鋁/鋼異種材料火焰釬焊接頭力學(xué)性能和顯微組織研究

陳建斌 彭遲 程?hào)|海 陳益平 胡德安 向盼

1. 概述

在當(dāng)今世界，汽車是溫室氣體的排放大戶，車身及構(gòu)件的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)節(jié)能減排的主要途徑之一。但是，鋼/鋁異種金屬的焊接作為汽車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題始終沒(méi)有得到有效的解決。

由于鋁與鋼的物理性能相差很大，很難實(shí)現(xiàn)鋁與鋼的直接可靠焊接。目前鋁/鋼焊接的主要方法有摩擦焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊、釬焊、熔焊、電弧焊激光焊及磁脈沖焊等。這些焊接方法都存在一些局限性和不足。火焰釬焊與其他焊接方法相比，極少受操作上的限制，故一般適用于品種多且形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，通常應(yīng)用于大批量的生產(chǎn)中。由于火焰釬焊的設(shè)備價(jià)格低廉，而且使用方便，可以保證獲得較高的釬焊質(zhì)量；可釬焊形狀不規(guī)則的產(chǎn)品；釬焊接頭平整光滑，外形美觀；可隨時(shí)觀察到釬焊過(guò)程中的不良狀態(tài)，及時(shí)控制，避免產(chǎn)生過(guò)多的不良品；釬料輸送實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，保證了釬料填充的均勻性和穩(wěn)定性；釬焊溫度的大小及釬焊時(shí)間均可自由設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)，從而研究鋁鋼的火焰釬焊對(duì)鋁鋼異種材料連接有較大的實(shí)際應(yīng)用意義與高效生產(chǎn)。

2. 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用1mm厚的LF6鋁合金以及1mm的Q235鋼板材作為火焰釬焊的焊接材料，其各自的化學(xué)成分如表1、表2所示。并采用HL402鋁硅銅釬料和HL505鋅鋁釬料為焊接釬料，其化學(xué)成分及部分性能分別如表3、表4所示。

采用氣焊設(shè)備進(jìn)行焊接試驗(yàn)， 燃燒氣體為乙炔，并采用還原焰。母材加工成1 0 0mm×2 0mm，采用對(duì)接接頭。對(duì)焊接試樣進(jìn)行拉剪強(qiáng)度測(cè)試及金相組織分析。

表1 LF6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q235鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 HL402鋁硅銅釬料的化學(xué)成分及性能

表4 HL505鋅鋁釬料的化學(xué)成分及性能

圖1 距焰心長(zhǎng)度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 距焰心5mm焊縫中心顯微組織

3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）鋅基釬料力學(xué)性能及顯微組織分析 第一，鋅基釬料試樣的力學(xué)性能分析。

由圖1 可知，在焊接范圍內(nèi)，工件距焰心4mm左右時(shí)所獲得的接頭強(qiáng)度最高，且在焊接范圍內(nèi)，未必焊接熱量越大其強(qiáng)度越高。由圖知在距焰心5mm下降至距焰心4mm時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，即在該焊接范圍內(nèi)，距焰心>4mm時(shí)，隨著距焰心距離的減小，試樣的拉伸強(qiáng)度增大，這主要是因?yàn)闊崃吭龃蠖乖財(cái)U(kuò)散充分；在距焰心4mm下降至距焰心3mm時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，即隨著距焰心距離的增大，試樣的拉伸強(qiáng)度越高，主要是由熱量相對(duì)較大，使鋁、鐵元素在焊縫中相互擴(kuò)散和反應(yīng)，生成一系列金屬間化合物而使力學(xué)性能的一部分下降。在距焰心為4mm時(shí)，所得試樣的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，在該試驗(yàn)參數(shù)時(shí)試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度為133.6MPa。

對(duì)試樣背面的熱影響區(qū)的測(cè)量可得到距焰心5mm時(shí)熱影響區(qū)長(zhǎng)度為1.7c m；距焰心4mm時(shí)為2.1cm；距焰心3mm時(shí)為2.5cm。

綜合上述的分析可以得出：在材料具有焊接性前提下，焊接熱影響區(qū)的寬度隨著熱輸入的增大而變大，但在一定范圍內(nèi)，隨著熱輸入的增大，火焰釬焊試樣的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，但是當(dāng)火焰溫度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，火焰釬焊試樣拉伸強(qiáng)度也達(dá)到最大值并且隨著溫度的增加而下降。

第二，鋅基釬料焊接試樣接頭的組織分析：圖2為工件距焰心5mm時(shí)焊接所得接頭截面的顯微組織形貌。由圖可見，火焰釬焊接頭主要由鋁母材、鋼母材及釬焊縫組成。暗黑色部分為鋁母材側(cè)，淺色部分為鋼母材側(cè)，鋼和鋁之間的區(qū)域是填充釬料，釬焊縫又可分上下兩部分（圖中的左側(cè)和中間兩部分），可以從圖中清楚的看出靠左側(cè)的釬焊縫上部組織和中間的釬焊縫下部的組織明顯不同，焊縫上部有大量的白色網(wǎng)格狀物質(zhì)均勻分布，而在焊縫下部主要為顏色介于鋁和鋼的淺灰色組織。在釬焊縫的上部由于距離母材較遠(yuǎn)，母材元素較難擴(kuò)散至此，因此主要是由Zn和Al元素組成，其組織也和釬料較為接近。由Zn-Al相圖可知其中的白色物質(zhì)為富鋅固溶體，灰黑色物質(zhì)為富鋁相物質(zhì)。而在焊縫的下部由于釬料較少，且釬焊時(shí)元素?cái)U(kuò)散較為充分，使得在此區(qū)域其組織較為復(fù)雜，主要由Zn、Al和Fe元素組成，由于Fe和Al元素在加熱條件下會(huì)反應(yīng)生成一系列脆性的金屬間化合物而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度的下降。

如圖可知，在靠近鋼側(cè)的連接界面輪廓較鋁側(cè)的界面清晰，主要是由于鋼的熔點(diǎn)高，釬焊時(shí)幾乎不反應(yīng)，而鋁的熔點(diǎn)較低，且和釬料的成分較為接近，易于釬料互溶反應(yīng)。在鋁一側(cè)為鋁合金熔核邊緣為胞狀晶結(jié)構(gòu)，是由于在熔核凝固前夕，液態(tài)熔核邊緣前沿的許多晶粒處于半溶化狀態(tài)，不同取向的晶粒之間彼此被液態(tài)的釬料潤(rùn)濕，同時(shí)釬料也向母材中潤(rùn)濕擴(kuò)散。在接頭開始凝固后，熔核液態(tài)邊緣的溫度開始降低，并最先處于過(guò)冷狀態(tài)，處于半熔融狀態(tài)的晶粒，由于表面能量低而作為異質(zhì)晶核進(jìn)行非均勻成核，晶核不斷地長(zhǎng)大為枝晶。由于熔核邊緣半熔化的金屬與熔核區(qū)的液態(tài)金屬的化學(xué)成分相近、晶格類型相同，所以此過(guò)渡區(qū)的晶粒總是聯(lián)生生長(zhǎng)，并且保持著同一晶軸。

圖3和圖4分別為距焰心3mm和4mm的焊縫中心顯微組織照片，由圖可知，距焰心3mm和4mm焊縫中均存在網(wǎng)狀或條狀的白色物質(zhì)，且距離焰心越近網(wǎng)狀物質(zhì)越少，而上圖中的顏色較深的為富鋁相固溶體，該物質(zhì)出現(xiàn)幾乎和富鋁相固溶體相反。經(jīng)初步推斷該物質(zhì)為富鋅相固溶體，距焰心越近的接頭其組織中該物質(zhì)含量越少，主要是由于Zn的熔沸點(diǎn)很低但蒸汽壓較高，從而溫度越高鋅的蒸發(fā)損耗越嚴(yán)重。由以上兩圖可見，焊縫區(qū)為樹枝晶組織，結(jié)合Al-Zn二元合金相圖和金屬材料金相圖譜可知，其組織構(gòu)成為枝晶富鋁固溶體(Al)和枝間分布的富鋅固溶體(Zn)，并且在枝間析出了細(xì)小白色相。富鋁固溶體呈深灰色，富鋁固溶體中高含量的鋅得益于鋅在鋁中的高固溶度，兩種固溶體中都存在一定含量的氧，并且氧含量的增加會(huì)導(dǎo)致焊縫組織中出現(xiàn)少量的黑色富氧相。

圖3 距焰心4mm焊縫中心顯微組織照片

圖4 距焰心3mm焊縫中心顯微組織照片

圖5 鋅基釬料焊接試樣掃描電鏡線掃描宏觀圖

圖6 距焰心距離與拉伸強(qiáng)度關(guān)系

表5 圖5中各點(diǎn)的化學(xué)成分EDS分析結(jié)果

第三，距離焰心4mm鋁∕鋼鋅基釬料焊接試樣接頭的能譜分析：圖5為鋁鋼釬焊接頭的掃描電鏡化學(xué)成分線掃描圖，表5為圖中各點(diǎn)的點(diǎn)掃描結(jié)果。由圖可知，從接頭的鋁側(cè)經(jīng)釬焊縫到鋼側(cè)，F(xiàn)e元素從鋁側(cè)和近鋁側(cè)焊縫幾乎為零的含量到靠近鋼側(cè)釬焊縫的少量再到鋼母材大量，為遞增的趨勢(shì)；而Al元素的變化趨勢(shì)則與F e元素大致相反，只是在釬焊縫中Al元素的含量變化沒(méi)有Fe的明顯，主要是由于鋼的熔點(diǎn)高，擴(kuò)散較難且釬料中也含有Al元素，從而使得A l元素較F e元素在焊縫中分布較為均勻。b1、b 2、b 3分別為在鋁側(cè)、釬焊縫和鋼側(cè)的掃描電鏡掃描點(diǎn)。從表中的b 1、b 2、b 3點(diǎn)的掃描結(jié)果可以看出，靠近焊縫底部的界面金屬化合物區(qū)域主要是Fe元素和Al元素組成，這主要是由于Z n元素熔點(diǎn)低且蒸汽壓較大，在焊接時(shí)大量揮發(fā)所致。b 1點(diǎn)的A l和Fe元素含量分別為97.6At.%、2.40At.%，可知此處的組織主要為a-Al組織和少量固溶Fe的富鋁相固溶體。b2點(diǎn)的Al元素的含量為73.11At.%，F(xiàn)e元素的含量為26.89At.%，由Al-Fe相圖分析可知，此處很可能為金屬間化合物Fe2Al5。b3點(diǎn)的Al和Fe元素含量分別為5.24At.%、94.76At.%，可知在鋼一側(cè)的Al的含量要少于鋁側(cè)Fe元素的含量，這與以上的分析一致。

（2）鋁硅銅釬料力學(xué)性能及顯微組織分析 第一，鋁硅銅釬料試樣的力學(xué)性能分析：如圖6距焰心距離與拉伸強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：鋁硅銅釬料與鋅鋁釬料類似，在距焰心5mm下降至距焰心4mm時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度逐漸上升；在距焰心為4mm時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大；從4mm下降至距焰心3mm時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度逐漸下降。在距焰心為4mm時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，其強(qiáng)度為106.6MPa。并測(cè)得在距焰心5mm時(shí)工件的熱影響區(qū)寬度為1.6c m，距焰心4mm時(shí)寬度為2.0c m，距焰心3mm時(shí)其寬度為2.3cm。這與Zn-Al釬料接頭相似，即焊接熱影響區(qū)只與焊接的熱輸入有關(guān)，同時(shí)為影響接頭強(qiáng)度最主要的焊接參數(shù)。

第二，距離焰心4mm鋁∕鋼鋅基釬料焊接試樣接頭界面的組織和能譜分析：圖7為鋁鋼釬焊接頭的掃描電鏡化學(xué)成分線掃描圖，表6為圖中各點(diǎn)的點(diǎn)掃描結(jié)果。由圖可知從釬焊接頭的鋁側(cè)到鋼側(cè)，F(xiàn)e元素的含量為遞增的趨勢(shì)；而Al元素含量的變化趨勢(shì)則變化不太大，主要是由于釬料為鋁硅銅釬料其本身含有大量的Al元素，從而使得Al元素較Fe元素在焊縫中分布較為均勻，而Fe元素則主要靠加熱時(shí)的元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行。從圖中可知，在鋼側(cè)界面較鋁側(cè)界面要平滑和清晰，主要是由于鋁的熔點(diǎn)低且釬料同為鋁基更易與鋁母材反應(yīng)。b4、b5、b6分別為在鋁側(cè)、釬焊縫和鋼側(cè)的掃描電鏡掃描點(diǎn)，從表6的掃描結(jié)果可以看出，b6點(diǎn)主要為Fe元素其含量為94.94At.%，Al元素含量為5.06At.%，其主要通過(guò)界面從釬料中擴(kuò)散到鋼中。b4點(diǎn)的Fe元素含量為2.80At.%，Al元素含量為97.2At.%，各元素的擴(kuò)散和鋅基釬料的接頭類似，b5點(diǎn)的Al元素的含量為72.2At.%，F(xiàn)e元素的含量為27.8At.%，由Al-Fe相圖分析可知，在該處所形成的金屬間化合物可能為Fe2Al5和鋅基釬料類似。

圖7 鋁基釬料焊接試樣掃描電鏡線掃描宏觀圖

表6 圖6中各點(diǎn)的化學(xué)成分EDS分析結(jié)果

4. 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)合理設(shè)置工藝，在采用鋅基釬料和鋁硅銅釬料時(shí)都可以得到較為理想的單面焊雙面成形的焊接接頭。兩種釬料都在距焰心4mm時(shí)得到最高的抗拉強(qiáng)度接頭試樣，鋅基釬料的接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)133.6MPa，略高于鋁硅銅釬料時(shí)接頭106.6MPa的抗拉強(qiáng)度。

(2) 鋅基和鋁基釬料焊接試樣的釬焊縫形貌類似，即鋼側(cè)有清晰平直的界面，而鋁側(cè)的連接界面較為模糊，鋅基釬料的焊縫顯微組織中均存在網(wǎng)狀的白色的富鋅相固溶體和顏色較深的塊狀為富鋁相固溶體，且距離焰心越近網(wǎng)狀物質(zhì)越少，鋁基釬料中主要為富鋁相固溶體。

(3) 鋅基和鋁基釬料釬焊接頭的元素分布類似即Fe元素的含量為漸變的趨勢(shì)；而A l元素含量的變化趨勢(shì)則不太大，且在接頭處均生成了Fe-Al金屬間化合物，該化合物均為Fe2Al5。

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