鋁與奧氏體不銹鋼的火焰釬焊

趙 霞， 孫永鑫

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

0 引言

鋁及鋁合金與不銹鋼具有相互彌補(bǔ)的物理化學(xué)性質(zhì)，兩者的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，如航天推進(jìn)器的熱管結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管結(jié)構(gòu)、鋁合金與不銹鋼復(fù)合管接頭、筒體結(jié)構(gòu)等[1]。鋁及鋁合金與不銹鋼熔焊連接時(shí)接頭易產(chǎn)生脆性化合物，接頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形開(kāi)裂，降低了其塑性及韌性。另外，在鋁表面易形成難熔的氧化膜(Al2O3)，阻礙液態(tài)金屬的結(jié)合，焊縫易產(chǎn)生夾渣。焊接溫度過(guò)高易造成鋁(鋁合金)的熔化，且在熔池中產(chǎn)生脆性化合物[2]。因此，鋁材與異種金屬進(jìn)行焊接時(shí)必須采用釬焊。

鋁及鋁合金與不銹鋼釬焊的困難在于兩者物理化學(xué)性能差異大，熔點(diǎn)懸殊，不易選用適當(dāng)?shù)拟F焊方法和釬料、釬劑，必須采用中間金屬過(guò)渡層的方法[3－4]。因此，文中實(shí)驗(yàn)首先在不銹鋼的表面熱浸鍍一層ZL102鋁合金，嘗試通過(guò)預(yù)鍍覆改善釬料在工件上的潤(rùn)濕性，以期達(dá)到改善焊接接頭性能的目的。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)基材選奧氏體不銹鋼板(1Cr18Ni9Ti)和純鋁板(1060)，尺寸均為100 mm×20 mm×4 mm。熱浸鍍工藝流程為:堿洗除油—酸洗除銹—助鍍—烘干—Z102鋁液浸鍍—冷卻。熱浸鍍溫度為810℃，浸鍍時(shí)間為6 min。熱浸鍍鋁設(shè)備采用高溫箱式電阻爐和石墨坩堝。實(shí)驗(yàn)采用“S”型吊鉤將奧氏體不銹鋼板懸浸于鋁液中進(jìn)行。

火焰釬焊工藝流程為:焊前準(zhǔn)備—焊接—焊后處理。選用HL401釬料和QJ201釬劑。接頭形式為搭接，搭接長(zhǎng)為10 mm，裝配間隙0.1～0.3 mm。火焰釬焊設(shè)備為H01－6焊炬。

用WV－CP240EX金相顯微鏡和MX－2600FE型掃描電鏡進(jìn)行組織觀察，用MHV2000型顯微維氏硬度儀測(cè)試硬度分布，用CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)床對(duì)焊后試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰釬焊焊接工藝

2.1.1 焊前準(zhǔn)備

鍍鋁不銹鋼板和鋁板的表面Al2O3氧化膜致密難除，為保證釬焊時(shí)良好去膜，焊前除清理表層油污外，需用鋼絲刷仔細(xì)打磨，將氧化膜盡量清理干凈，以避免焊接時(shí)出現(xiàn)缺陷。

受熱浸鍍鋁工藝影響，不銹鋼熱浸鍍鋁表層不平整，在鋼絲刷打磨時(shí)要盡量保證表面平整度和粗糙度均勻，使裝配后各處間隙一致。

釬縫間隙值對(duì)釬焊接頭性能有很大的影響，正確選擇釬縫間隙是獲得優(yōu)質(zhì)接頭的重要前提。間隙偏大，毛細(xì)作用減弱，重力作用增加，造成釬料消耗增加和流失;間隙偏小，釬料填縫困難，釬縫內(nèi)氣體、釬劑殘?jiān)y以排出，造成釬縫不連貫、不致密。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，考慮母材及釬料、釬劑的影響，裝配間隙控制在0.1～0.3 mm。

搭接長(zhǎng)度，是保證接頭與母材具有相等承載能力的關(guān)鍵。在生產(chǎn)實(shí)際中，對(duì)強(qiáng)度較高的釬焊的接頭，搭接長(zhǎng)度通常取為薄件厚度的2～3倍，強(qiáng)度低的釬焊接頭，搭接量取薄件厚度的4～5倍，但一般不大于15 mm。因?yàn)榇罱恿窟^(guò)大釬料很難填滿(mǎn)間隙，易形成大量缺陷，影響釬焊質(zhì)量。綜合考慮該實(shí)驗(yàn)情況，搭接長(zhǎng)度選取為(10±0.5)mm。

該實(shí)驗(yàn)選用HL401釬料和QJ201釬劑。釬焊時(shí)，將釬劑用純水稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的懸浮液，用小毛筆蘸取刷在釬縫部位和釬料絲上。

2.1.2 焊接及焊后處理

裝配完畢后點(diǎn)火并調(diào)整火焰，對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱。釬焊時(shí)，為防止釬料和母材氧化，采用微還原火焰外焰進(jìn)行焊接。

焊接過(guò)程中，由于鋁的熔點(diǎn)較低(660℃)，如果火焰傾角過(guò)大，熱輸入量過(guò)大，會(huì)造成釬縫處溫度超出母材熔點(diǎn)，鋁板一側(cè)會(huì)立即熔透塌陷變形，造成焊接失敗。因此，火焰傾角應(yīng)控制在20°左右，且火焰中心不能一直對(duì)準(zhǔn)釬縫，而應(yīng)不時(shí)抬起，以減少熱輸入。

焊接完成后，將試樣自然冷卻至100℃以下，再放入清水中清洗，用毛刷刷干凈試樣表層殘?jiān)脽崴磸?fù)沖洗，清理表層釬料、釬劑殘留物，防止腐蝕。

2.2 金相組織

2.2.1 熱浸鍍鋁組織

圖1為不銹鋼熱浸鍍鋁掃描電鏡照片。由圖1可見(jiàn)上部區(qū)域?yàn)椴讳P鋼基體，中部為鐵鋁合金層，下部為富鋁層。

鋼的熱浸鍍鋁是鋁與鐵之間相互浸潤(rùn)、熔化、擴(kuò)散、生長(zhǎng)的過(guò)程。熱浸鍍鋁層由Al和FeAl2相組成[5]。由圖1可見(jiàn)，鍍層存在明顯的分層現(xiàn)象，與基體呈冶金結(jié)合。表層為富鋁層，厚度約為30 μm，這是試樣從鋁液中提取時(shí)黏附在鍍件表面的鋁合金液凝固而成的;次層為Al、Fe原子擴(kuò)散生成的金屬間化合物層(即鐵鋁合金層)，鐵鋁合金層均勻平坦，厚度較薄，大約只有 20 μm，這是因?yàn)榛w中的 Ni、Cr、Ti對(duì)金屬間化合物的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，降低了鐵鋁合金層厚度。但整個(gè)熱浸鍍層厚度足以保證釬焊時(shí)鍍層向釬料的溶解以及對(duì)釬縫的支撐作用。

圖1 不銹鋼熱浸鍍鋁掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 Stainless steel hot-dip aluminum scanning electron micrograph

2.2.2 釬縫組織

圖2為釬焊接頭顯微組織金相觀察。由圖2可知，釬縫顯微組織可分為四個(gè)區(qū)域:鋁母材區(qū)、釬縫區(qū)、熱浸鍍鋁區(qū)和不銹鋼區(qū)。

圖2 釬焊接頭顯微組織金相照片F(xiàn)ig.2 Brazed microstructure photomicrograph

圖2a為鋁母材與釬縫界面，上部為鋁母材，下部為釬縫組織。純鋁組織與釬縫均勻無(wú)明顯缺陷。界面處，釬料與母材鋁層相互擴(kuò)散，有一條明顯的亮銀色窄區(qū)，與釬縫平行，這是釬焊時(shí)液態(tài)釬料中的硅與銅向鋁中擴(kuò)散所形成的固溶體。圖2b為釬縫區(qū)域，釬縫中有鋁硅彌散質(zhì)點(diǎn)，組織均勻無(wú)明顯缺陷。圖2c為釬縫、熱浸鍍鋁層與不銹鋼界面，上部為釬縫，中間為熱浸鍍鋁層，下部為不銹鋼母材?？梢?jiàn)，熱浸鍍鋁層的溶解和釬料的擴(kuò)散充分，釬縫區(qū)與熱浸鍍鋁層結(jié)合良好。

2.3 顯微硬度

圖3為釬焊接頭中距釬縫中心不同距離d的不銹鋼區(qū)、熱浸鍍鋁區(qū)、釬縫區(qū)與純鋁區(qū)的顯微硬度分布曲線。由圖3可以看出，熱浸鍍鋁層處的硬度值達(dá)到最高。

圖3 釬焊接頭顯微硬度Fig.3 Brazed microhardness map

分析原因:硬度分布與組織有關(guān)。由圖3可觀察到，不銹鋼層硬度達(dá)到61.0 MPa，是因?yàn)椴讳P鋼中含有大量的Cr、Ni、Ti等合金元素，其產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用能大大加強(qiáng)不銹鋼的硬度。鋼與釬縫連接處的熱浸鍍鋁層硬度較高，達(dá)到99.4 MPa，這是因?yàn)樵撎幒写罅看喽驳腇e-Al金屬間化合物，其硬度較高。釬縫區(qū)域組織為鋁與硅的共晶組織，硬度為29.1 MPa。釬縫與純鋁擴(kuò)散界面隨距離增加，純鋁含量升高，硬度降低，至純鋁層最低，只有12.9 MPa。

2.4 拉伸性能

按國(guó)標(biāo)GB 2649—89《焊接接頭機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)取樣方法》制成標(biāo)準(zhǔn)試件，用微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)床對(duì)試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)試釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率。表1為拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示抗拉強(qiáng)度在20.8～22.1 MPa，斷裂位置均在熱浸鍍鋁/釬縫界面。

分析原因:由圖2可知，焊縫由三個(gè)界面組成，分別是不銹鋼/熱浸鍍鋁層、熱浸鍍鋁層/釬縫、釬縫/純鋁。釬縫與純鋁界面結(jié)合致密，并有交互結(jié)晶。這是因?yàn)殇X硅基釬料主成分與純鋁相同，且釬料為共晶成分，鋁硅基釬料與純鋁液固態(tài)都能產(chǎn)生固溶，釬料液體層結(jié)晶在純鋁晶粒上開(kāi)始，形成以純鋁為基的晶內(nèi)結(jié)合。因此釬縫/純鋁界面結(jié)合強(qiáng)度高，斷裂沒(méi)有在此產(chǎn)生。另外，不銹鋼/熱浸鍍鋁層界面是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，且釬焊溫度很低，釬焊沒(méi)有破壞界面結(jié)合力，斷裂也沒(méi)有在這個(gè)界面上發(fā)生[2]。而熱浸鍍鋁層內(nèi)存在分層現(xiàn)象，鍍層內(nèi)殘余應(yīng)力較大，并存在一定的裂紋，所以熱浸鍍鋁層/釬縫的界面結(jié)合強(qiáng)度較不銹鋼/熱浸鍍鋁層、釬縫/純鋁的界面結(jié)合強(qiáng)度低，斷裂在該界面上產(chǎn)生。

表1 拉伸實(shí)驗(yàn)Table 1 Tensile test data

3 結(jié)論

(1)通過(guò)不銹鋼表面熱浸鍍鋁，可實(shí)現(xiàn)鋁與奧氏體不銹鋼的火焰釬焊。

(2)釬焊接頭各區(qū)域中，熱浸鍍鋁區(qū)硬度最高，達(dá)到99.4 MPa。

(3)在1Cr18Ni9不銹鋼/1060純鋁釬焊焊縫中存在不銹鋼/熱浸鍍鋁層、熱浸鍍鋁層/釬縫、釬縫/純鋁三個(gè)界面。釬焊接頭強(qiáng)度取決于各界面的連接質(zhì)量。熱浸鍍鋁層/釬縫界面是整個(gè)接頭最薄弱的界面，剪切斷裂均發(fā)生在該區(qū)域。

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[3]王文亭.鋁與不銹鋼釬焊及其釬縫脆相研究[J].焊接通訊，1981(4):24－28.

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