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铝合金/不锈钢预涂层TIG熔—钎焊特性与界面行为研究

宋建岭  
【摘要】: 铝合金与不锈钢的复合结构具有质轻、高强、耐腐蚀等方面的综合优势,在航空航天、汽车制造及造船等领域中应用越来越广泛,然而两者之间固溶度低,热物理性能差异大,且极易反应生成脆性的金属间化合物,这已成为焊接领域中的难点问题。近来,电弧熔-钎焊方法以其便捷、高效化的焊接特性成为铝/钢异种合金连接中的热门研究方向,促进液态钎料在钢表面的润湿铺展,并控制界面脆性化合物层的生长,是获得优质铝/钢接头的关键问题。 本文首次提出了预涂层TIG熔-钎焊方法,针对3mm厚的铝合金与不锈钢板对接结构,全面地研究了其焊接特性,研制出了适用于电弧加热条件下的预涂层,开发出了接头成形控制技术,获得了具有熔焊与钎焊双重特征的复合型接头。在此基础上,研究了接头微观结构特征,深入分析了界面层的组织形态与反应产物,评定了接头力学行为,建立了界面结构与力学性能之间的联系。进一步,从焊接能量控制与合金元素作用两方面展开研究,分析了焊接热输入对界面温度场分布的影响,通过热力学与动力学分析,揭示了TIG熔-钎焊界面层生长机制,深入研究了合金元素对界面结构的作用,分析了其控制界面层生长的作用机理,实现了铝/钢异种合金的可靠连接。 通过润湿铺展试验和多组元正交试验,获得了综合性能良好的预涂层,分析了其促进钎料润湿铺展的作用机理,阐述了预涂层TIG熔-钎焊接头成形行为,开发出了单面焊双面成形控制技术,获得了成形良好的铝/钢对接接头。预涂层成分为:改性的Nocolok钎剂(KAlF4 65%+K3AlF6 35%) 55wt%,Zn 20wt%,Sn 20wt%,K2SiF6 5wt%。预涂层的作用主要体现在三个方面:一是熔融氟化物钎剂去除液态钎料表面的残余氧化膜,净化液态钎料表面;二是氟化物钎剂分解并覆在熔池表面,显著降低液-气界面张力σl-g;三是Zn和Sn金属液层沉积在钢表面并溶入液态钎料,降低液-固界面张力σl-s。接头成形过程为:预涂层首先熔化,在钢表面形成液态薄膜;随后,焊丝送到坡口根部,紧贴成形槽底部,并迅速熔化,液态钎料在钢板背面润湿铺展,完成背面成形;最后,液态钎料沿坡口表面进行“上坡”铺展,实现正面成形。 研究了铝合金/不锈钢TIG熔-钎焊接头微观结构特征,深入分析了不同填充钎料和焊接热输入条件下的界面结构,测试了接头的力学性能,研究了接头的断裂行为。采用Al-Si12钎料时,界面层厚度分布不均匀,呈锯齿状生长,由τ5-Al8Fe2Si和θ-(Al,Si)13Fe4两层化合物构成,随着热输入量的增加,界面层中θ相生长迅速,整体界面层厚度在3-10μm之间,形态由小锯齿状向粗大锯齿状变化;界面层具有高的硬脆性,在界面层由τ5相组成,厚度在5-7μm之间,呈粗大锯齿状生长时,具有较高的抗裂能力,接头抗拉强度在120-130MPa之间,界面层抗拉强度在80-100MPa之间。采用Al-Cu6钎料时,界面层厚度分布较为均匀,呈短须状生长,由θ-Al13(Fe,Cu)4一层化合物组成,随着热输入量的增加,界面层厚度在2-5μm之间,形态由短须状向粗针状变化;界面层具有较高的抗裂性,当界面层厚度在2-4μm之间,呈短须状生长时,其抗裂能力最强,接头抗拉强度达到170-180MPa,界面层抗拉强度在135-150MPa之间。 运用MARC有限元软件实现了对TIG熔-钎焊界面温度场分布的数值模拟,通过热力学和动力学分析,计算了不同化合物的生长自由能,阐述了界面层的生长机制。温度场模拟结果显示,液-固界面温度分布不均匀,坡口顶部位置与底端位置相差近300℃,加热时间相差2.5s,界面峰值温度在700-1200℃之间,加热时间不超过10s。热力学计算结果显示,随着含Al量的升高,化合物的生长自由能逐渐降低,Si元素的加入能够显著降低化合物的生长自由能,界面处形成含Al量最高的Al-Fe-Si三元相。动力学分析结果显示,界面层的生长行为是由溶解动力学控制的,钢基体在铝液中的溶解过程决定着整个界面层的结构特征,而界面峰值温度对溶解过程起到决定性的影响,界面温度控制在1000℃左右时,界面层由τ5相一层组成,厚度在5-8μm之间,呈锯齿状生长,计算分析结果与实际界面结构相符合,对界面层的生长实现最佳能量控制。 研究了不同含量Si、Cu元素对界面结构的作用效果,揭示了其控制界面层生长的作用机理。Si元素是通过与Al、Fe反应形成Al-Fe-Si三元相来实现对界面层生长控制的,Si元素极易在界面偏聚,增大了Fe原子向铝液中的溶解速度,Si含量在5wt%左右时,界面由τ5-Al8Fe2Si和θ-(Al,Si)13Fe4两层化合物组成,控制界面层生长的作用效果最佳。Cu元素是通过置换固溶于θ-Al13Fe4相中抑制了其择优生长取向来控制界面层生长的,同时形成少量的Al-Cu结合对提高了界面层的抗裂性,Cu含量在6wt%左右时,界面层由θ-Al13(Fe,Cu)4相组成,接头具有最佳的力学性能。


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