铝钢异种金属焊接性能的研究

1. 概述

近年来,随着节能减排和环保要求的提高,在保证汽车安全性能的前提下,汽车轻量化成为了汽车工业发展的重要方向.铝以其在地球上的储量大、密度低、比强高、耐腐蚀性强等大量优点,使其在汽车轻量化进程中得到广泛应用.当前大量交运工业都采用了'以铝代钢'的铝/钢焊接复合结构.国内外科研工作者研究了多种铝钢焊接的方法,如扩散焊、爆炸焊、摩擦焊、熔化焊、钎焊、熔钎焊等,但存在异种材料连接强度不高或者连接方法使用范围受限等缺点.

冷金属过渡焊(CMT)是一种新型焊接技术,能够实现送丝与焊接中焊丝熔滴过渡的相互协调,具有无飞溅、热输入低和效率高等优点,有着广阔的应用前景.铝/钢界面的金属间化合物及种类将严重影响铝/钢焊接接头性能,而影响CMT焊接工艺性能的主要参数有:焊接电流、焊接时间、电弧电压、焊接速度和送丝速度等.

本文基于C M T焊接工艺技术,探究了1050铝合金板和Q235镀锌板焊接接头的微观组织和力学性能.

为了使评价指标权重的确定更加科学准确，本文将层次分析法和熵值法结合起来使用，取其权重的综合值作为指标的综合权重.既能够充分考虑专家的知识及经验，又可以减少在指标权重确定的过程中主观随意性影响，使评价结果更加客观可靠[6，8]。 综合权重计算公式为:

2. 试验材料及方法

选用规格为50mmX250mmX 1mm的1050铝合金板和Q235镀锌板作为焊接材质,焊丝选用直径为1.2mm的ER4043(AlSi5)焊丝.采用奥地利Fronius公司生产的TSP5000CMT数字化冷金属过渡焊机.焊接接头形式为搭接接头,铝合金板在上,镀锌板在下.

焊接前先清洗镀锌钢板表面的油污,并在表面涂抹一层特定成分的特种钎剂,置于烘箱中烘干后待用.然后去除铝合金板表面的氧化膜,并用丙酮清洗.铝合金板清理干净后需要立即进行焊接,以防被再次氧化.焊接时的送丝速度为3.9mm/min,焊接速度为300mm/min.焊接后垂直于焊缝取样,分别制备拉伸试样和金相试样.金相试样经镶嵌、研磨和抛光后,先用4%的硝酸酒精腐蚀样品的钢侧,再用0.5%的氢氟酸水溶液腐蚀样品的铝侧,然后在显微镜和扫描电镜下观察组织.拉伸试验在电子万能试验机上进行,拉伸速度为1mm/min.

a）电机的工作环境：设备在铺管船作业线室内使用，高盐雾、高湿度、尘土、金属粉尘等污染物较多，环境温度-20℃～+50℃；

新型职业农民培养的苏南模式是在江苏经济发达地区全面推动城乡一体化的背景下，针对农村劳动力结构性变化引起的“谁来种地”现实问题，基于职业生涯选择、产业体系转型和生产技能提升的多重需求，将新型职业农民培养与高职院校教学改革相融合，确定了本土化来源的青年学生、现有农业经营主体、传统农民三类培养对象，采用三线耦合的培育路径培养青年职业农民、新型农业经营主体、新型农业生产者，定向培养本土化新型职业农民，形成“校地联动、教产衔接、开放共享、终身学习”的人才培养新模式，将职业养成、职业提升和终身学习有机耦合，实现精准培育和开放培养，从而解决谁来种地和如何种好地的问题(图2)。

3. 试验结果及分析

(1)焊缝宏观形貌 焊缝的宏观形貌如图1所示,焊接完成后所得的铝/钢的焊缝均匀连续,表面形成了极其细微的鱼鳞纹,并没有出现一些常见的焊接缺陷,诸如未熔合、咬边等.

图1 焊缝的宏观形貌

(2)焊缝的力学性能 按照GB/T 2651-2008进行焊接接头拉伸试验,制备了两个试样,其中一个试样去除焊缝余高,另一个保留焊缝余高.试验结果如表1所示,焊接接头的抗拉强度达到铝合金母材抗拉强度的70%以上,试验后试样断裂在铝合金母材热影响区附近,断口上分布着许多韧窝,是典型的韧性断裂特征,如图2所示.

以我院2017年1月-2017年12月内收治的386例心脑血管类疾病患者为研究对象,所有患者均符合心脑血管类疾病指征[2],且经系列检查确诊为心脑血管类疾病患者,包括高血压患者128例、冠心病患者146例、疾病兼发患者112例。386例患者中有男性187人,女性199人,患者年龄54.3-80.5岁,平均(72.6±6.2)岁,病程0.5-15.4年,平均(9.5±2.7)年。本实验的纳入标准为患者自愿参与实验、患者无重大脏器类疾病、无传染类疾病、未参与其他类型实验,且所有患者在一般资料方面比较差异无统计学意义,具备可比性。

(3)焊接接头的宏观和微观形貌 焊缝横截面的宏观形貌如图3所示,焊后板材有少量变形.由于铝/钢的熔点差异较大,从而在进行焊接时,铝熔化而钢未熔化.因此,焊接接头主要由熔合区、界面区以及富锌区组成.

焊缝和铝合金板界面的微观形貌如图4a所示,在热影响区组织的形貌特征为等轴晶,而在熔合区组织的形貌特征则变为了柱状晶,柱状晶主要依附于铝合金母材壁形核并长大.由于从熔融的状态下冷却下来,焊缝的晶粒较为粗大.经分析,该熔合区主要由a-Al和Al-Si共晶组成.图4b所示为热影响区和熔合区的扫描电镜组织特征形貌.由SEM图可以发现,熔合区还存在一些'缩孔'现象.缩孔的出现和柱状晶的形成会严重影响焊接接头的力学性能.

富锌区存在于铝/钢搭接焊接头的焊脚部位,其组织形貌特征显著区别于熔合区的组织形貌特征,具体特征如图5所示,富锌区面积不大、呈楔形.通过SEM及EDS对图中红色区域进行分析,可以发现此处含有大量的Zn,具体结果如表2所示.富锌区的形成主要在于电弧加热过程中,焊接电弧的中心温度较高,而电弧边缘的温度相对较低,从而不能完全熔化及蒸发掉钢表面的镀锌层,加上受到液态铝合金的推动作用,导致剩余的未被挥发的锌聚集在电弧的边缘处.在富锌区和镀锌板之间几乎没有任何的界面区域,这就说明在该处很少发生Al元素和Fe元素的扩散反应.

表1 焊接接头拉伸试验结果

试样 铝合金母材 去焊缝余高试样 保留焊缝余高试样抗拉强度/MPa 140 107 107

图2 拉伸试样断口形貌

图3 焊缝横截面宏观形貌

图4 焊缝和铝合金板界面的微观形貌

图5 富锌区的微观形貌

铝钢界面处的微观形貌如图6所示.铝/钢焊接接头界面处存在一定厚度的中间化合物层.化合物厚度较薄,向铝合金方向呈锯齿状生长.为进一步分析界面层中的化合物,对其进行线扫描能谱分析,结果如图6b所示.界面区是由Fe、Al两元素相互扩散结合所形成的过渡区域,从钢侧到铝侧,Fe元素含量下降,Al元素含量急剧上升,呈梯度变化.另外由于是先腐蚀钢侧,再腐蚀铝侧,导致F元素在钢侧表面有残留.

根据Fe-Al二元合金相图,在不同温度时铁与铝可以形成FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等金属间化合物.有研究表明,当金属间化合物层越厚时,铝钢焊接接头的力学性能越差.一般认为金属间化合物层在10μm时最佳.当金属间化合物层过厚时,金属间化合物的脆性将严重降低接头强度;当金属间化合物较薄时,它的脆性特点就可以被忽略,此时焊接接头的性能主要取决于母材的性能.

表2 富锌区的EDS成分

元素 Al Si Zn Fe重量百分比(%) 50.66 6.85 42.17 0.32

图6 铝/钢界面区的微观形貌和线扫描结果

4. 结语

(1) 1050铝合金板和Q235镀锌板的CMT熔-钎焊缝成形良好.

(2) 焊接接头主要由熔合区、界面区以及富锌区组成.在铝钢界面处形成了较薄的界面层,界面层向铝合金方向呈锯齿状生长.

(3) 在对焊接接头进行拉伸试验时,焊缝余高的去除对焊接接头的抗拉强度影响不大.在本文的焊接试验条件下,焊接接头的结合强度达到了铝合金母材的70%.焊接接头的断裂形式为韧性断裂,断口由韧窝组成.

参考文献:

[1] 李永兵,马运五,楼铭,等.轻量化多材料汽车车身连接技术进展[J].机械工程学报,2016, 52(24):1-24.