（材料学专业论文）铝钢熔敷焊焊接过程保护剂的试验研究.pdf

硕士论文铝- 钢熔敷焊焊接过程保护剂的试验研究 摘要 本文根据铝一钢熔敷焊焊接的难点，结合铝钢焊接的研究现状，设计了铝钢熔敷焊 专用保护剂。利用真空炉、同步热分析仪( d c s t g a ) 、x r a y 衍射仪等设备测试了保护 剂的铺展性能、熔点以及保护剂的物相。采用高频感应热源，对铝钢进行了熔敷焊焊 接。利用s a n s 电液伺服材料试验机、显微硬度仪测试了接头的力学性能，使用光学显 微镜、扫描电镜( s e m ) 分析了接头界面处组织和化合物的组成。 选取1 4 9 保护剂进行铺展试验，结果表明1 3 号样品、9 号样品、1 1 号样品的铺展 性能最好，铺展面积分别是7 9 0 8 m n - i 2 、7 2 0 i 砌2 、6 5 0 4 i m n 2 。而1 4 号样品的铺展面积 最小，为1 4 3 6 5 i n m 2 。 铝钢熔敷焊要求保护剂的熔点为4 5 0 6 3 0 之间即可。对1 3 号样品、9 号样品、 1 1 号样品进行熔点测定，结果表明9 号样品的熔点最低，为4 8 8 ，1 1 号样品熔点为 5 1 3 ，而1 3 号样品的熔点最高，达到了6 1 0 ，是9 号样品熔点1 2 5 倍。 x - r a y 衍射试验表明9 号样品是由k a l f 4 、a 1 f 3 、k 2 a 1 f 5 、c s 2 k a l 3 f 1 2 、k f 、c s a i f 4 等相组成，1 1 号样品中产生了新的相a 1 c 1 3 。在1 3 号样品中，则产生了k c a f 3 和a i c l 3 相。 选用铺展性能较好的保护剂进行铝一钢熔敷焊焊接试验。力学性能表明以1 3 号样品 为保护剂的焊件接头抗剪强度最高，达到1 5 m p a 。硬度测试表明在硬度化合物层上达到 最大，为6 1 2 9 h v o 2 0 扫描电镜分析表明，界面物相主要是f e 3 a 1 、f e a l 2 s i 、舢+ t5 + f e a l 3 相等脆性相，厚度为2 0 u m 。9 号样品为保护剂的焊件接头抗剪强度为1 4 m p a ，s e m 表明 焊件接头处界面分为两层，钢侧层化合物厚度为1 5 u m ，主要组成a i + t5 + f e a l 3 ，铝侧 和金属件化合物之间是一些呈弥散状分布的部分化合物，有加强接头强度的作用。1 1 号样品为保护剂的接头抗剪强度为8 m p a ，其界面主要由f e a l 2 + a a i 和f e a l 3 以及a lo 7 2 f eo 1 s s i o 1 0 所组成。 s e m 电镜照片表明在铝一钢熔敷焊接头处部分位置存有残渣，以1 1 号保护剂的残渣 量最多，连续分布在铝一钢界面处，使铝原子和铁原子没有结合。13 号样品残渣块成大 块状，断续分布在铝一钢接头钢侧。9 号保护剂的焊件接头处残渣成点状，紧密排列分布 在铝一钢熔敷焊接头的金属间化合物中。焊件接头处的残渣分布状态和保护剂中的组分 有很大关系，1 1 号样品中有起上浮效果的k c i ，导致保护剂残渣在随着k c l 上浮过程 中，由于冷却速度快，停留在接头界面偏铝侧。 关键词：保护剂、金属间化合物、铝钢熔敷焊、a 1 2 0 3 硕士论文铝钢熔敷焊焊接过程保护剂的试验研究 a b s t r a c t a s p e c i a lp r o t e c t i o na g e n tw a sd e v e l o p e df o ra l u m i n u m - s t e e lf u s i o nw e l d i n gi nt h i s d i s s e r t a t i o n ，b a s i n go nt h ed i f f i c u l t yo ff u s i o nw e l d i n gb e t w e e na l u m i n u ma n ds t e e la n d c u r r e n tl e v e lo fw e l d i n gb e t w e e na l u m i n u ma n d s t e e l u s i n gv a c u u mf u r n a c e ，s i m u l t a n e o u s t h e r m a la n a l y z e r ( d c s - t g a ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t oc o m p a r et h es p r e a d i n ga b l i t yo ft h e p r o t e c t i o na g e n t ，t of i n dm e l t i n gp o i n ta n dt h ec o m p o n e n t so f t h ep r o t e c t i o na g e n t u s i n g h i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nt or e a l i z et h ef u s i o nw e l d i n gb e t w e e na l u m i n u ma n ds t e e l u s i n g s a n s t e s t i n gm a c h i n e ，h a r d n e s st e s t e rt od e t e r m i nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f j o i n t s u s i n g o p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t oa n a l y s et h ej o i n ti n t e r f a c e o r g a n i z a t i o na n dt h ec o m p o s i t i o n n l er e s u l to fv a c u u mf u r n a c es p r e a d i n gt e s tf o rp r o t e c t i o na g e n tf o rs h o wt h a tt h e s a m p l e1 3 、s a m p l e9 、s a m p l e1 1h a st h eb e s to f t h es p r e a d a b i l i t y , s p r e a d i n ga r e aa r e7 9 0 8 m m 2 ， 7 2 0 m m 2 6 5 0 4 m m 2 w 1 l i l et l l es a m p l e14h a st h es m a l l e s ts p r e a da e r a14 3 6 5 m m 2 i ti so kf o rt h em e l t i n gp o i n to fp r o t e c t i o na g e n tf o ra l u m i n u m - s t e e lf u r s i o nw e l d i n gi s b e t w e e n4 5 0a n d6 3 0 u s i n gd c s t g ae x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h em e l t i n gp o i n t , t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es a m p l e9h a sal o w e s tm e l t i n gp o i n t ，4 8 8 ca n dt h eh i g h e s tm e l t i n gp o i n t o f s a m p l e1 3 ，r e a c h e d6 1 0 ，w h i c h i s1 2 5t i m e so f t h em e l t i n gp o i n to f s a m p l e9 u s i n gx m yd i f f r a c t i o na n a l y s i st od e t e r m i n ec o m p o s i t i o no f t h ep r o t e c t i o na g e n t s ， e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es a m p l e9i sc o n s t i t e db yk a i f 4 ，a 1 f 3 ，k 2 a i f 5 ，c s 2 k a l 3 f 1 2 ， k f , c s a i f 4t h e r ei san e wp h a s ea i c l 3i ns a m p l e s11 i ns a m p l e13 ，t h e r ei st w on e wp h a s e a 1 c 1 3a n dk c a f 3 s e l e c t e d p r o t e c t i o na g e n t sw h i c h h a sab e t t e rs p r e a d i n gp e r f o r m a n c et od of u r s i o nw e l d i n g e x p e r i m e n t sb e t w e e na l u m i n u ma n ds t e e l t h er e s u l t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e se x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h eh i g h e s ts h e a rs t r e n g t hiv a l u ei s15 m p aw h i c hu s e ds a m p l e13 ，a n di nh a r d n e s s t e s t ，t h eh a r d n e s sr e a c ht h el a r g e s tv a l u e612 9 h v 0 2i nt h ec o m p o u n dl a y e rp a r t u s et h e r e a c t i o n - s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n a l y s e rt os u r et h em a i ni n t e r m e t a lc o m p o u n d ，t h e r e a r ef e 3 a l ，f e a l 2 s i ，a l 竹5 + f e 川3s o m eb r i t t l ei n t e r m e t a lp h a s ei ni n t e r f a c ea n di t sc o m p o u n d s t h i c k n e s si s2 0 u r n t h es h e a rs t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t sw h i c hu s es a m p l e9a sp r o t e c t i o na g e n t i sl4 m p 乱s e mp h o t os h o wt h a tt h ej o i n ti n t e r f a c el a y e rw h o s ep r o t e c t i v ea g e n ti ss a m p l e9i s d i v i d e di n t ot w ol a y e r s ，t h ec o m p o u n dt h i c k n e s so fs t e e ls i d ei s15 u m ，m a i n l yc o m p o s e do f a i + x s + f e a l 3 ，a n dt h e r ei ss o m ed i f f u s es t a t ec o m p o u n dd i s t r i b u t i o nb e t w e e na l u m i n u ms i d e a n dm e t a lp a r t sc o m p o u n d s t h es h e a rs t r e n g t ho fw e l d e d j o i n t sw h i c hu s es a m p l e11a s t a b s t r a c t硕上论文 p r o t e c t i o na g e n ti s8m p a a n dt h ei n t e r f a c ei sc o n s i s to ff e a l 2 + a - a 1 、f e a l 3a n d a 1 0 7 2 f e o 1 s s i o 1 0 s e me l e c t r o nm i c r o g r a p h ss h o w e dt h e r ei sr e s i d u ei nt h ea l u m i n u m - s t e e lf u r s i o nw e l d i n g d e p a r t m e n t 1 1 1 es a m p l e1 1h a sm a x i m u m a m o u n tr e s i d u e s a n dc o n t i n u o u sd i s t r i b u t ei nt h e a l u m i n u m - s t e e li n t e r f a c e k e e ps e p a r a t eb e t w e e nt h ea l u m i n u ma t o m sa n di r o na t o m s t h e r e s i d u eo fs a m p l e13h a sb l o c kf o r m i n g ，s e p a r a t i o nd i s t r i b u t i o ni ns t e e ls i d eo f a l u m i n u m - s t e e lf u s i o nw e l d i n gj o i n t s a m p l e9r e s i d u e sh a sd o tf o r m i n ga n dc l o s e l ya r r a n g e d d i s t r i b u t e di nt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw h i c hf o r m dt h ej o i n to fa l u m i n u m - s t e e lf u r s i o n w e l d i n g t h ef o r m i n ga n dd i s t r i b u t i o no fp r o t e c t i o na g e n t sr e s i d u eh a sm u c h r e l a t i o nw i m t h e i rc o m p o s i t i o n ，s a m p l e11h a si 1w h i c hh a saf l o a t i n ge f f e c t ，w h i c hl e a dp r o t e c t i v ea g e n t r e s i d u e si nt h ef l o a tp r o c e s sw i t hk c i ，f o rt h ec o o l i n gs p e e d ，s t a ya ta l u m i n u ms i d ei nt h ej o i n t i n t e r f a c e k e yw o r d ：p r o t e c t i o na g e n t 、i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d 、a l u m i n u m - s t e e lf u s i o nw e l d i n g 、a 1 2 0 3 i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究牛签名：冽锺雌 加d 年多月碉 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 加o 年汨z 歹日 硕士论文铝- 钢熔敷焊焊接过程保护剂的试验研究 1 绪论 1 1 选题意义 铝钢之间的异种金属焊接是非常具有理论意义和国民经济意义的。因为这种结构 能充分发挥各自材料的固有特性。铝钢结构可使钢的高热强性、高硬度、耐磨性与铝 合金的低密度、高热导性相结合起来，故在国内外工业中都采用了铝与钢焊接结构。 熔敷焊是一种新型的焊接方法，可以实现异种材料的无熔深的焊接，具有广阔的前 景，在兵器行业得到了广泛的应用。 现阶段，铝钢熔敷焊主要困难是焊接过程中的铝母材的容易氧化问题，产生的氧 化膜对焊接不利，阻碍了接头的形成。在焊接过程中加入保护剂，保护剂的作用主要是 去除铝合金高温下的氧化膜，使纯液态铝和钢的接触，使铝钢原子能够互相扩散。 1 2 铝钢焊接技术现状及其分类 目前，实现铝与钢连接的连接方法主要有：粘接、机械连接铆接、螺栓连接等) 和焊接。 焊接作为一种最常用的连接手段，在异种金属的连接中得到了较为广泛的应用。 金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊。压焊和钎焊三大类。从2 0 世纪6 0 年 代开始，许多学者便对铝钢之间的连接进行了详细的研究，铝钢之间的焊接几乎涉及到 焊接领域的各种方法，大体上也可将其分为压焊、钎焊和熔焊。 1 2 1 压焊 现阶段，压焊的方法主要有爆炸焊，摩擦焊以及搅拌摩擦焊等。 摩擦焊是以机械能为能源的一种固相连接方法。它是利用两表面间机械摩擦所产生 的热来实现金属连接的。是一种高效、精密、节能、优质的固相连接技术，在铝钢连接方 面显现出了一定的优势，对铝和钢焊接而言是一种行之有效的焊接方法。一方面，焊接过 程中，高速旋转产生的作用力破坏了铝表面的氧化膜，从而降低或消除了氧化膜的有害作 用；另一方面，由于摩擦焊是在金属不发生熔化的条件下实现的，因此焊接过程可以抑制 砧f e 金属间化合物的生成。 e l l i 酣s 总结了金属间化和物和铝钢焊接接头强度的关系，作者认为金属问化合物 厚度是影响铝与钢焊接的主要问题，作者还进了焊后的回火处理、合金元素比例改变和 工艺参数大小改变对金属间化合物的产生和长大及扩大的影响的试验。作者认为lum 值是金属间化合物厚度的临界厚度值，小于次厚度值的化合物的增加可以增加接头的结 合强度，大于此厚度值的化和物再增加则使接头强度降低【l 】。 * 论 觏”论女 大阪大学的a h m e d e l r e f a e y 在钢板l 镀了层1 0 u m 的锌，与学度为2 m m 厚的 a 1 1 0 0 h 2 4 铝板进行了摩擦焊的试验研究试验得到接头断裂都是往钒测，如圈l l 所示 作裘认为在钏测接头处化台物 | 要以a 1 1 3 f 钆和a 1 5f 。2 形式存在的”i ，这些化和物的 存在小利于焊缝强度，使得接头的脆性断裂的可能性大干韧性断裂。 a ) 销钢界面b ) 错一镀锌制板界面c ) a i f e - z n 托 侧j 延伸 目1 1 ；一钳- 锌的接头便度 l e w i s l 指出通过脖擦焊方法的作j 口温度和时丑j 的控制，j 以防j 川二成有害棚，并 且对大品粒结构的生成也有一定的控制所以这种方法非常适于连接铝和钢异种金属接 头。e l l i o t t 和w a l l a e h i 刮也指出通过摩擦焊接方法获得铝钢异种金属接头比较容易凼 为在焊接过程叶 ，界面变形可以除掉宅 ：j 表憎】顽同的氧化膜，使两者之问结合变得帽对容 易，并且这种方法获得的接头实际使用性能良好。 几本的f u k u m o t o 等人 i 采用摩攘焊方法连接5 0 5 2 铝合会和3 0 4 奥氏体不锈铡。 当选用合适的工艺参数，界面没有束结合区，并且存在较薄的合会层时，叮以得到结合性 能良好的异种材料接头。 刈山科技大学的y o k o y a m a “等人采埘摩擦焊技术连接6 0 6 1 银合会和s u s 3 0 4 不锈 制的对接接头。作者详细研究了加载速率对接头抗拉强度的影响，驰若加载速率的增加， 接头的抗拉强度也随之增加。接头界面的金属叫化合物层的厚度大约为2ui l l ，主要由 f e 2 a 1 5 组成。 士耳其kc a e l i 大学的e m e lt a b a n 和e d i s o nw e l d i n gi n s t i t u t e 的j e r r yeg o u l d 等 人采用直径为1 25 m m 的6 0 6 1 铝合余和a i s l l o l 8 钢材焊接对接接头。作者发现接头界 面处余属化合物主要有f 0 2 a j 5 和f e a l 2 组成。如图i2 所示，通过t e m 作者发现最大厚 度大约为3 5 0 n m 远远小于以自u l 逍出来的数据，接头强度最大可以达到6 0 m p a l 。 顼论立 铝- 铡熔敷焊焊接过程保护荆的h 验研究 i 芏ii 2 锅钢的接头金属问化台物的x r a y 圈 摩擦摩擦焊属于固相焊范畴在焊接过程中，没有液相的出现，可以焊接多种材料， 对异种材料的焊接尤其适用，包括铝合金钢，铝合金镁合金、铝台金钛合金、镁合金 一钛合金的焊接均可实现。但是采用这种方法对接头的形状有很大的要求，要求接头处 最好是圆柱体行的，以便于进行旋转，授以动能。这就限制了摩擦焊的应用范围，降低 了其在实际应用中的可行性。 傅莉1 8 1 采用中问过渡金属铝箔的方法摩擦焊接了l f 6 防锈铝与h r 一2 抗氢不锈钢进， 作者发现没有过高的摩擦压力、顶锻压力和过长的摩擦时问使热塑性变形温度过高而形 成金属间脆性化合物。相反热塑性变形温度过低时- 贝u 不能达到良好地热塑性流变轴向 缩短量低，界面不能很好焊合。采用优化焊接规范参数旎焊的接头力学性能可以达到或超 过l f 6 防锈铝( 退火态) 技术标准规定的ob 一 2 7 0 m p a 的要求。 在各种焊接方法中从原理上讲，爆炸焊方法对焊接异种金属来说是最好的，可以 焊接的异种金属的组合的范囝最广原则上讲爆炸焊是可以实现一切异种会属的连接的 【引。 s e d y k h v s 对铝和钢爆炸焊焊接接头的力学性能特性作了分析，分析认为金属熔化 层的厚度、硬度及其缺陷决定了爆炸焊焊接接头的力学性能，熔化层的厚度和硬度越 大，接头的力学性能越差【l “。 华北工学院狄建华等人用q 2 3 5 的薄板作中间材料实现了l y l 2 铝合金与q 2 3 5 钢 的爆炸焊连接，得到了性能良好的爆炸焊焊接接头。作者认为焊接的成功原因主要是中 间材料所起的作用有，材料层起缓冲碰撞动能作用，使得l y l 2 铝台金具有足够的速度 冲向a 3 钢与之发生高速碰撞将动能转化为原子结合能。插入中间材料后基板的 a 3 钢在碰撞过程中，等于是个刚体，可以减小形变和改变能量在钢板上的分布，减小了基 板发生层状撕裂和接头处被拽开的可能性】。 李荣锋等人【1 1 采用厚l 3 铝板作复层，9 4 5 钢作基层进行铝钢爆炸复合试验。所有 复合板界面焊合良好，界面微观形貌如图2 所示，属冶金结合，并呈波形特征，界面结合区的 3 绪沧日- l 论i 波形不规则臌长长，波幅小。界面焊合率大于9 5 ，结合强度都大j - 6 0 m p a 。通过线扫描 成分分析和微区成分分析推断界面会属间化合物可能为a l f e 。作者指出结合界面特征 足呈波形特征，振幅很小，而波长很长，在界面上存在人量的脆性的金腻问化合物，因此， 在进行爆炸焊时，参数的控制是至关熏要的，必须选择合理的参数大小，爿能控制金属 问化台物的厚度和种类，选到良好的性能要求。 幽13 爆炸焊接头微观组绒 爆炸焊工艺控制较为| = l 难，焊接过程要根据实际情况严格控制炸药量、 爆炸速度 以及界面阳j 隔等给焊接带柬了较大的困难。 搅拌摩擦焊的特点较快的焊接速度，较短的焊接时间，低热量的输入，焊接时的温 度很低，属于固相焊接，同时以| 二这些特点还导致焊接过程叶 低的形变和应力，以上这 些特点使的搅拌摩擦焊的在铝焊接方面具有很高的优势，在航天方面应用最广。 德国的h u s e y i n 等人【1 ”也试验了搅拌摩擦焊技术，作者采用的材料是a 1 6 0 l 3 一t 4 铝合仑和x 5 c r n i l8 1 0 不锈钢。焊后强度为最大可以达到2 5 0 m p a ，结果表明，采用搅拌 摩擦焊可以成功地连接铞钢过渡接头。并且j = 有铝元素发生明显的向钢侧的扩散，其他 元素诸如铁、铬等并没有明显的扩散。在焊核部位的不锈钢粒了和铝之间的扩散也不明 显。接头疲劳性能大约比铝母材低3 0 * 0 。 同本新泻大学的t a k e h i k ow a t a n a b e l l 4 1 等人对搅拌摩擦焊焊接a 5 0 8 3 和s s 4 0 0 的软 钢，实现对接接头的工艺进行了研究。作者发现硐节搅拌头的位置和旋转速度可以实现 锚钢对接接头的连接，较小的旋转速度可以防止铝合金中镁的燃烧，最人的强度的针的 位咒为偏离钢例02 n m a ，并目作者观察了焊缝的接头断面成分，发现金属间化台物主要 集中在接头的上部，中部和下部则没有金属间化和物图14 所示，并且化合物以断裂的 树枝状分靠在接头上部，钢的碎片发现扩散到铝母材侧，而氧化膜则发现随着搅拌头的 运动而移动到位于钢碎片和铝母材之叫的金属化合物中。 碗 论立锚钢熔般焊焊接过程保护剞的试验研究 幽14f e 和a l 接头处s e m 照片a j 接头上部b ) 为接头中路，c ) 为接头底却 1 2 2 钎焊 现阶段钎焊主要是使用a l s i 钎料或者z n 基钎料，在采用真空炉或者保护气炉或 辅以钎剂的情况下进行的钎焊，强度最大可以达到1 2 7 m p a 但是采用钎焊效率低下。 并且受钎荆、钎科温度的影响，只能钎焊熔点较高的一些铝台金，使用范围很窄。 r o u l i n 等人l 】”使用炉中钎焊的方法连接了铝和不锈钢，使用的是4 0 4 7 铝硅钎料和氟 化物钎剂k 3 a i f 6 - k a i f 4 ，温度为6 0 0 ，经检测，作者发现在接头界面存在两个反应层， 第一个是是f e s i a i s ，形成在锚钎料和不锈钢之间，在钎焊开始阶段就已经开始形成， 并且随着保温时问的增长而增厚。第二个为f e a i s 层，形成与第一层与不锈钢之问，是 在达到钎焊温度十分钟以后出现的，如图15 所示，作者发现钎焊温度保温卜分钟左右 的接头剪切强度最大罐大剪切强度为可以达到2 1 m p a 。同时作者认为钎科中硅元素具 有抑制金属间化合物生成的作用。 a ) 达到钎焊温度后5 分钟时的微观成分b ) 逃到钎焊温度i o 分钟后的微观成分 图15 金属问化台物微观成分 n a k a 等人【1 6 1 使用超声波为能量源钎焊接碳钢和铝合金，钎料采用z n a l 钎料，在温 度为6 6 3 k 下保温一定时问经过检测，作者发现界面处有几种不同的反应层所组成，主 要有铝铁金属间化合物组成，在边缘部位有f e z n 和z n - a i 固溶体。作者认为超声波焊 5 绪论 1 1 论文 接时，超声作刖时日j 短时，反应屉主要为富铝金属问化合物为主，当超声作用州问增加， 富铁的金属i l | 】化合物就会生成。富铁的会麒 i j 化合物延展性能强于富铝化台物它的存 在有利与钎逢强度的提高，在此试验中，作者发现蛙人强度达到了1 2 7 m p a 。 埃及的e l s a y e dmh j 主要研究了保温时f n j 对接头性能的影响，作者以含锌 1 4 的钎料金膳为填先会属，保温温度为6 7 3 k ，焊接材料为铝和不锈钢的情况f ，作 者通过不同的加热时问，发现随着加热时间的增加，化台物的种类和厚度发，k 变化，并 目作者认为f e a l 、f e - z n 、和a l z n 等反应物是增加钎逢强度的物质，随着他们的增加， 钎垃的强度也增加。最大可以达到1 4 6 m p a ，焊接保温时间为3 s 。 s h u y i n gl 研究了不锈钢和各种铝台金在空气巾- 的钎焊】艺，采用a 1 一s i 钎料，采 用氟化物活性剂，作者认为焊接_ j 二艺的不同点是山母材组分、阎相温度、铝台金的部分 融化、会届的表而氧化行为决定的。钎焊的难点足在钎科湿润钢材之前，冈钎料与铝合 会发生扩散、溶解反应1 1 ih 现了等温凝固现象，造成钎焊失败。作者使用了种方法，在 钎焊铅台余之间先使钎料湿润钢板，然后钎焊锅台金。 哈尔滨工业人学的何鹏等人| l 采j 1 j 特制的焊宙，以在界面上反应的原理，使用电子 管高频感心压力钎焊机，成功的将纯钒板与不锈钢板紧密的连接起米。检测后，作者发 现在焊膏薄的部位存在a 1 1 3 f e 4 ，反应焊膏较厚的部位存在a 1 1 3 f e 4 、a i f e 、a i f e 3 等脆性 化和物，作者认为s 1 的存在，阻碍了铁铝金属问化合物的生成，限制了接头脆性相的 牛成，接头处界血处越薄，钎缝强度就越高，如罔i6 所示。作者还认为钎焊接头可以表 现为韧性断裂，也可以表现为脆性断裂，这种转换决定干接头脆性层的厚度，只要脆性层 的厚度小大干1 0um ，则埘接头的脆性无明砬的影响。 哈尔滨工业大学董义对铝与不锈钢的接触反应钎焊也作了研究，试验材料为t 业 纯铝与1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢| 2 “。作者发现硅钎焊管能够实现锚与不锈钢的连接，在钎焊接 头中不u t 避免地产生了脆性柏施性桐主要是f e a 】一s - 的混合物。 b 辩露 图i6 锅一钢接头金属问化台 物j 度和接头性能的芰系 a ) 金相显微镜b ) 二i 描电镜 图i7 a l ls i a i 接触反映微观结构 11 硕十论文 铝钢熔敷焊焊接过程保护剂的试验研究 哈工大的冯吉才等人1 2 l 】采用高频感应钎焊纯铝和不锈钢，采用9 9 的颗粒大小为 3 0 u r n 的硅粉作为反应钎焊的反应层，首先用粘结剂均匀的涂在工件表面，钎焊温度大 约8 7 3 k ，钎焊时间为8 s ，压力为3 0 k p a ，接头组织如图1 7 ，接头界面层主要有a i ，睨a i 和a 1 s i 共晶相组成，在反应层的中间部位存在共晶硅和硅单质，但是随着远离反应层， 共晶硅逐渐减少，单质硅增多。 兰州理工大学的李望南【3 3 5 3 】研究了一种适于感应钎焊铝合金和低碳钢的焊膏，成功 的钎焊了q 2 3 5 和纯铝。作者采用了铝硅钎料和氟化物钎剂，以酒石酸钾钠为粘结剂制 成了焊膏。 1 2 3 熔钎焊 熔钎焊是一种新型的焊接方法，主要是通过焊丝的过度，分别与钢母材和铝母材 连接，形成焊缝。焊缝分别具有熔焊和钎焊的特点，焊接方法主要有电弧焊、高能速流 焊以及二者的结合。 铝钢焊接过程不可避免的产生金属间化合物，大量的研究证明金属间接头的性能与 化合物的厚度有很大的关系。不来梅大学的s c h u b e r t 等人【2 4 1 认为实现铝和钢异种金属 焊接最大的困难是金属间化合物的问题，主要是其厚度，作者发现界面处金属间化合 物是通过反应来生成的，可以通过控制反应物之间的扩散，阻碍其接触量，防止金属间 化合物的生长，一般认为金属间化合物的厚度为1 0 u r n 以下为好，接头处的力学性能可 以接受。 现阶段，铝钢焊接的电弧焊研究主要集中在铝合金和镀层钢板的连接上，钢板镀层 现阶段主要是z n ，厚度为3 0 一4 0um 左右时，接头强度较高，李亚江【2 3 】认为镀z n 层越 厚，接头强度越高，可以有效的减少金属间化合物的生成。 d r g 埃恰等1 2 4 j 钢板上堆焊适当的过渡层，选用铝硅焊丝进行连接，并且对接头 的显微组织的形状和分布进行了分析。作者发现不锈钢板上的加上一层铝青铜、铝镍 青铜和铝锰青铜的过渡层，成2 0 m m 的厚度的话，可以得到满意的的铝硅焊缝f 2 5 1 。 哈尔滨工业大学的曹健【2 6 】等人发明了一种预涂层焊接铝和钢的方法，首先采用热浸 镀铝法在钢板待焊接部位表面预置灿涂层，得到a l 涂层钢板，涂层厚度为5 0 2 0 0 u m ； 其次用丙酮对铝板或镀舢钢板的待焊接部位进行表面清理，然后将待焊接部位搭接或 套接在一起，采用m i g 焊机进行焊接，具体为氩气保护，魁s i 焊丝，焊丝与铝板边缘为 3 m m 即完成铝钢的焊接。 b r u c k n e r 认为c m t ( c o l d m e t a l t r a n s f e r ) h p 冷金属过渡技术的提出和发展为铝与钢 异种金属的焊接提供了技术支持。f r o n i u s 公司利用c m t 技术通过对焊接热输入量的精 确控制，在保证钢母材不发生熔化的前提下铝母材熔化，熔化的铝母材及填充金属在钢 母材表面铺展并与之形成钎焊连接，得到了优质的铝钢连接接头。作者2 7 ，2 8 1 做了大量试 7 硕i ：论文 验，强度试验如下表1 1 ，作者通过试验表明c i v i l 可以满足铝钢金属的焊接使用需要。 袭1i 接头强度和母材的关系 b m e l a l st i i cs m m ( m p a ) a i - 0 4 m g - i2 s i t l m m ) d d $ 4 7 g 4 7 g u ( i m m ) 1 4 5 a i - 04 m g - 2 s i f im m y c s g 9 0 1 1 5 m m l1 6 67 a i - 3 m g i im m ) d d s g 4 0 l lm l 1 3 03 a i - 5 m g - m n ( im m ) d d s g 4 0 ( im m j 1 3 45 a i - 5 m g - m n ( i m k s g 9 0 ( 1 5 m f f i ) 】7 5 1 3 石常亮等人田1 采用c m t 焊接电源，焊接了镀锌钢板和铝，作者经研究发现接头界 面组织主要由a f e 和f e a i1 化合物组成，如图l8 所示，接头断裂于铝母材的热影响 区，最高抗拉强度达到9 6 m p a 。作者还研究了c m t 工艺参数对焊接质量和接头组织的影 响，作者认为采用c m t 方法对1 n m a 厚的纯铝和镀锌钢板焊接时，最佳的焊接参数为： 焊枪对中、送丝速度3 9 m m i n 、焊接速度1 39 1 1 1 r “s 、焊接电流6 6 a 、焊接电压1 18 v , 在一定范围内锌层越厚对焊接越有利。 a ) 熔台区上部b ) 熔台区f 部 酗ig 溶合区组织金相图 h t z h a n g 圳采用c m t 的焊接方法焊接镀锌钢板和a l l 0 6 0 ，1 2 r a t a 焊丝，焊丝输 入为铝合金边缘，焊缝金属间化合物厚度最大4 0 u m 作者发现尽管金属间化合物厚度较 大，但是焊缝拉伸试验，断裂在铝母材热影响区。作者采用了2 种工艺参数，如图1 9 所示。作者比较了2 中不同的工艺参数条件下的焊缝情况，发现热量输入低，有利于焊 缝成型，如图1 1 0 ，有利于减少金属间化合物的厚度，在低输入时，金属间化合物主要 有f e 2 a i ”但随着热量输入的增加，在钢侧主要有f e a b 组成，f e a l 3 向焊缝扩敝，如 表l2 和1 l l 所示，但不利于接触角的降低 硕论文铝钢熔啦焊焊接过程保护剂的试验研究 a ) d 、参数情况下 b ) 人参数情况下 图1 1 0 焊缝成l g 情况 日本大阪大学的m u r a k a m i 等人口”单独使用ml g 电弧钎焊的方法，将冷轧普通碳 钢板和纯铝板( a 1 0 5 0 p h 2 4 ) 形成了较强的搭接接头，作者发现在钢侧和铝基钎料的界面 e 发现了大量的规则形状的金属问化合物，作者认为主要有矩阵状的a a i 、网状的 a j s j 共晶体和片状的a j f e s i 金属问化合物。经过扫描电镜测试，作青发现当会属问 化和物的厚度保持在25 u m 左右时，接头的结台性能良好，如图1 1 3 所示。作者还研究 了坷：同焊接速度下的微观组织图，发现焊接速度焊接速度和金属问化合物的厚度之叫的 关系，速度越快，厚度越薄，如图l1 4 和11 5 所示。其横向拉伸强度大约为8 0 m p a , 断 裂在铝母村的热影响区处。 雷振等人”使用激光与电弧的复合热源，将5 a 0 2 铝台余与表面镀锌的q 2 3 5 钢板 连接起来，形成措接接头，焊后作者经会相照片，扫描电镜分析，发现接头断裂主要位 于铝台金侧，作者认为这是因为铝合金的热处理软化的作用，接头处存在脆性相。 一型i 亘 l * i 小参数b 1 人参数 幽1 1 3 接头s e m 照片 a 砷2 m l m i nb ) 04 m l m i nc ) 0 6 m l m i n 蚓l1 4 小同焊接连度的接头微观组织 鋈鋈鋈鎏一黟堑鬈一釜羹 顿论立 斜一制端教焊料接过程保护荆r 验研究 t h d 黼o f - t n 眦 m 州馘聃n 图1 1 3 金属间化台物厚度和 接头性能的关系 1 3 熔敷焊焊接技术的研究现状 w m 帕d “m r d n 图11 5 接头金属问化台物的 厚度和焊接速度的关系 熔敷焊方法是指采用某种加热方式使预置在钢基体上的合金局部或整体熔化与钢 基体发生冶金结合，而钢基体不熔化的一种焊接方法。 熔敷焊方法通过严格控制焊接热输入，在钢表面镀层或堆层工艺，能够成功实现低 熔点金属与钢的优质接头，并且其具有高效节能、灵活方便的特点。现阶段铝一钢熔敷 焊的文献较少，铜一钢熔敷焊的研究应用已经比较成熟。南京理工大学的王克鸿、徐越 兰“”采用高频感应的方法实现了在钢表面熔敷了纯铜，经过金相、s 酬和e d a x 测试发现 界面处稀释率几乎为零”，如图11 6 、图1 1 7 、图11 8 所示。力学性能和软态t 2 铜 的力学相当，如表i3 所示 凹117s e m 照片 。琵睁垂e晴器r 论顺 。论z i 蛐w ，。j 瓦羽 a 域扫描位置图b ) 线扫描成分圈 图i1 8 界面与铜层能谐扫描 表l 3 力学性能测试结果 1 4 本论文的主要研究内容 本论文分析了铝钢焊接的现状和不足之处，结合铜一钢熔敷焊研究应用基础，提出 了铝一钢熔敷焊的想法 ( 1 ) 结合铜钢熔敖焊焊接工艺，根据铝钢熔- 钎焊焊接的特点选择铝钢熔敷焊 合适的热源并且确定了工艺参数。 ( 2 ) 分析铝一钢熔敷焊的难点，首先铝钢熔敷焊过程中，铝在高温熔化后会和空气 中的氧结合，生成一层氧化膜，使焊接过程不能进行，所以在焊接过程中，应该使用保 护剂去除这层氧化膜。针对铝母材，保护剂的选择是个重点 ( 3 ) 就是纯净的铝液在钢板上面，铺展效果也不好。对制各的保护剂进行真空炉 中铺展试验，对比其铺展性能。采用d s c - t a g 设备进行熔点测试试验，根据d s c 曲线 测定其熔点。采用x - r a y 衍射试验，分析其组分。 ( 4 ) 采用合适的保护剂进行铝钢的焊接，对接头进行力学性能测试，力学性能主要 是抗剪强度和接头界面处显微硬度。采用o m 和s e m 确定微观结构和接头界面处微观 物相，分析不同保护剂对力学性能的影响。 滋 硕士论文铝钢熔敷焊焊接过程保护剂的试验研究 2 试验方法 2 1 试验材料 试验选取的铝板为l y l 2 ，l y l 2 为铝一钢一镁系中豹典型硬铝合金，综合性能较好， 是硬铝中用量最大的。该合金的特点是：强度高，有一定的耐热性，可用作1 5 0 0 c 以下 的工作零件。温度高于1 2 5 0 c 时，l y l 2 铝合金的强度比7 0 7 5 铝合金的还高。热状态、 退火和新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，焊接时易产生裂纹，但 采用特殊工艺可以焊接，也可以铆接。这种板材广泛应用于导弹构件、卡车轮毂、螺旋 桨元件、飞机结构( 蒙皮、骨架、肋梁、隔框等) 及其他各种结构件。钢为q 2 3 5 。 具体成分如下表2 1 、2 2 ，物理性能如表2 3 。 表2 。l 铝母魏缀成 交2 2 钢母材成分 注：表中都是w t 表2 3 铝母材和钢性能对比 宙表2 1 可以看出l y l 2 含有较多的合金元素，成分晓较复杂。 2 2 铝- 钢熔敷焊设计 2 2 。薹铝钢熔数焊热源选择 熔敷焊的焊接方法可以采取t i g 焊，等离子焊、真空炉中焊闱等多种方法，这些 方法对铝钢熔敷焊焊接而言，要不热输入量大7 7 1 ，温度高，不便于控制热输入，要不就 是冷却速度慢，不利于控制金属件化合物的厚度。 高频感应加热具有加热时间短，局部加热，温度不高，便于控制等优点f 删，符合铝 2 试验方法硕上论文 钢熔敷焊焊接工艺的要求，选择高频感应