AZ31B镁合金与3A21铝合金的钎焊工艺及机理研究

【摘要】：镁合金作为最轻、最经济的金属结构材料具有比强度和比刚度高、减震吸冲性能强等优点,被誉为新世纪的绿色工程材料,尤其是与铝合金形成的复合结构,不仅能够进一步减轻构件重量,又能同时发挥各自的优点。但镁合金和铝合金在焊接过程中会不可避免地产生大量Mg-Al系金属间化合物,从而严重影响接头性能。本文采用Sn-Zn系钎料对AZ31B/3A21接头进行超声辅助低温钎焊。针对异种材料钎焊过程中出现的界面反应不对称进行分析,结合数值模拟计算和动力学数学模型的建立,指导工艺试验并得到最佳工艺参数,分析了钎料成分、工艺参数(钎焊温度、保温时间)对钎焊接头组织及性能的影响机理。Sn-Zn钎料钎焊AZ31B/3A21异种合金接头可有效阻隔Mg合金与Al合金反应生成有害金属间化合物,能够实现高质量可靠连接。采用Sn-xZn钎料钎焊AZ31B/3A21异种金属所得的接头断裂位置与钎料成分有关。Sn-3Zn、Sn-9Zn、Sn-30Zn三种钎焊接头断裂在AZ31B镁合金母材与钎料层的反应界面Mg2Sn薄层处,其中Sn-30Zn钎焊接头的平均剪切强度最高,为67.3 MPa;Sn-20Zn接头断裂在块体Mg2Sn富集区域;在Sn-40Zn接头中在镁合金母材附近大量生成的块状Mg2Sn连结成厚层,为易断裂层;Sn-50Zn接头断裂层为钎料与3A21母材反应界面,该界面生成Mg-Al系金属间化合物,平均剪切强度最低,仅20.7MPa。Sn-30Zn钎料为最适合AZ31B/3A21钎焊的最佳成分配比。分析AZ31B/Sn-30Zn/3A21钎缝接头的微观组织,在Mg合金与钎料的反应界面上存在一层Mg2Sn化合物薄层;钎缝中心区主要是块状Mg2Sn金属间化合物和固溶体Al-Sn-Zn,且其存在形式为局部弥散分布;在钎料与3A21铝合金母材侧存在一层Al-Sn-Zn固溶体过渡层。Al-Sn-Zn固溶体弥散分布于AZ31B/Sn-30Zn/3A21接头中能够有效地降低接头的脆性,钎焊接头性能显著改善。针对AZ31B/Sn-30Zn/3A21接头的Mg2Sn金属间化合物薄层,进行数值模拟计算和元素动力学扩散分析。Mg2Sn薄层厚度与接头剪切强度服从正态分布规律,并计算出Mg2Sn薄层厚度为2μm时剪切强度最大,可达69.7MPa;通过扩散分析计算出任意钎焊温度和保温时间下钎料与镁合金母材反应界面Mg2Sn薄层的理论厚度;在相同的保温时间下,钎焊温度对Sn原子在Mg中的扩散深度影响较大,在相同的钎焊温度下,保温时间对Sn原子在Mg中的扩散深度影响较小,但对不同深度处Sn原子浓度影响较大。不同的钎焊温度以及保温时间对接头的组织性能影响较大。保温时间影响焊缝宽度和Mg2Sn存在形态。钎焊温度主要决定钎缝中Al-Sn-Zn固溶体的数量及分布,以及Mg2Sn的形态和分布。当钎焊温度330℃,保温时间5s时,采用Sn-30Zn钎料,在超声辅助,大气环境下无钎剂钎焊AZ31B/3A21异种金属接头的剪切性能最佳,平均为69.2MPa。