鋁合金與鍍鋅鋼薄板熔釬焊接頭組織與力學性能

李玉龍,姜智超,禹業(yè)曉

(南昌大學機電工程學院機器人與焊接自動化重點實驗室,南昌330031)

鋁合金與鍍鋅鋼薄板熔釬焊接頭組織與力學性能

李玉龍,姜智超,禹業(yè)曉

(南昌大學機電工程學院機器人與焊接自動化重點實驗室,南昌330031)

為了對鋁合金和鍍鋅鋼板進行優(yōu)質高效焊接,采用Fronius冷金屬過渡焊接機對鍛鋁6061和SPCC鍍鋅鋼板進行了熔釬焊實驗。焊接實驗結果表明可以采用專家系統(tǒng)提供的參數(shù)進行焊接獲得成型良好的接頭;組織分析表明接頭界面可以分為邊緣富鋅區(qū)、鋁熔化區(qū)和鋁鋼界面反應層三個反應區(qū)。能譜分析結果表明邊緣富鋅區(qū)主要組成元素是鋅和鋁,鋁鋼之間的反應層主要是Fe2A l5反應相;接頭上的缺陷主要有氣孔、冷隔和低熔共晶縮孔。力學性能測試結果表明:鋁、鋼熔釬焊接頭強度達到80M Pa;Fe2A l5反應相平均硬度HV 410,鍍鋅鋼母材的平均顯微硬度HV 130,鋁熔化區(qū)的平均顯微硬度HV 55。

鋁合金;鍍鋅鋼;熔釬焊;組織;力學性能

由于“鋁+鋼”異種金屬結構具有輕質、高強、良好的導熱導電性能等優(yōu)點,在工業(yè)產(chǎn)品中應用越來越多,特別是在汽車行業(yè)中更是得到了特別關注[1,2]。采用摩擦焊、超聲波焊、擴散焊和冷壓焊等壓焊方法對鋁和鋼焊接,可以得到良好的接頭,但這些方法共同的缺點就是焊件形狀受到限制[3-6];采用一般熔化焊接方法,由于鋼與鋁的物理化學性能相差很大,兩者之間的焊接困難較大[5,6]。國內(nèi)外研究人員對鋁和鋼的熔2釬焊進行了實驗研究,在這種方法中,低熔點的鋁板熔化,同時保持鋼板為固態(tài),借助熔融鋁的潤濕鋪展形成搭接接頭實現(xiàn)兩者之間的連接。比較有代表性的鋁鋼熔釬焊方法包括直流脈沖M IG電弧釬焊[7]、激光YAG +M IG復合熱源熔釬焊[8,9]、TIG電弧釬焊[10]以及CM T(Cold Metal Transfer)冷金屬過渡熔釬焊[11]。其中CM T熔釬焊的方法熱輸入量比一般的熔化焊方法要少得多,并且容易實現(xiàn)自動化焊接,特別適用于汽車工業(yè)。本工作進行了鍍鋅鋼和鋁合金薄板的焊接實驗,研究了鋁合金和鍍鋅鋼熔釬焊工藝、焊接接頭組織特征、焊接缺陷以及力學性能。

1 實驗材料及設備

實驗所用的母材為鍛鋁6061和鍍鋅鋼板SPCC,兩者的性能分析如表1所示。鍍鋅鋼板和鍛鋁母材焊前組織觀察表明,鍍鋅鋼板基體成分近工業(yè)純鐵,室溫下為鐵素體組織;鍛鋁基體上分布著點狀、棒狀增強相。鍛鋁和鍍鋅鋼板焊接試件幾何尺寸均為300mm×55mm,厚度為111mm,焊件搭接。焊絲選用<112mm的A lSi5焊絲。焊接設備為奧地利Fronius公司的CM T5000i2M IG焊機。焊接過程采用氬氣保護,其流量為15L/min。

表1 鋁、鋼性能Table 1 Propertiesof the A l and steel

2 焊接工藝實驗

Fronius CM T焊機內(nèi)置優(yōu)化的專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),焊接電壓、焊接電流不能隨意改動,它們與送絲速率一一對應,通過改變送絲速率,可以使焊接電壓和焊接電流同時改變,簡單易行方便操作;同時也可以改變電弧長度和脈沖來修正并微調焊接電流和焊接電壓,以達到滿意的焊接效果,給人們一個方便快捷的操作環(huán)境。選定母材為鋁、鋼薄板后,設備專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以提供參考焊接參數(shù)數(shù)據(jù),按照參考參數(shù),鍛鋁6061和鍍鋅鋼板SPCC可獲得良好的焊接成型。圖1所示為成型良好的鋁、鋼熔釬焊接頭宏觀形貌照片。其中的送絲速率、焊接電流、焊接電壓分別為:(A)3.9m/min, 6910A,12.0V;(B)4.0m/min,73.0A,12.1V;(C) 411m/min,76A,12.3A;(D)4.2m/min,79A,1213V。

圖1 鍍鋅鋼板和鍛鋁熔釬焊宏觀照片F(xiàn)ig.1 Themacro photos of melting brazed galvanized steel and forged aluminum

3 接頭組織及性能

3.1 接頭組織特征及形成分析

圖2 鍍鋅鋼板和鍛鋁熔釬焊接頭組織特征(a)整體低倍;(b)熔釬焊邊緣富鋅區(qū);(c)富鋅區(qū)與鋼的界面;(d)鋁熔化區(qū)與鋼界面Fig.2 Microstructure character of the galvanized steel and forged aluminum brazed joints (a)low magnification;(b)marginal Zn2rich area;(c)interface of the Zn2rich zone/steel;(d)interface of themelted Al zone/steel

鍛鋁的熔點為610℃,鋼的熔點為1500℃,熔點差別很大,在電弧的作用下只有鋁熔化,而鍍鋅鋼板幾乎沒有熔化(可能局部微熔),鋁在鋼板表面潤濕鋪展形成接頭。圖2(a)所示為熔釬焊接頭沿垂直于焊縫方向的SEM切面照片,從圖2(a)中可見接頭宏觀上可分為鋁熔化區(qū)、鋁與鋼界面反應區(qū)和熔釬焊邊緣富鋅區(qū)。其中鋁熔化區(qū)是由熔化的鋁和鋁硅焊絲相互熔合,降溫冷卻結晶后所形成的區(qū)域;鋁與鋼界面反應區(qū)是熔化的鋁和未熔化的鋼板之間相互作用在加熱條件下形成界面的反應層;熔釬焊邊緣主要是由鍍鋅鋼板上沒有揮發(fā)的鋅富集所形成的。圖2(b)所示為邊緣富鋅區(qū)的形貌,富鋅區(qū)由灰色的樹枝晶和枝間的黑色網(wǎng)狀相組成。能譜分析結果表明在這一區(qū)域中含有較多量的A l和Zn,而只有很少量的Fe和Si元素,灰色樹枝晶鋁鋅原子比4∶1,黑色網(wǎng)狀相鋁鋅原子比10∶1。焊接進行過程中,電弧邊緣溫度較低,聚集的鋅和鍍鋅鋼板上的鋅只發(fā)生熔化沒有揮發(fā)并被保留了下來,在熔化的鋁的推動下,聚集在接頭的一側形成富鋅區(qū)。由于鋅與鋁的相互作用阻隔了鐵鋁相互作用,而且在電弧邊緣溫度較低,因此在富鋅區(qū)與鋼之間幾乎沒有反應層,如圖2(c)所示。圖2(d)所示為鋁熔化區(qū)以及鋁熔化區(qū)與鋼的界面,從圖2(d)中可見鋁熔化區(qū)主要是鋁的基體和鋁硅共晶組織,鋁鋼界面上有明顯的反應層。C,D兩點的能譜分析結果顯示,反應層主要是Fe,A l元素和少量的Si,鐵鋁原子比接近2∶5,該反應層可能為Fe2A l5。

3.2 焊接缺陷及其形成

對接頭界面組織進行了觀察,發(fā)現(xiàn)接頭的缺陷包括氣孔、冷隔和低熔共晶縮孔,并且這些缺陷主要集中在接頭上部,如圖3所示。

圖3 鋁和鍍鋅鋼板熔釬焊接頭組織中的缺陷(a)缺陷聚集;(b)氣孔形貌;(c)冷隔;(d)低熔縮孔Fig.3 The defects of aluminum and galvanized steel brazed joints (a)defect cluster;(b)appearance of the blow hole;(c)cold shut;(d)low melting shrinkage

氣孔大部分集中在熔化區(qū)的頂部及其邊角區(qū)域,氣孔的直徑大小一般100μm左右。氣孔形成的原因可能有兩個:一是由于鋁合金母材表面的氧化膜容易吸附水分、油脂等污染,焊接過程中分解產(chǎn)生氣體(氫氣、氧氣等),焊縫冷卻時沒有及時的逸出而形成了氣孔;第二是由于鋅揮發(fā)。鋅的熔點約為420℃,沸點溫度為906℃,高溫電弧接觸到鍍鋅鋼板上時中心部分的鋅就揮發(fā)了,由于焊接熱循環(huán)的瞬態(tài)作用,不足以使全部的鋅蒸汽從焊縫中逸出而形成了氣孔。

在鋁熔化區(qū)中靠近焊縫的表面處還發(fā)現(xiàn)了少量的冷隔,呈不規(guī)則圓形,冷隔與周圍金屬存在明顯的分界內(nèi)部含有較多的雜質,如圖3(c)所示。能譜分析表明冷隔內(nèi)含有較多的Si元素。在CM T法焊接過程中,送絲機周期性回抽焊絲,熔滴與焊絲之間存在著半熔化狀態(tài)的焊絲球有可能進入熔池中。由于CM T法是在短路狀態(tài)下熔滴過渡,熱量輸入低,熔池溫度不夠高,表面溫度更低,熔池表面不足以使固態(tài)焊絲球熔化。在冷卻結晶過程中,晶粒就以焊絲球或其他夾雜物為晶核優(yōu)先長大,而較早完成結晶過程,因此在焊縫形成后該晶粒就會與其他晶粒在晶界處產(chǎn)生明顯分界線,而形成冷隔。

在鋁熔化區(qū)中靠近焊縫的表面處還發(fā)現(xiàn)了少量的低熔共晶縮孔,縮孔輪廓沿著鋁硅共晶花紋,呈不規(guī)則形狀。這些縮孔的產(chǎn)生是由于鋁熔化區(qū)結晶過程中,結晶前沿溶質的重新分配導致局部成分達到低熔點共晶成分,而在已經(jīng)凝固區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生共晶液相,繼續(xù)降溫,體積收縮而無液體補充,從而形成低熔共晶縮孔。

綜上所述,在鋁和鍍鋅鋼板熔釬焊接頭中存在氣孔、冷隔和低熔縮孔等焊接缺陷,這些焊接缺陷主要存在于鋁熔化區(qū)的上部,所以對焊接接頭的性能影響不大。

3.3 接頭力學性能

為了測試鋁和鍍鋅鋼板熔釬焊接頭力學性能,進行了拉剪實驗。在焊件接頭上沿垂直焊縫方向切割取出70mm×12mm的條形試樣,并保證焊縫處于試樣中部。拉伸實驗在INSTRON 1100電子萬能實驗機上進行,溫度條件:室溫26℃,拉伸速率:1mm/ min。拉剪5個試樣,接頭均斷在鋁合金母材的熱影響區(qū);強度分別為78,86,70,82,84M Pa,平均強度為80M Pa。

對接頭界面的反應區(qū)和反應相進行了顯微硬度測試,結果顯示前面所述的Fe2A l5反應層的平均顯微硬度為HV 470,鍍鋅鋼母材的平均顯微硬度HV 130,鋁熔化區(qū)的平均顯微硬度HV 55,顯微硬度的測試進一步從硬度上確認上述鋁鋼界面反應層是金屬間化合物。

4 結論

(1)對于鋁、鍍鋅鋼薄板的熔釬焊可以采用焊機附帶的專家系統(tǒng)提供的參數(shù)進行焊接,對推薦的參數(shù)進行微調可以獲得成型良好的接頭。

(2)組織分析表明接頭界面可以分為邊緣富鋅區(qū)、鋁熔化區(qū)和鋁鋼界面反應層三個反應區(qū)。能譜分析結果表明邊緣富鋅區(qū)主要組成元素是鋅和鋁,鋁鋼之間的反應層主要是Fe2A l5反應相。

(3)在鋁鍍鋅鋼板接頭上的焊接缺陷主要有氣孔、冷隔和低熔共晶引起的縮孔,由于這些缺陷主要集中在鋁熔化區(qū)的上部,對力學性能影響不大。

(4)鋁、鋼熔釬焊接頭強度達到80M Pa;Fe2A l5反應相平均硬度HV 410,鍍鋅鋼母材的平均顯微硬度HV 130,鋁熔化區(qū)的平均顯微硬度HV 55。

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M icrostructure and Mechanical Properties of the Welding2brazed Joint fo r the A luminium and Galvanized Steel Sheet

L I Yu2long,JIANG Zhi2chao,YU Ye2xiao
(Key Lab of Robot&Welding Automation,School of Mechanical&Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Fo r joining alum inium and galvanized steel sheet w ith high efficiency and quality,the 6061 aluminium sheet and SPCC galvanized steel sheet were w elding2brazed using Fronius cold metal trans2 fer(CM T)equipment.Results show that the samp le can be w ell w elded using the p roposed parame2 ters of expert system;cross2section of the joint can be divided into three zones:the Zn2rich zone,the aluminium melted zone and the reaction layer between aluminium and steel;EDS results show that the Zn2rich zone ismainly composed of Zn and A l,and the reaction phase in the reaction layer between a2 luminium and steel is Fe2A l5.There are flaw s in the joint,such as blow holes,cold lap s and eutectic shrinkage cavities.Tensile tests show the average joint strength value w as up to 80M Pa;hardness tests show the average hardnessof the Fe2A l5layer,the galvanized steel and themelted aluminium are HV 410,HV 130 and HV 55,respectively.

alum inium alloy;galvanized steel;w elding2brazing;microstructure;mechanical p roperty

TG454

A

100124381(2010)1020082204

江西省自然科學基金資助項目(2008GQC0013);江西省教育廳科技項目(GJJ10033)

2010206220;

2010207220

李玉龍(1978—),男,副教授,工學博士,研究方向為光纖智能金屬結構、釬焊、熔焊成型,聯(lián)系地址,江西省南昌市紅谷灘新區(qū)學府大道999號,南昌大學機電工程學院(330031),E2mail:liyulong1112ster @gmail.com