LF2/LD7鋁合金管板高頻感應釬焊工藝研究

（南昌航空大學 焊接工程系，南昌 330063）

現(xiàn)代工業(yè)中鋁及鋁合金的焊接方式很多，包括浸沾釬焊、真空釬焊、保護氣氛釬焊、熔化焊和攪拌摩擦焊等。在 LF2/LD7異種鋁合金管板焊接時，上述焊接方式會出現(xiàn)焊接操作復雜、焊接成本高、焊接接頭強度低、壽命短等問題[1—12]。高頻感應釬焊具有高效、控制精確、低污染等特點，是一種環(huán)保型釬焊方法[13]。高頻感應加熱釬焊充分利用局部感應電流產(chǎn)生焦耳熱對工件加熱，連接高強度部件，高頻加熱可以減少工件變形，降低或消除工件接頭燒損，并且小件管板結(jié)構(gòu)的高頻感應釬焊的焊接過程具有可視性[14—16]。高頻感應加熱釬焊是一項傳統(tǒng)的釬焊技術，在生產(chǎn)中的許多方面都有運用，目前對異種鋁合金的高頻感應釬焊焊接研究比較少，尤其針對 LF2/LD7異種鋁合金的高頻感應釬焊研究[17]。異種鋁合金高頻感應釬焊研究，為實際焊接生產(chǎn) LF2/LD7異種鋁合金部件焊接工藝參數(shù)提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料及方法

LD7板厚度為5 mm，孔直徑為9.8 mm，管外徑為9.6 mm，內(nèi)徑為8.6 mm。母材LF2鋁合金管化學成分見表1，LD7鋁合金板化學成分見表2。

表1 LF2鋁合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of LF2 aluminum alloy (mass fraction) %

表2 LD7鋁合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.2 Chemical composition of LD7 aluminum alloy (mass fraction) %

釬料YX-110為Al-Zn-Ag-Ni合金，絲狀自釬劑釬料，含有質(zhì)量分數(shù)為20%的Al，0.55%的Ag，0.45%的Ni，余量為Zn。釬劑QJ201去氧化膜能力強，熔點低，適合高頻感應釬焊，因此，采用 QJ201作為試驗釬劑。試驗通過控制電流I，加熱時間t，確定最佳工藝參數(shù)，并添加碳棒輔助感應加熱試驗，獲得不同參數(shù)釬焊接頭，制備金相試樣，觀察分析焊接參數(shù)對微觀組織的影響，腐蝕劑采用Keller試劑，其中 H2O∶HNO3∶HCl∶HF=95.0∶2.5∶1.5∶1.0。測試微觀硬度，分析釬焊接頭硬度分布，測試參數(shù)為加載載荷100 g，加載時間10 s。

2 結(jié)果及分析

2.1 高頻感應電流對釬焊接頭微觀組織的影響

LD7鋁合金板上表面到感應線圈距離D=7 mm、加熱時間t=100 s，改變電流I，得到釬焊接頭的微觀組織見圖1。高頻感應電流對微觀組織有明顯影響。釬焊接頭正面組織低熔共晶體比接頭反面組織少，原因是集膚效應在接頭正面產(chǎn)生的感應電流大，產(chǎn)生的熱量多，有更大機會生成低熔共晶體，并且在釬焊接頭正面存在未釬透現(xiàn)象。分析認為，較大電流產(chǎn)生的感應電流同樣增大，由Q=I2Rt（焦耳）可知，產(chǎn)生的熱量多，并且單位時間熱量輸入大，因此，釬料與釬劑幾乎同步熔化，這將抑制釬劑去除氧化膜的作用，以至于釬料很難流動、潤濕釬縫，出現(xiàn)未釬透現(xiàn)象，在釬縫中存在不同的缺陷，電流I=28 A時，僅存在氣孔缺陷，電流I=30 A時，既存在氣孔缺陷又存在未釬透。

圖1 電流對接頭顯微組織影響Fig.1 Effect of current on microstructure of joint

2.2 加熱時間對釬焊接頭微觀組織的影響

LD7鋁合金板上表面到感應線圈的距離D=7 mm、感應電流I=28 A，改變加熱時間t得到釬焊接頭的顯微組織見圖2。加熱時間t增加，晶粒大小沒有明顯變化，組織間低熔共晶體數(shù)量變化不大，但有明顯增加的趨勢。釬焊接頭正面組織比反面組織晶粒粗大，但正面低熔共晶體的數(shù)量比反面少。由此可知，改變感應加熱時間t，對接頭組織的影響不大。

圖2 加熱時間對釬焊接頭的影響Fig.2 Effect of heating time on brazing seams

2.3 碳棒輔助對釬焊接頭微觀組織的影響

LD7鋁合金板上表面到感應線圈的距離D=7 mm、感應電流I=28 A、加熱時間t=140 s，獲得釬焊接頭與同參數(shù)下添加碳棒輔助獲得釬焊接頭的微觀組織，如圖3所示。當添加碳棒輔助釬焊時，接頭釬焊微觀組織晶粒細小，低熔共晶體數(shù)量較多，并且添加碳棒輔助時釬焊接頭的正面組織晶粒比接頭反面組織晶粒粗大，正面組織低熔共晶體的數(shù)量比反面組織低熔共晶體少。碳棒輔助改善了感應電流的分布，使管板結(jié)構(gòu)受熱較均勻，釬焊接頭晶粒細小，低熔共晶體的含量增加。

圖3 碳棒輔助對釬焊微觀組織的影響Fig.3 Effect of carbon-rod assistance on brazing microstructure

對在電流I=35 A、加熱時間t=90 s、LD7板上表面到感應線圈的距離D=7 mm的條件下，添加碳棒輔助的試樣進行能譜分析。EDS元素分析釬縫組織兩種明顯不同相的元素組成，如圖4所示，分別選擇a中1區(qū)域和b中2區(qū)域。

圖4 釬縫區(qū)域EDS元素分析結(jié)果Fig.4 EDS element analysis results of brazing seam area

表3 EDS元素分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）Tab.3 Element analysis results of EDS area(mass fraction) %

EDS元素分析結(jié)果見表3，1, 2區(qū)域元素成分差異明顯，1區(qū)域鋁元素的質(zhì)量分數(shù)(68.81%)高出2區(qū)域鋁元素(55.38%)13.43%，1區(qū)域鋅元素的質(zhì)量分數(shù)(31.19%)高出2區(qū)域鋅元素(22.45%)8.74%，變化最顯著的是氧元素，1區(qū)域不含氧元素，而2區(qū)域含氧元素的質(zhì)量分數(shù)高達22.18%。對比含有質(zhì)量分數(shù)為20%的Al，0.55%的Ag，0.45%的Ni，余量為Zn的釬料YX-110，1區(qū)與2區(qū)鋅含量均低于釬料鋅含量，可推測鋅含量對釬縫區(qū)硬度影響不大。

2.4 工藝參數(shù)對接頭顯微硬度的影響

高頻感應釬焊參數(shù)：固定距離D=7 mm，控制電流大小和高頻感應時間獲得不同焊接接頭，在400倍顯微鏡下觀察到的壓頭壓痕，如圖5所示，a為LD7鋁合金板材，b為釬縫區(qū)域，c為LF2鋁合金管材。在相同倍率下，明顯能看出LF2鋁合金壓痕明顯大于LD7鋁合金壓痕，LD7鋁合金壓痕大于釬縫區(qū)域壓痕，根據(jù)壓痕大小可以定性判斷顯微硬度：LF2＜LD7＜釬縫區(qū)域。

圖5 接頭顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of joints.

固定距離D=7 mm，改變電流和加熱時間獲得不同參數(shù)下釬焊接頭，每個接頭選擇兩個不同區(qū)域進行顯微硬度測試（1A, 2A代表添加碳棒輔助的1,2兩不同區(qū)域），各區(qū)域顯微組織硬度見圖 5。其中，LD7鋁合金板材區(qū)域組織硬度在HV90～HV110；LF2鋁合金管材區(qū)域組織硬度在HV40～HV50；而釬縫區(qū)域硬度明顯增高，釬縫區(qū)域組織硬度在HV130～HV170左右，釬縫區(qū)域組織硬度是 LD7鋁合金板材區(qū)域組織硬度的1.4倍，是LF2鋁合金管材區(qū)域組織硬度3倍多。釬縫區(qū)域硬度隨加熱時間變化明顯，相同電流大小，加熱時間越大，釬縫區(qū)域組織硬度越小。工藝參數(shù)為電流I=28 A、加熱時間t=80 s、LD7板上表面到感應線圈的距離D=7 mm時，釬縫區(qū)的平均硬度值最大，硬度最大值為HV173.2，最小硬度值為HV165.9；添加碳棒輔助，釬縫區(qū)硬度值出現(xiàn)了很大的波動，最大硬度值為HV153.3，最小硬度值為HV102.8。

電流I=28 A、加熱時間t=80 s、LD7板上表面到感應線圈的距離D=7 mm時，高頻感應釬焊能夠獲得最高硬度值的釬縫，添加碳棒輔助后組織硬度降低，碳棒輔助使組織產(chǎn)生了大量的低硬度低熔共晶體，而低熔共晶體大小不一、分布不均，因此顯微硬度波動較大，且硬度較低。

3 結(jié)論

1)LF2/LD7異種鋁合金管板結(jié)構(gòu)高頻感應釬焊，最佳工藝參數(shù)如下：LD7鋁合金板表面到感應線圈的距離D=7 mm，電流I=28 A，加熱時間t=80～140 s。

2)當工藝參數(shù)為：LD7鋁合金板表面到感應線圈的距離D=7 mm，電流I=28 A，加熱時間t=80～140 s時，釬焊接頭的釬縫正反面釬料填縫均勻。當電流I=35 A，其他焊接參數(shù)不變時，添加碳棒輔助可以改變管板形貌，明顯降低管燒損程度。

3)延長加熱時間、增大電流值以及添加碳棒輔助，組織低熔共晶體含量增多，晶粒細小，釬縫組織的顯微硬度高于母材的硬度。