3003鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼接觸反應(yīng)釬焊接頭組織和性能

陳大林，俞偉元，宋學(xué)平

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

0 前言

奧氏體不銹鋼[1-2]1Cr18Ni9Ti在空氣、水蒸汽及多種酸、堿、鹽的水溶液具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫和低溫下均具有優(yōu)良的塑韌性、冷熱加工性能和耐腐蝕性能。3003鋁合金[3]為Al-Mn系合金，是應(yīng)用最廣的一種防銹鋁，強(qiáng)度不高，導(dǎo)熱性和耐腐蝕性良好。3003鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)耐蝕性和導(dǎo)熱性較好，在換熱器生產(chǎn)中應(yīng)用前景良好[4-7]。在此對(duì)3003鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼接觸反應(yīng)釬焊接頭進(jìn)行分析討論。

接觸反應(yīng)釬焊是借助于某些異種金屬能形成低熔點(diǎn)共晶體或低熔點(diǎn)固溶體的原理，在接觸界面良好情況下，加熱至高于共晶體或低熔點(diǎn)固溶體的溫度條件下，依靠金屬間原子的互擴(kuò)散作用在接觸界面處形成低熔點(diǎn)共晶或固溶體反應(yīng)液態(tài)金屬層，隨后冷卻凝固，從而實(shí)現(xiàn)兩種金屬的連接。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

用線切割分別將3003鋁板和1Cr18Ni9Ti不銹鋼板加工成70 mm×25 mm×2 mm的試樣，共3組。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用銼刀去除3003鋁板表面氧化膜，將其置于丙酮中，采用超聲波清洗10 min后快速吹干，清理表面的油污等雜物。由于1Cr18Ni9Ti表面鈍化，采用堿液清洗后鹽酸（濃度10%）活化，然后分別進(jìn)行電鍍Ni層（厚5μm）、Cu層（厚20μm）；接觸反應(yīng)釬焊示意如圖1所示，Mg粉的量按Al74.5%-Cu17.2%-Mg 8.3%三元共晶比例計(jì)算為0.01 g/cm2。釬焊參數(shù)為：溫度560℃，保溫時(shí)間15 min，焊接壓力0.1 MPa。力學(xué)性能試驗(yàn)如圖2所示，采用液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)在25℃室溫下以0.1mm/s的加載速度剪切試樣。

圖1 接觸反應(yīng)釬焊示意

圖2 剪切試驗(yàn)示意

在微觀組織分析時(shí)橫向切取釬焊試樣接頭，分別采用 400#、600#、800#、1500# 水砂紙磨光，用清水進(jìn)行拋光處理。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察和分析焊縫接頭的微觀組織，通過掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）對(duì)3003鋁合金和1Cr18Ni9T不銹鋼釬焊接頭的顯微組織進(jìn)行觀察與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能測試結(jié)果

在釬焊溫度為560℃、0.1 MPa焊接壓力下保溫時(shí)間15 min進(jìn)行接觸反應(yīng)釬焊，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫25℃以0.1 mm/s速度加載所得的剪切試樣直至試樣斷裂，斷裂位置為釬焊接頭。經(jīng)計(jì)算接頭最大剪切強(qiáng)度23.1MPa，平均剪切強(qiáng)度21.6MPa。

圖3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 釬焊接頭組織形貌

接觸反應(yīng)釬焊在焊接溫度560℃、壓力0.1 MPa下保溫15 min接頭的微觀組織形貌如圖4所示。整個(gè)接頭區(qū)域分為3003鋁合金、釬料區(qū)、不銹鋼3個(gè)區(qū)域，釬料區(qū)厚度約為50 μm，鋪展均勻，釬料區(qū)與兩側(cè)金屬結(jié)合緊密，無明顯的焊接缺陷。焊縫在鋁合金側(cè)生成大量的共晶組織，證明接觸反應(yīng)過程進(jìn)行的十分充分，且有部分鋁合金基材發(fā)生溶蝕，釬料滲入鋁合金基體。不銹鋼側(cè)界面因電鍍的原因有明顯的灰色與灰白色的條帶狀分層，釬料區(qū)與不銹鋼基體邊緣參差不齊，發(fā)生溶蝕。由此可知，3003鋁合金和不銹鋼在此工藝參數(shù)下進(jìn)行了較為充分的接觸反應(yīng)釬焊，釬料能充分潤濕鋪展，形成結(jié)合緊密無缺陷的釬縫。

圖4 釬焊接頭微觀形貌

2.3 接頭界面組織與成分

（1）接頭界面線掃描分析。

接頭界面各元素能譜線掃描照片如圖5所示。釬焊縫由3003鋁合金/釬料區(qū)結(jié)合界面、釬料區(qū)/1Cr18Ni9Ti不銹鋼結(jié)合界面2個(gè)結(jié)合界面組成。整個(gè)釬料區(qū)域中的 Fe、Al、Cu、Ni、Mg 原子發(fā)生明顯的擴(kuò)散，其中以Al原子擴(kuò)散最為顯著，擴(kuò)散貫穿整個(gè)焊縫區(qū)；Fe原子的分布也有一定濃度梯度，在靠近不銹鋼基體組織處濃度最高，遠(yuǎn)離不銹鋼處濃度逐漸降低，有明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象；Mg原子更多分布在焊縫區(qū)域，向兩側(cè)金屬擴(kuò)散并不明顯，鋼側(cè)幾乎沒有Mg原子；Cu和Ni原子主要分布在整個(gè)釬料區(qū)。

圖5 釬焊接頭的線掃描

（2）接頭界面點(diǎn)掃描分析。

釬焊接頭結(jié)合界面如圖6所示。3003鋁合金和不銹鋼以Mg、Cu為中間反應(yīng)層進(jìn)行接觸反應(yīng)釬焊，實(shí)現(xiàn)兩者之間的有效連接，焊縫各部分的組織結(jié)合界面緊密，兩側(cè)均發(fā)生溶蝕，結(jié)合界面有明顯的冶金結(jié)合特征，整個(gè)焊縫無明顯缺陷。采用EDS分析圖6中組織特征比較明顯的6個(gè)特征點(diǎn)，6個(gè)特征點(diǎn)的能譜分析結(jié)果如表1所示。

圖6 焊縫接頭結(jié)合界面

由表1可知，點(diǎn)1含有少量的Cu、Mg原子及大量的Al原子，表明點(diǎn)1是鋁基體，伴有少量的Cu、Mg原子擴(kuò)散進(jìn)入鋁基體；點(diǎn)2中Al、Cu、Mg原子之比約為 4∶1∶1，結(jié)合相圖，該組織為 Al-Cu-Mg 三元共晶組織；點(diǎn) 3 中 Al、Cu、Ni原子之比約為 3∶1∶1，該組織應(yīng)為Al2Cu、Al3Ni2組織混合物；點(diǎn)4中含有大量的Al，同并伴有一定量的 Ni、Fe、Cu、Mg，該處組織主要為鋁的固溶體；點(diǎn)5即灰白色的帶狀組織含有大量的Al及一定量的Cu、Fe，該組織應(yīng)為Al-Fe、Al-Cu金屬間化合物組成；點(diǎn) 6中 Al、Fe原子之比約為 3∶1，可見該相為FeAl3。由此可知，點(diǎn)5與點(diǎn)6兩區(qū)域主要為脆性金屬間化合物，其寬度約為20μm。

表1 接頭結(jié)合界面點(diǎn)分析結(jié)果 %

3 結(jié)論

（1）利用Al-Cu-Mg能形成三元共晶原理，分別在 1Cr18Ni9Ti上電鍍 Ni層（5μm）、Cu層（20μm），Mg的量為0.01 g/cm2。在釬焊溫度為560℃、0.1MPa焊接壓力、保溫時(shí)間為15 min的條件下進(jìn)行接觸反應(yīng)釬焊，實(shí)現(xiàn)兩者的有效連接。

（2）對(duì)釬焊接頭進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算接頭最大剪切強(qiáng)度23.1 MPa，平均剪切強(qiáng)度可達(dá)21.6 MPa。

（3）釬料區(qū)Al原子有明顯的擴(kuò)散，并形成Al-Mg、Al-Cu、Al-Fe系等多種金屬間化合物，其厚度為 20 μm。

[1]Tabatabaeipour S M，Honarvar F.A comparative evaluation of ultrasonic testing of AISI 316L welds made by shielded metal arc welding and gas tungsten arc welding processes[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210（8）：1043-1050.

[2] Jang C H J，Cho P Y，Kim M，et al.Effects of microstructure and residual stress on fatigue crack growth of stainless steel narrow gap welds[J].Materials and Design，2010，31（4）：1862-1870.

[3] 王爍，吳志生，黃文靜．3003鋁合金電子束焊接工藝及接頭性能分析[J]．熱加工工藝，2016（5）：44-47.

[4] 凌祥，涂善東，陸衛(wèi)權(quán)．板翅換熱器的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]．石油機(jī)械，2000，28（5）：54-58．

[5] 焦安軍，厲彥忠，陳曦，等．新型緊湊式低溫?fù)Q熱器的研究與進(jìn)展[J]．低溫與超導(dǎo)，2001，29（1）：8-13．

[6] 嵇順達(dá)．我國板翅式換熱器技術(shù)進(jìn)展[J]．低溫與特氣，1998（1）：22-28．