


本文编辑:糖糖

本文来源于网络,由焊割在线整理发布。


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