铝/钢微束等离子熔钎焊接头组织及力学性能

0 序 言

随着节能减排政策的提出，实现汽车轻量化已成为当前汽车行业关注与研究的重点. 铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀好等优点，其中，6系铝合金由于高强度和良好的耐腐蚀性被广泛用于汽车车身[1]. 而钢是目前使用最广泛的金属材料，铝合金/钢复合构件结合了铝合金和钢的优势，具有质量轻，强度高等特点，可满足生产成本较低、能源消耗较少的发展要求，在汽车等行业具有广泛应用前景[2]. 但由于铝合金、钢在物理化学性能等方面存在的巨大差异，铝合金和钢在焊接过程中容易出现裂纹、气孔、未熔合等问题，因此如何实现铝合金/钢异种金属的优质连接成为了研究的重点. 扩散焊、摩擦焊、钎焊等焊接方法可实现铝合金/钢异种金属的焊接，但普遍存在生产成本高、焊接效率低、工件尺寸形状受限等问题[3]，熔钎焊已成为当前实现铝/钢异种金属连接的主要方法. 根据焊接热源不同，铝/钢熔钎焊包括电弧熔钎焊[4]、激光熔钎焊[5]、激光+电弧复合熔钎焊[6]等. 北京科技大学Zhang等人[7]通过预置Al-Si钎料，采用MIG+TIG双面弧焊的方法实现了铝合金/不锈钢的连接.Dharmendra等人[8]采用Zn-Al焊丝通过激光熔钎焊的方法实现镀锌钢/铝合金的搭接，并对接头组织及接头力学性能进行分析，研究发现，从钢一侧到焊缝反应层厚度范围为3 ～ 23 μm，当热输入量在60 ～110 J/mm范围内时，接头具有较高的抗拉强度，约220 MPa，且失效发生在铝母材一侧. 对于铝/钢异种焊接来说，普通电弧熔钎焊能量密度低、热输入不易精确控制，激光熔钎焊虽能实现热输入的精确可控，但对装配夹具要求高，焊接成本高，相比之下，微束等离子熔钎焊具有电弧挺度高、稳定性好、能量密度高、焊后板材残余应力小、焊接成本低等优点[9]，但目前将其用于铝/钢异种金属连接的研究较少报道.

试验采用微束等离子熔钎焊的方法，通过在板材表面预置钎料，实现6010铝合金与ST04Z镀锌钢的对接连接，获得成形良好的熔钎焊接头，并进一步分析了铝合金/镀锌钢接头组织及力学性能.

●According to experience accumulated by many generations, pests often appear after heavy rains. Thus, when an omen predicts there would be large-scale heavy rains in the present year, people should sow and harvest earlier, lest pests eat crops after the rainy season.

1 试验方法

试验采用2 mm厚的6010铝合金板与1 mm厚的ST04Z镀锌钢板作为试验材料，其化学成分如表1、表2所示. 一定含量的B元素对于铝合金可以起到细化晶粒等作用[10]，故试验采用Al-B的混合合金粉末(Al:B=92:8)作为预置钎料.

他的老伴儿走了，初听这个消息，我身边的人都格外地轻松愉快。消息如落花般并未在我心里荡起多大波澜，我只是隐隐感到院子里一种莫名的死寂。

表1 6010铝合金化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of 6010 aluminum alloy

Mg Si Mn Cu Zn Ti Fe Al 0.6 ～ 1.0 0.8 ～ 1.2 0.20 ～ 0.8 0.15 ～ 0.6 ≤0.25 ≤0.10 ≤0.50 余量

表2 ST04Z镀锌钢化学成分(质量分数，%)
Table 2 Chemical composition of ST04Z

Mn Si P S Cu Zn Ni 0.08 0.40 ≤0.40 0.02 ≤0.30 ≤0.15 ≤0.15 ≤0.15 C

试验前，将铝合金板与镀锌钢板分别加工成尺寸为 150 mm × 50 mm × 2 mm 和 150 mm × 50 mm ×1 mm的试样，采用钢丝刷和砂纸去除铝合金表面及端面的氧化膜，并用丙酮清洗铝合金与镀锌钢表面及端面以消除板材上的油污. 然后将铝合金板和镀锌钢板置于同一水平面并固定在加工成形槽的焊接夹具上，使两板对接界面处于成形槽中心，将QJ201铝钎焊溶剂和Al-B钎料分别用丙酮调和并依次均匀地涂敷在焊道上表面，钎料涂覆厚度以盖住板材底部为宜，待表面的丙酮蒸发后，采用LHM-50精密微束等离子弧焊机进行6010铝合金和ST04Z镀锌钢的对接熔钎焊工艺试验，其焊接示意图如图1所示.

图1 微束等离子对接熔钎焊示意图
Fig. 1 Schematic drawing of butt welding-brazing welding by micro-beam plasma

焊接过程中，将微束等离子电弧偏向铝板一侧，距焊缝中心1 ～ 2 mm，以保证铝合金/钢熔钎焊接头的形成，并采用纯度为99.99%的氩气对熔池进行正面保护. 焊接完成后，对试样进行切割、打磨、抛光、腐蚀等处理. 通过MEF-3广视场万能金相显微镜观察截面形貌，场发射扫描电子显微镜(SEM)测试所得试样接头的微观组织形貌及金属间化合物层，用SEM原位测量进行金属间化合物层厚度和焊缝铺展宽度测量，用SEM自带的能谱仪(EDS)分析界面不同区域处化合物层的化学成分，采用WDW-100KN的微机控制电子万能试验机对所得接头进行拉伸试验，拉伸速度为1 mm/min，拉伸试样尺寸如图2所示.

图2 拉伸试样尺寸(mm)
Fig. 2 Size of tensile sample

2 试验结果与分析

2.1 接头形貌及组织

在焊接速度80 mm/min，焊枪导电嘴距母材高度6 mm，焊枪离子气流量为0.4 L/min，保护气流量为10 L/min时，进行不同焊接电流下的铝合金/钢微束等离子对接熔钎焊工艺试验. 结果表明，在焊接电流较小时，铝合金与钢无法实现很好的连接，但焊接电流太大则会出现焊穿现象，经试验研究，确定焊缝成形良好的焊接电流范围为35.5 ～ 39.5 A.在焊接电流分别 35.5，36.5，37.5，38.5，39.5 A 下对铝合金/钢进行微束等离子熔钎焊试验，分析不同电流下，焊缝铺展宽度和金属间化合物层厚度的变化及其与抗拉强度的关系. 图3为焊接电流36.5 A时，焊缝宏观形貌. 从图3可以看出，在此焊接参数下形成了成形美观、铺展良好的接头.

图3 I = 36.5 A焊缝宏观形貌
Fig. 3 Weld appearance of welding seaw with I = 36.5 A

对焊接电流36.5 A下所得对接接头横截面微观形貌进行分析，如图4所示. 由图4可知，镀锌钢未熔化，铝合金母材及钎料发生熔化，液态金属在电弧压力、气体吹力、表面张力等的作用下向钢一侧润湿铺展，获得正、背面皆铺展良好的铝合金/钢熔钎焊接头. 定义焊缝铺展宽度为液态金属从界面铺展到钢一侧铺展角的长度，图4中通过SEM原位测量，焊接电流36.5 A时焊缝正面铺展宽度为3.125 mm，焊缝背面铺展宽度为3.486 mm，焊缝背面的铺展要大于焊缝正面的铺展，这是因为微束等离子焊接速度较小，使得加热及冷却速度较低，熔融态维持时间较长，液态金属在电弧压力、重力、表面张力的作用下，流向钢侧背面的量增加，在冷却时间较长的情况下，获得比正面铺展更大的背面铺展.

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课程目标：与传统教学不同的是，在课程目标的制定上，教学对象的开放性决定了课程目标多元化价值取向，除了掌握基础知识、训练基本技能、培养思维能力等，成人学习与在职学习也决定了课程目标增加充实个人发展以适应社会的目的。

图4 I = 36.5 A时焊缝横截面微观形貌
Fig. 4 Cross-section microscopic morphology of weld joints with I = 36.5 A

对图4中界面层不同区域进行扫描电镜分析，A，B，C三个区域微观结构的SEM背散射图像如图5所示. 从图5中可以看出，界面处形成了锯齿状的Al-Fe金属间化合物，对不同区域的金属间化合物层厚度进行SEM原位测量，每个区域取三个不同位置，然后求平均值. 结果表明，B区域金属间化合物层厚度最大，A区域次之，C区域金属间化合物层厚度最小，这是因为微束等离子电弧挺度高、热源集中，在焊接过程中B区域受到的温度最高，液态金属冷却时间最长，极大地促进了金属间化合物的生长，焊缝背面受到的热量最少，焊接过程中温度最低，液态金属冷却时间短，金属间化合物的生长慢. 为进一步确定界面处Al-Fe金属间化合物的类型，采用场发射扫描电子显微镜自带的能谱仪对图5中的B区域进行点扫描分析，扫描结果如表 3所示，Al，Fe原子数比约为 5:2. 结合 Al-Fe相图及表3中1，2，3处的点扫描结果，确定该界面层处形成的金属间化合物为Fe2Al5.

图5 界面层不同区域微观形貌
Fig. 5 Cross-section microscopic morphology of different areas of joint interface

表3 金属间化合物层不同区域点扫描结果(原子分数，%)
Table 3 Point scanning analysis of different regions of intermetallic compound layer

位置 Al Fe Si 1 70.2 29.4 0.4 2 71.7 27.9 0.4 3 71.1 28.7 0.2

2.2 金属间化合物层厚度及焊缝铺展宽度对接头抗拉强度的影响

对铝合金/镀锌钢拉伸试样进行拉伸试验，根据式(1)、式(2)将试验所得拉伸负荷–变形曲线转化为应力–应变曲线.

式中：σ为单位面积上所受应力；P为拉伸试验期间某瞬间时施加的的负荷；S为试件标线间初始截面积；ε为应变；∆L为变形量；L0为拉伸前试样的标距长度. 图6为焊接电流38.5 A时，铝合金/钢微束等离子焊接接头及铝合金母材的应力–应变曲线，铝合金/钢熔钎焊接头抗拉强度可达193 MPa，为铝合金母材抗拉强度的79.8%.

图6 接头及铝母材应力-应变曲线
Fig. 6 Stress-strain curve of joint and aluminum base metal

对熔钎焊对接接头的断裂形貌进行分析，断裂试样宏观形貌如图7所示. 从图7中可以发现，断裂位置为铝合金/钢竖直界面及焊缝铺展处，这主要是因为界面区域生成脆硬金属间化合物层导致的，另外在接头顶部焊缝区出现撕裂，结合接头强度判断液态金属在钢一侧的铺展在一定程度上可能对接头的断裂起到了阻碍作用. 为进一步分析界面的断裂形式，对竖直界面及焊缝铺展区断裂界面处进行SEM分析，如图8a，b所示，竖直界面处的断裂为典型的解理断裂，焊缝铺展处的断裂为韧窝断裂，综合分析可知，接头断裂为韧脆混合型断裂.

图7 断裂试样宏观形貌
Fig. 7 Macroscopic morphology of fracture specimen

图8 断裂接头微观形貌
Fig. 8 Microscopic morphology of fracture joint

根据断裂情况分析，竖直界面处的断裂与此处金属间化合物层有关，而金属间化合物层厚度则是影响接头强度的一个重要因素，另外铺展影响着焊缝处的断裂，因此对竖直界面处的金属间化合物层厚度与焊缝铺展宽度进行研究. 图9为不同焊接电流下接头竖直界面处金属间化合物层厚度的变化.

由图9可知，随焊接电流的增大，金属间化合物层厚度逐渐增加，这是因为在其它数不变的情况下，焊接电流增加，液态金属熔化温度及熔池内部温度增加，高温度下Fe原子及Al原子之间的扩散加剧，进而促进了Fe原子及Al原子之间的反应，金属间化合物层厚度增加.

2.1 2 组癌痛患者居家自我管理能力得分比较 观察组情绪管理、不良反应管理、疼痛监测、工作与休息管理、治疗依从性、饮食管理得分及自我管理能力总分均高于对照组(P<0.05),见表1。

图9 金属间化合物层厚度随焊接电流变化
Fig. 9 Variation of intermetallic compound layer thickness with welding current

除了金属间化合物层厚度，焊接电流对焊缝铺展宽度也有显著影响. 图10为焊缝正、背面铺展宽度随焊接电流的变化，从图中可以看出，随着焊接电流的增大，焊缝正、背面的铺展宽度皆呈先增大后减小的趋势，且不同焊接电流下焊缝背面的铺展皆大于焊缝正面的铺展，38.5 A时焊缝铺展最大，正面铺展为6.102 mm，背面铺展为6.742 mm.

图10 焊缝铺展宽度随焊接电流的变化
Fig. 10 Variation of weld spreading width with welding current

金属间化合物层厚度变化时，接头抗拉强度变化如图11所示. 从图11中可以看出，随着金属间化合物层厚度的增加，接头抗拉强度先增大后减小，且当金属间化合物层厚度变化较大时，接头抗拉强度随之发生较大变化，可见金属间化合物层厚度对接头抗拉强度有着重要的影响.

图11 接头抗拉强度随金属间化合物层厚度变化
Fig. 11 Variation of tensile strength with intermetallic compound layer thickness

从断裂情况可以发现，焊缝铺展对于接头断裂起到了一定的阻碍作用. 图12为焊缝正面铺展宽度变化时，接头抗拉强度的变化，分析发现随着焊缝铺展宽度的增加，接头抗拉强度随之增大，这说明焊缝铺展宽度的增加有利于接头抗拉强度的提高. 另外，焊缝铺展宽度在2.5 ～ 4.0 mm范围内时，随焊缝铺展宽度的增大接头抗拉强度增加明显，当焊缝铺展宽度大于4 mm时，虽然接头抗拉强度随之增大而增加，但增加幅度逐渐减缓.

图12 接头抗拉强度随焊缝铺展宽度变化
Fig. 12 Variation of tensile strength with weld spreading width

采用微束等离子焊的方法可以很好地实现铝合金/钢的对接，但该方法下所得接头界面处金属间化合物层相对较厚. 普遍认为，要获得良好的铝合金/钢接头，界面金属间化合物层厚度不能超过10 μm[11]，试验采用微束等离子进行铝合金/钢异种金属焊接，竖直界面区域金属间化合物平均厚度约为45 μm，但由于焊缝处形成良好的铺展，正、背面铺展宽度皆在2.5 mm以上，仍可获得强度较高的熔钎焊接头，但这并不是说金属间化合物层厚度对接头强度影响不大. 分析发现，金属间化合物层厚度和焊缝铺展宽度共同影响着接头强度，在金属间化合物层厚度小于平均厚度45 μm时，接头强度在很大程度上受到了焊缝铺展宽度的影响，铺展宽度增大，接头强度升高，而一旦金属间化合物层厚度超过45 μm，焊缝铺展宽度对接头强度影响不大，金属间化合物层厚度对接头强度起决定作用，金属间化合物层厚度的增大使接头强度显著降低，说明金属间化合物层厚度太大对接头强度是不利的，需要将其控制在一个合适的范围内；另外在一定范围内，焊缝铺展宽度对接头强度的影响较大，当铺展宽度超过一定值后，继续增大铺展宽度，对接头强度影响不明显，综合分析可知，要想获得良好的铝合金/钢熔钎焊接头，需同时控制金属间化合物层厚度和焊缝铺展宽度[12].

园博会要在主题上不断创新与持续性改进，建立不同城市地方微缩景观、展示城市传统文化成为园林展的惯例，随着举办次数的增加，传统文化展园将失去吸引力，江苏省园博会应深挖主题，提升科技内涵与特色，注重创新性与实践性，从单一的文化展示走向思想与信息的深入互惠，注重园林园艺新科技、园林园艺新材料、园林园艺新思想的展示与游客的互动交流，突出绿色、环保、惠民、共享的理念，展示海绵技术、智慧技术等新型生态园林技术［3］，用互动参与、科普宣传等方式将园林与科技、园林与生活、园林与人文、园林与艺术有机联系与整合，实现文化为魂、科技引领、创意生活的特色园博会。

3 结 论

(1) 采用微束等离子进行6010铝合金/钢对接熔钎焊试验，所得接头成形美观，焊缝正、背面铺展良好，接头无气孔、裂纹、夹渣等明显缺陷，焊接电流为38.5 A时，熔钎焊接头抗拉强度可达193 MPa，为良好的铝合金/钢熔钎焊接头.

(2) 试样断裂位置为接头竖直界面处及焊缝铺展处，竖直界面处的断裂为解理断裂，焊缝铺展处的断裂为韧窝断裂，综合分析接头断裂为韧脆混合型断裂.

(3) 接头强度的高低由金属间化合物层厚度和焊缝铺展宽度共同决定，要获得良好的铝合金/钢熔钎焊对接接头，需要同时控制金属间化合物层厚度和焊缝铺展宽度.

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