LD10鋁合金與C6不銹鋼真空擴散焊接工藝研究

劉 敏 曹 鵬 張麗娜 張 凈 王華賓 李 躍

LD10鋁合金與C6不銹鋼真空擴散焊接工藝研究

劉 敏1曹 鵬2張麗娜1張 凈1王華賓1李 躍1

（1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2. 濟寧市港航局留莊港航管理處，濟寧 277642）

針對鋁鋼兩種材料物化性能差異大且易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的特點，采用真空擴散焊接技術(shù)進行LD10 鋁合金與0Cr20Ni24Si4Ti不銹鋼（C6鋼）的焊接，研究接頭微觀組織、界面成分及結(jié)構(gòu)整體拉伸性能。試驗結(jié)果表明，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，無鍍層和鍍鎳層的鋁合金與不銹鋼的連接界面均實現(xiàn)了Fe、Al、Cu等元素的擴散，形成了連續(xù)且均勻分布過渡層；整體力學性能測試，剪切發(fā)生在鋁合金一側(cè)，不銹鋼上粘連了較多鋁合金，斷口發(fā)生了層狀撕裂。

LD10鋁合金；C6不銹鋼；真空擴散焊接；微觀組織；力學性能

1 引言

為滿足運載火箭及武器型號接頭可靠性及減重要求，鋁鋼異種金屬連接接頭的使用日益增多。但鋁鋼兩種材料物化性能差異大且易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的特點導致無法使用常規(guī)熔焊進行連接。從傳統(tǒng)螺栓連接、粘接，到釬焊、熔釬焊，再到摩擦焊、擴散焊，工程應用領(lǐng)域始終致力于尋找一種有效的可靠連接方式[1，2]。

哈爾濱工業(yè)大學宋建嶺等[3]實現(xiàn)了5A06鋁合金-不銹鋼的電弧熔釬焊焊接接頭；Alexander Mathieu等[4]采用激光熔釬焊技術(shù)實現(xiàn)了AA6061鋁合金與鍍鋅鋼板連接；Jurgen Vrenken 等[5]優(yōu)化了AA6016、AA5182 鋁合金與不銹鋼的無釬劑激光熔釬焊焊接工藝，將焊接界面金屬間化合物層厚度控制在1μm以下；Kimapong[6]采用攪拌摩擦焊接獲得SS400低碳鋼板與AA5083鋁合金的連接；南昌航空工業(yè)學院邢麗等[7]通過工藝優(yōu)化實現(xiàn)了鋁合金與低碳鋼的攪拌摩擦焊接，接頭實現(xiàn)塑性結(jié)合；湖南大學彭艷等[8]基于密度泛函理論進行鋼/鋁激光焊連接界面的微合金化原理研究，分析不同合金元素在界面結(jié)合發(fā)揮的作用；D. Yashan[9]、Emeltaban等[10]分別實現(xiàn)了鋁合金與不銹鋼的慣性摩擦焊接；首都航天機械公司趙衍華等[11]開展LF6鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接工藝研究，獲得了優(yōu)于熔釬焊及釬焊性能的焊接接頭且實現(xiàn)了該技術(shù)在航天領(lǐng)域的型號應用。

真空擴散連接技術(shù)作為一種先進的固相焊接技術(shù)，尤其適用于大面積構(gòu)件的連接，應用于鋁鋼連接時接頭耐蝕性優(yōu)良，接頭質(zhì)量較好，缺陷較少，可靠性高。德國學者開展了純鋁和碳素鋼的擴散焊接研究并實現(xiàn)應用，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學與山東大學聯(lián)合開展Fe3Al/Q235異種材料的擴散焊接試驗，從焊接工藝、界面元素擴散、擴散界面相結(jié)構(gòu)分析進行研究，獲得了存在明顯擴散特征、界面結(jié)合良好的連接接頭[12]。本文將就LD10鋁合金與0Cr20Ni24Si4Ti不銹鋼（C6鋼）的真空擴散連接及接頭微觀組織、成分及力學性能進行分析，為兩種材料接頭的工程應用提供借鑒。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

試驗選用LD10鋁合金與C6不銹鋼為試驗用材料，其中C6鋼是一種高硅、高鉻鎳耐酸奧氏體不銹鋼?；瘜W成分和物理性能分別見表1～表3。

表1 C6鋼的化學成分

表2 LD10牌號、化學成分及力學性能

表3 鋁和鐵的熱物理性能及力學性能

2.2 試驗方法

2.2.1 接頭設(shè)計

LD10鋁合金與不銹鋼采用柱面過盈配合的方式，使鋁合金與不銹鋼實現(xiàn)緊密貼合，利于焊接過程中Fe、Al等原子產(chǎn)生擴散行為的同時利用過盈剪切的方式去除鋁合金表面的氧化膜，減少氧化膜對擴散焊接工藝的不利影響。

鋁合金與不銹鋼試件焊前酸洗去油，進行壓配，實施焊接，不銹鋼待焊面采取鍍鎳和無鍍層兩種方式，鍍層約510μm。

2.2.2 工裝設(shè)計

采用熱膨脹加壓的理念進行鋁鋼界面徑向加壓，同時采用石墨工裝約束鋁合金外周膨脹，利用鋁合金與不銹鋼在擴散焊接升溫過程中的線脹差異，使膨脹壓力有效地施加到鋁鋼焊接界面上。圖1為石墨工裝與焊件組配圖。

圖1 石墨工裝與焊件組配圖

2.2.3 工藝參數(shù)的制定與優(yōu)化

真空擴散焊接工藝主要影響因素有：焊接溫度、焊接壓力、保溫時間、冷卻時間、加熱速率、零件表面粗糙度及表面鍍層、接頭結(jié)構(gòu)形式等，在接頭結(jié)構(gòu)形式確定的前提下，本文重點考慮焊接溫度、焊接壓力、保溫時間。采用正交試驗法確定焊接工藝。

鋁鋼擴散焊接試驗在美國真空工業(yè)公司（CVI）引進的Workhorse II型3520真空擴散焊設(shè)備上進行，焊接溫度500～580℃，焊接壓力6～18MPa，保溫時間60～150min。具體加熱規(guī)范如圖2所示。

圖2 擴散連接加熱規(guī)范

焊后沿試件軸線進行剖切取樣，對焊縫縱截面進行金相組織、EDX成分分析及接頭力學性能測試。

溫度是擴散連接的一個重要的工藝參數(shù)，由菲克定律可知，溫度的微小變化會對擴散速度產(chǎn)生很大的影響。在一定范圍內(nèi)，溫度越高，擴散速度越快，不過擴散溫度過高，容易使晶粒粗化，接頭質(zhì)量下降。鋁合金與不銹鋼真空擴散連接時，焊接溫度選取原則：a.擴散溫度依熔點低的金屬為準，即鋁合金是決定擴散溫度的材料；b.擴散焊最適宜的溫度為0.53～0.88m（m取LD10鋁合金的熔點：650℃）；c.擴散溫度應高于鋁合金的的再結(jié)晶溫度（500℃），促使連接界面附近的母材發(fā)生再結(jié)晶，晶粒得到細化。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接參數(shù)對接頭界面結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 焊接溫度的影響

試驗結(jié)果表明，焊接溫度過低、過高均無法形成有效連接。分析認為：溫度對于金屬原子的自擴散、互擴散、晶界遷移和晶粒長大等有顯著的作用，溫度過低，擴散難以進行，如采用500℃的規(guī)范焊接LD10合金與不銹鋼，焊后試樣外觀良好，但接頭進行線切割金相取樣時，隨著鋁鋼焊接應力的釋放，接頭直接開裂，見圖3a；采用580℃的規(guī)范焊接時，溫度較高，造成鋁合金的局部熔化跡象，尤其是長時間的情況下，鋁合金熔化跡象更加明顯，導致接頭強度低，在線切割時直接發(fā)生接頭開裂，見圖3b；在擴散時間充分的情況下，合適的焊接溫度可實現(xiàn)有效連接，見圖3c，接頭焊合率達到95%以上，如圖4所示。

圖3 不同焊接溫度的擴散焊接接頭

圖4 焊合良好的真空擴散焊接界面

3.1.2 焊接壓力的影響

壓力的作用是消除或減小焊接表面不平，增大連接表面之間的實際接觸面積，連接面實現(xiàn)接觸后，通過材料內(nèi)部原子的擴散實現(xiàn)連接。本實驗采用了膨脹壓差的方式實現(xiàn)鋁合金與不銹鋼的連接，壓力主要來自熱膨脹形成的壓差，壓力值過小，軸向熱膨脹約束不足，在鋁鋼焊接接頭徑向面上壓力不足產(chǎn)生未焊合現(xiàn)象，如小于等于6MPa的軸向壓力下，焊合率偏低，易出現(xiàn)未焊合缺陷，見圖5a；壓力值過大，會使焊件軸向變形增大，尤其是在高溫長時間的情況下，焊件出現(xiàn)嚴重墩粗現(xiàn)象，焊合率低，甚至在鋁合金母材內(nèi)出現(xiàn)裂紋，見圖5b?；嗽囼瀸?2MPa作為最佳焊接壓力規(guī)范，試驗證實，該壓力可使焊件的變形量和接頭質(zhì)量達到良好匹配，見圖5c。

圖5 不同焊接壓力

3.1.3 保溫時間的影響

在鋁合金與不銹鋼擴散焊接工藝中，焊接時間的延長可以促進Fe、Al等元素擴散，使得基體之間的擴散更加充分。圖6為不同保溫時間擴散焊接焊件對比圖：擴散焊接時間太短，擴散不充分，接頭焊合率降低，接頭強度??；擴散焊接時間增長，宏觀可見鋁合金焊件產(chǎn)生變形，微觀可見連接界面和基體的晶粒長大，不銹鋼與鋁合金界面滑移，造成接頭性能的下降；因此合適的焊接時間可使擴散充分，獲得均勻組織的接頭。

圖6 不同保溫時間的擴散焊接接頭

3.1.4 中間層的影響

選擇合適的焊接參數(shù)，無鍍層和有鍍層的焊件均實現(xiàn)了鋁鋼的有效連接，焊合率良好，且擴散層均為1μm左右，如圖7所示；鍍層可部分消除鋁鋼待焊面不平帶來的不利影響，同時鎳層可阻隔Fe原子向鋁中的擴散，形成AL、Ni、Cu元素構(gòu)成的金屬間化合物，相比FeAL金屬間化合物，韌性提高，對擴散焊接接頭性能產(chǎn)生有利影響。

圖7 中間層對鋁鋼擴散焊接接頭

3.2 接頭微觀組織及成分分析

借助掃描電鏡（SEM）及能譜分析可更好地觀察焊接界面處元素的變化，圖8、圖9為無鍍層和鍍鎳層LD10鋁合金與不銹鋼擴散焊接接頭組織成分點掃描、線掃描照片。

由圖8、圖9看出無鍍層和鍍鎳層鋁合金與不銹鋼的連接界面均實現(xiàn)了Fe、Al、Cu等元素的擴散，形成了連續(xù)且均勻分布過渡層；鍍鎳層點掃顯示，鎳層阻礙了Fe元素的擴散，擴散層中Ni元素的比例增大。EDS線掃描結(jié)果進一步顯示焊接界面處發(fā)生了Fe、Al等元素擴散，對于鍍鎳擴散焊接頭，鎳元素參與擴散明顯。表明在焊接溫度、壓力及保溫時間的作用下基體元素形成了一薄層的金屬間化合物，焊接工藝參數(shù)直接影響其厚度，文獻指出，在金屬間化合物層厚度在0.2～2μm時，接頭性能達到最優(yōu)；金屬間化合物層厚度太薄或太厚，將導致元素擴散不充分或脆性相過多，接頭性能差。此外，對于鍍鎳層擴散焊接接頭，由于Ni元素參與擴散，且形成阻隔，形成的金屬間化合物韌性高于Fe、Al元素構(gòu)成的金屬間化合物，剪切強度會有所提高。

圖8 鍍層鋁鋼擴散焊接接頭掃描電鏡

圖9 鍍鎳層鋁鋼擴散焊接接頭掃描電鏡

3.3 接頭力學性能分析

圖10 整體剪切試樣

采用優(yōu)選工藝參數(shù)進行鋁鋼擴散焊接，并對接頭進行常溫剪切試驗?？紤]到柱面結(jié)合鋁合金與不銹鋼異種金屬擴散焊接接頭存在較大焊接應力，在線切割取樣的過程中應力釋放造成剪切力的不均勻性，切取試樣加工工藝繁瑣且力值存在測量偏差，采用整體剪切模式。整體剪切能更好地反應實際受力情況，為工程應用提供有效合理的數(shù)據(jù)積累，剪切試樣見圖10。

剪切強度約100MPa，斷口掃描照片如圖11所示，剪切發(fā)生在鋁合金一側(cè)，不銹鋼上粘連了較多鋁合金，對剪切試樣進行斷口觀察，斷面為河流樣層片狀組織，進一步放大倍數(shù)，看到很多小而淺的韌窩，表明斷口發(fā)生了層狀撕裂，對斷口進行能譜分析，主要由鋁元素構(gòu)成。

圖11 剪切斷口及斷口掃描照片

4 結(jié)束語

a. 采用優(yōu)化焊接工藝，獲得焊合良好的LD10鋁合金-C6不銹鋼真空擴散焊接接頭，試件焊合率>95%，剪切強度80～100MPa；

b. 微觀組織分析可見：合理的焊接參數(shù)可獲得擴散充分的連接接頭；

c. 擴散界面成分分析表明：無鍍層和鍍鎳層鋁合金與不銹鋼的連接界面均實現(xiàn)了Fe、Al、Cu等元素的擴散，形成了連續(xù)且均勻分布過渡層；

d. 力學性能測試：剪切發(fā)生在鋁合金一側(cè)，不銹鋼上粘連了較多鋁合金，斷口發(fā)生了層狀撕裂。

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Study on Vacuum Diffusion Welding Between LD10 Aluminum Alloy and C6 Stainless Steel

Liu Min1Cao Peng2Zhang Lina1Zhang Jing1Wang Huabin1Li Yue1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076;2. Liuzhuang Department of Jining Port and Shipping Bureau, Jining 277642)

Because of the different physical and metallurgical properties between the aluminum and steel, it is difficult to join them using the conventional welding method and the brittle intermetallic compounds is easy to produce. In this work, vacuum diffusion welding has been used to create joints between LD10 aluminum alloy and C6 stainless steel. The microstructure, interface composition and overall tensile property of joint were measured and analyzed. The results showed that, the interface between aluminum alloy and stainless steel without coating and nickel coating could achieve the diffusion of Fe, Al, Cu and other elements by optimizing the welding process parameters, forming a continuous and uniformly distributed transition layer. In the mechanical performance testing, shear occurred on the side of aluminum alloy, more aluminum alloy was adhered on stainless steel, the lamellar tear occured at the fracture.

LD10 aluminum alloy；C6 stainless steel；vacuum diffusion welding；microstructure；mechanical properties

劉敏（1987），工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：特種焊接技術(shù)。

2019-06-24