余 剛 曹 睿 陳劍虹
蘭州理工大學(xué)有色金屬新材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,730050
為了減少污染、節(jié)約能源,汽車車身結(jié)構(gòu)廣泛采用輕量化的鋁合金[1]。鋁合金和鍍鋅鋼板的熱物理性能存在巨大的差異,采用常規(guī)的熔化焊焊接時(shí),焊接性較差,易萌生裂紋,焊接接頭組織不均勻,存在較大的殘余應(yīng)力,且焊縫中易生成大量硬而脆的Al-Fe金屬間化合物[2],嚴(yán)重影響了接頭的力學(xué)性能和使用性能。
國內(nèi)外很多學(xué)者對鋁合金和鍍鋅鋼薄板的連接進(jìn)行了探索性的研究,其方法主要是熔釬焊連接。焊接過程中,低熔點(diǎn)的鋁合金薄板熔化,同時(shí)鍍鋅鋼板保持固態(tài),通過熔融狀態(tài)的鋁合金在鍍鋅鋼板表面潤濕鋪展形成搭接接頭,從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接。
冷金屬過渡(cold metal transfer,CMT)技術(shù)作為一種新型的異種金屬焊接方法,具有焊接質(zhì)量好、焊接熱輸入低、無飛濺起弧、焊接變形小、無焊后清理工作等優(yōu)點(diǎn),良好的搭橋能力使得焊接過程操作容易,其特殊的熔滴過渡形式使得其在異種金屬焊接中體現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢[3]。筆者采用CMT焊接方法對鋁合金和鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn),研究鋁合金和鍍鋅鋼板的熔釬焊工藝、焊接頭組織特征、焊接缺陷及力學(xué)性能。
試驗(yàn)所用材料為變形鋁合金6061和冷軋熱鍍鋅鋼板HDG60,其物理性能如表1所示。焊接試板變形鋁合金和鍍鋅鋼板的尺寸均為200mm×100mm×1mm,焊接時(shí)選用的焊絲為直徑1.2mm的ER4043(AlSi5)。
表1 鋁合金、鍍鋅鋼板的物理性能
本試驗(yàn)中對鋁合金和鍍鋅鋼板進(jìn)行搭接焊所采用的試驗(yàn)設(shè)備為Fronius公司生產(chǎn)的 TPS3200系列數(shù)字化CMT焊機(jī)。
焊前,先用砂紙和鋼絲刷將鋁合金試件表面的氧化膜去除,再用丙酮去除鋁合金和鍍鋅鋼板上的水漬和油污,最后對清洗后的鋁合金進(jìn)行堿洗和酸洗。將表面處理干凈的試板組合成搭接接頭(鋁合金板在上,鍍鋅鋼板在下)。焊槍施焊方式為“前推”(前進(jìn)方向與傾角相反)方式,夾角為135°,焊接形式如圖1所示。焊接過程中,焊接電流為 45A,電弧電壓為 10V,送絲速度為 3.0 m/min,焊接速度為5.14mm/min,焊接起始電流為55A,收弧電流為40A,采用氬氣保護(hù),氬氣流量為20L/min。
圖1 焊接示意圖
焊后切取鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊接頭橫截面,用不同腐蝕劑分別對鍍鋅鋼的一側(cè)和鋁合金焊縫一側(cè)進(jìn)行腐蝕。采用OLYMPUS GX51金相顯微鏡、JSF-6700F型掃描電鏡(SEM)及能譜分析(EDAX)對鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊接頭的顯微組織進(jìn)行觀察和分析。
同時(shí)為了檢測鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬熔釬焊接頭的力學(xué)性能,室溫(20℃)環(huán)境下,在WDW-100D的微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn),測量接頭的抗拉強(qiáng)度。焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)按照GBT2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行,焊件接頭上沿垂直焊縫方向切取拉伸試樣,保證焊縫處于試樣中部。拉伸速度為1mm/min,拉伸試樣尺寸如圖2所示。
圖2 拉伸試樣示意圖
通過焊接參數(shù)的優(yōu)化,得到了成形美觀的焊縫。焊接試樣的焊縫表面成形如圖3所示,接頭的正面成形美觀,接頭表面形成連續(xù)均勻、無飛濺、窄而低的魚鱗狀焊縫,從焊接接頭的背面可以看到鍍鋅鋼板顏色略有變化,這表明其鍍鋅層燒損較少,有利于保持鍍鋅鋼板的抗腐蝕性。
采用金相顯微鏡和SEM對鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊接頭橫截面進(jìn)行觀察,如圖4所示(由于顯微鏡鏡頭所限,圖4由3張照片拼接而成)。試驗(yàn)結(jié)果表明,接頭形貌為典型的搭接接頭。據(jù)熔釬焊接方法的特點(diǎn),由于6061鋁合金的熔點(diǎn)僅為610℃,而鍍鋅鋼板的熔點(diǎn)為1535℃,所以在電弧的作用下只有上層金屬(鋁合金)熔化,而下層金屬(鍍鋅鋼板)沒有熔化或只有微熔。接頭由釬焊接頭和熔焊接頭組成。釬焊接頭是實(shí)現(xiàn)鋁鋼釬焊連接的主要部分,主要由中心界面區(qū)、過渡界面區(qū)、富鋅區(qū),以及與焊縫形成釬焊連接的鍍鋅鋼母材組成。熔焊接頭由焊縫(熔化區(qū))、焊接熱影響區(qū)及6061鋁合金母材組成。
圖3 焊縫的宏觀成形
圖4 接頭橫截面宏觀形貌
在CMT熔釬焊過程中,由于Al-Si釬料的熔點(diǎn)較低(為577℃),釬料在電弧溫度下將迅速達(dá)到熔點(diǎn)。當(dāng)溫度高于鋁合金的熔點(diǎn)時(shí),固態(tài)鍍鋅鋼板和液態(tài)鋁合金相互作用。鐵與鋁形成金屬間化合物的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體鋁合金向鍍鋅鋼板表面擴(kuò)散的速度及金屬間化合物的溶解速度,所以鋁鐵擴(kuò)散過程以反應(yīng)擴(kuò)散為主[4]。根據(jù) Fe-Al二元合金相圖,鐵鋁相互作用可形成α-Fe、α - Al固溶體及 Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3及FeAl6等一系列金屬間化合物,其中,F(xiàn)e3Al基合金和FeAl基合金有著優(yōu)異的抗氧化、抗硫化性能以及較高的比強(qiáng)度和中溫強(qiáng)度[5]。由于鐵鋁金屬間化合物的生長系數(shù)的不同,在電弧釬焊的作用下,并不是所有的金屬間化合物均能形成和長大。
2.2.1 中心界面區(qū)組織
對焊后接頭的中心界面區(qū)反應(yīng)層進(jìn)行組織觀察和能譜分析,對結(jié)合面不同部位進(jìn)行線掃描和點(diǎn)分析,如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,焊后接頭界面形成了一種亮灰色的致密新相,其平均厚度為3~5μm,形貌與母材大不相同。新相厚度小于文獻(xiàn)所講的臨界厚10μm[6]。且該新相沿著熔化區(qū)呈針狀生長。靠近反應(yīng)層的鍍鋅鋼板一側(cè),晶粒得到了一定的細(xì)化,這是由焊接熱輸入量不是很大造成的。從圖5可以觀察到Fe、Al元素從鍍鋅鋼板→釬接界面區(qū)→熔焊焊縫金屬有一個(gè)明顯的漸變過程,分別呈下降和上升的趨勢,而其他元素基本保持不變。這是Fe、Al元素向?qū)Ψ交w母材擴(kuò)散的結(jié)果,其中,Al元素向鍍鋅鋼板一側(cè)擴(kuò)散更為明顯。在根據(jù)Fe-Al二元合金相圖和表2可知,鍍鋅鋼板母材Mn含量較高;靠近鍍鋅鋼板一側(cè)生成的鋁鐵金屬間化合物為Fe3Al;近熔化區(qū)一側(cè)生成的金屬間化合物為FeAl3;中間區(qū)的金屬間化合物為Fe2Al5;熔化區(qū)下部靠近釬焊結(jié)合面的亮白色的為固溶體;焊縫熔化區(qū)主要為α-Al在熔池金屬凝固過程中,達(dá)到共晶溫度時(shí),熔池金屬發(fā)生共晶反應(yīng)并在枝晶邊界生成細(xì)密的(α-Al+Si)共晶,新生成的(α-Al+Si)共晶體附著在熔化區(qū)的鋁基體上。另外,通過能譜發(fā)現(xiàn),界面區(qū)沒有Zn元素,這是由于電弧的溫度較高,而Zn的揮發(fā)溫度僅有906℃,所以在接頭形成過程中鍍鋅鋼板上的Zn主要起穩(wěn)定電弧、潤濕鋪展、引領(lǐng)焊縫成形的作用,最后大量的鋅形成富鋅區(qū),使得結(jié)合界面區(qū)基本上不含Zn元素。整體而言,由圖5和表2可知,沿著鍍鋅鋼板→釬焊結(jié)合面→焊縫熔化區(qū)這條路徑上,相分布變化趨勢為α - Fe 固溶體、Fe3Al、FeAl3、Fe2Al5金屬間化合物、α -Al+Si共晶。
圖5 中心界面區(qū)組織和元素線掃描
表2 中心界面區(qū)組織成分分析(原子百分比)%
2.2.2 過渡界面區(qū)組織
從圖6可以觀察到,焊接接頭過渡界面的反應(yīng)層為2~3μm的致密生成相,這是因?yàn)檫@一區(qū)域電弧的加熱溫度有所降低,從而使得過渡界面區(qū)反應(yīng)層的平均厚度小于中心界面區(qū)的平均厚度。通過能譜發(fā)現(xiàn),如表3所示,靠近鋼一側(cè)的亮灰色的化合物層為FeAl2,中間層灰色的化合物為FeAl3,靠近熔化區(qū)的化合物為富鋁的化合物。
圖6 過渡界面區(qū)的組織特征
表3 過渡界面區(qū)組織成分分析(原子百分比)%
2.2.3 富鋅區(qū)組織
焊接過程中,由于電弧邊緣溫度較低,焊縫中只發(fā)生熔化沒有揮發(fā)的鋅以及鍍鋅鋼板上的鋅被保留下來。保留下來的鋅引導(dǎo)熔融的焊絲和部分熔化的鋁合金母材在鍍鋅板表面鋪展,在熔化的鋁合金的推動下,在接頭的一側(cè)富集形成富鋅區(qū),如圖7所示。富鋅區(qū)是由亮灰色樹枝狀晶體和枝晶間的黑色物質(zhì)組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),由于鋅原子的半徑比鋁原子的半徑小,故在一定程度上阻止了鐵鋁間相互作用,并且由于電弧邊緣溫度較低,在富鋅區(qū)與鋼之間幾乎沒有反應(yīng)層,如圖7所示。鐵鋁間不能生成致密的化合物層,而是生成了絮狀的結(jié)構(gòu),根據(jù)能譜分析結(jié)果(表4),該絮狀結(jié)構(gòu)為Fe-Al-Zn三元化合物相;由鋁鋅二元合金相圖可知,亮白色的為鋁鋅α固溶體,圖7b中亮白色規(guī)則的幾何形狀相為Al-Si固溶體。
圖7 富鋅區(qū)的組織特征
表4 富鋅區(qū)組織成分分析(原子百分比)%
鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊焊接接頭的缺陷主要為氣孔和縮孔,并且這些缺陷主要集中于焊縫熔化區(qū)上部,如圖8所示。氣孔大多數(shù)集中在熔化區(qū)的上部及其邊角區(qū)域,氣孔的直徑一般約為50μm。氣孔形成的原因可能有兩個(gè):一是,鋁合金母材和焊絲表面的氧化膜焊前清理不徹底,導(dǎo)致焊件表面容易吸附水分、油脂等污染物,焊接過程中該污染物受熱分解產(chǎn)生氣體(氫氣、氧氣等),焊縫冷卻過程中沒有及時(shí)逸出而形成了氣孔;二是,由于鋅的熔、沸點(diǎn)較低,高溫電弧使得中心部分的鋅揮發(fā),而CMT焊接方法焊接過程中熱輸入量較低,焊縫的形成時(shí)間短,不足以使全部的鋅蒸汽從焊縫中逸出而形成了氣孔。
在焊接過程中,靠近熔化區(qū)一側(cè)的近熱影響區(qū)中的低熔強(qiáng)化相受熱熔化,液態(tài)的低熔強(qiáng)化相在晶界處聚集,隨后冷卻析出。而在冷卻的過程中,若液態(tài)的強(qiáng)化相在晶界處填充不充足,則在焊后熱影響區(qū)很容易形成“縮孔”。
圖8 鋁合金和鍍鋅鋼板熔釬焊接頭組織中的缺陷
綜上所述,在鋁合金和鍍鋅鋼板CMT法的焊接接頭中存在氣孔、縮孔等焊接缺陷,但由于這些焊接缺陷主要存在于熔化區(qū)的上部,所以對焊接接頭的性能影響較小。
由接頭力學(xué)性能試驗(yàn)可知:焊縫的拉伸試樣斷在熱影響區(qū),斷后的試樣宏觀形貌如圖9所示。焊接接頭的最大承載力為5.13kN,抗拉強(qiáng)度可達(dá)204MPa,其載荷位移曲線如圖10所示。
圖9 斷后試樣宏觀形貌
圖10 鋁合金和鍍鋅鋼板焊接接頭載荷-位移曲線
(1)焊接接頭由釬焊接頭和熔焊接頭兩部分組成。釬焊接頭主要由中心界面區(qū)、過渡界面區(qū)、富鋅區(qū)以及與焊縫形成釬焊連接的鍍鋅鋼板母材組成;熔焊接頭主要由熔焊接頭焊縫、焊接熱影響區(qū)及鋁合金母材組成。
(2)CMT熔釬焊接頭中心界面區(qū)化合物層的寬度大約為3~5μm,反應(yīng)層為致密的Fe2Al5金屬間化合物層;過渡界面區(qū)反應(yīng)層的寬度為2~3 μm,在靠近熔化區(qū)的一側(cè)有灰色的絮狀物,其成分為富鋁的固溶體,在靠近鋼一側(cè)致密的灰色物質(zhì)為FeAl2金屬間化合物層;富鋅區(qū)是由樹枝狀晶的鋁鋅α固溶體和枝晶間的殘留鋁所組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
(3)對鋁合金和鍍鋅鋼板異種金屬CMT熔釬焊焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:斷裂發(fā)生在熱影響區(qū),斷裂部分有頸縮現(xiàn)象,焊接接頭的抗拉剪強(qiáng)度為204MPa。
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