國旭明, 汪建梅, 徐榮正
(沈陽航空航天大學材料科學與工程學院,沈陽 110136)
鋁/鋼異種金屬連接的復合結構充分利用了鋁和鋼兩種金屬材料的固有優(yōu)勢,其輕量化、多功能性等特點在航空航天、汽車制造等領域具有廣泛應用前景[1,2]。目前,鋁與鋼的焊接工藝方法主要包括固相焊、釬焊和熔化焊三類,對于釬焊和摩擦焊等連接方法來說,盡管可以得到優(yōu)質的焊接接頭,但對工件形狀和尺寸有較高要求,限制了其接頭的形狀和應用范圍。由于鋁與鋼的物理、化學性能存在很大的差異,導致在熔化焊時得到的焊接接頭組織不均勻,有較大的殘余應力存在,容易萌生裂紋,而且焊縫中易生成大量硬而脆的 Al-Fe金屬間化合物[3]。
為了解決鋁/鋼熔化焊界面易產(chǎn)生金屬間化合物問題,國內(nèi)的李亞江等[4]提出在鋼一側鍍Zn,Ag等過渡層可以控制中間脆性金屬間化合物的形成;雷振等[5]提出大光斑激光-電弧復合熱源焊接方法以及石常亮等[6]采用的冷金屬過渡技術(CMT),通過嚴格控制焊接的能量輸入來減少金屬間化合物的生成;Jácome 等[7]研究了釬料中 Si,Mn 的加入對接頭組織和性能的影響,發(fā)現(xiàn)Si可以有效地抑制金屬間化合物層(IMP)的形成。
基于以上的研究,本工作探索了純鋁與鍍鋅低碳鋼板的MIG熔-釬焊工藝,焊絲采用5183型的Al-5Mg和4043型的Al-5Si兩種焊絲,選擇合理的焊接工藝參數(shù),實現(xiàn)了兩種材料的熔-釬焊,對所得焊接接頭的組織和力學性能進行了分析,并對比了Mg,Si元素對焊接接頭的組織和性能的影響。
實驗選用鍍鋅鋼板和純鋁板(1060),尺寸分別為100mm×60mm×2mm和100mm×50mm×3mm。5183和4043焊絲的化學成分見表1,焊絲直徑為1.2mm。焊接接頭采用搭接方式,鋼板下、鋁板上,搭接長度為15mm。焊前用鋼刷和砂紙將鋁板表面的氧化膜、油污清理干凈,然后用丙酮擦拭鋁板、鋼板表面。焊接設備采用Qunito 403MIG焊機的電弧釬焊模式,焊接電流為90A,焊接電壓為19V。
表1 焊絲的化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of the welding wire(mass fraction/%)
焊接后,用線切割沿接頭橫斷面切取15mm×15mm的金相試樣,經(jīng)研磨和拋光,采用配比為1mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO3+95mL H2O 混合酸進行腐蝕。用OLYMPUS GX71金相顯微鏡、KYKY-2008B掃描電子顯微鏡觀察接頭的微觀組織,用能譜儀(EDS)分析金屬間化合物層的化學成分。將試件切割成70mm×6mm的條形試樣作拉伸性能測試,拉伸速率為1mm/min。
圖1為鋁與鋼熔-釬焊的搭接接頭形貌。由于鋁與鋼的熔點相差較大(鋁的熔點是660℃,鋼的熔點是1400℃),在電弧作用下,只有上側鋁板熔化,下側鋼板未熔化,所以焊接過程對鋁而言是熔化焊過程,對于鋼來說是鋁及焊絲熔化后在鋼板表面潤濕鋪展及反應過程,形成圖1所示的典型的熔-釬焊接頭。所以焊接接頭由焊縫區(qū)和界面區(qū)組成。熔化的鋁板和焊絲冷卻結晶形成的區(qū)域為焊縫區(qū),焊縫區(qū)和未熔化的鋼板之間的區(qū)域為界面區(qū)。在界面反應的過程中,焊縫中心處的溫度最高,原子擴散速率最快,所以Al-Fe金屬間化合物生長最快,厚度比焊縫的兩側要大。
圖2顯示了填充焊絲分別為ER5183和ER4043時焊縫與鍍鋅鋼板界面層的微觀組織形貌??梢姾缚p金屬由α-Al基體與晶界分布的共晶相組成。焊縫區(qū)與鍍鋅鋼板的界面處形成了厚度不均勻的反應層。對圖3中的不同化合物層進行EDS分析,結果列于表2中。由于電弧溫度較高,而鋅的揮發(fā)溫度僅為906℃,極易揮發(fā),所以該區(qū)域沒有檢測到Zn元素。當填充焊絲為5183時,金屬間化合物層厚度約為6 ~8μm,由 θ-Al3Fe和 η-Al5Fe2兩相組成,且靠近焊縫區(qū)一側和靠近鍍鋅鋼板一側都參差不齊,表明焊接過程中反應層向兩側生長,靠近鍍鋅鋼板一側呈齒狀,靠近鋁焊縫一側有絮狀組織并向內(nèi)部生長。當填充焊絲為4043時,金屬間化合物層厚度約為3 ~5μm,由 θ-Al3Fe,η-Al5Fe2和 AlFeSi三相組成,反應層也向兩側生長,靠近鍍鋅鋼板一側反應層(η-Al5Fe2相)比較平直,比填充5183焊絲的反應層薄。
圖1 焊接接頭的橫截面圖Fig.1 Cross-section of the aluminum/steel lap joint
表2 金屬間化合物的化學成分(原子分數(shù)/%)Table 2 Composition comparison of IMC(atom fraction/%)
兩種焊絲焊接獲得的界面層形態(tài)存在顯著差異主要是由于填充焊絲中合金元素不同所致。在焊接接頭中界面金屬間化合物層的生長順序是由生成相的吉布斯自由能ΔG決定的,吉布斯自由能低的化合物首先析出,根據(jù)熱力學公式可以計算出Al-Fe化合物的吉布斯自由能,宋建嶺等[8]計算得出各金屬間化合物形成的吉布斯自由能隨溫度的變化規(guī)律分別為:
可見鋁和鋼TiG熔釬焊過程中,ΔGO(Al3Fe)>ΔGO(Al5Fe2)>ΔGO(AlFeSi)。
在電弧釬焊過程中,鍍鋅鋼板直接與液態(tài)鋁合金溶液接觸,在界面接觸區(qū)Al,F(xiàn)e兩種元素進行相互擴散,形成擴散層。當界面附近原子濃度達到飽和時,首先在界面處形成了吉布斯自由能較低的η-Al5Fe2相晶核,然后晶核長大,隨著Al原子的繼續(xù)擴散和不斷增加,形成了θ-Al3Fe相。
當填充焊絲為5183時,焊絲中所含的Mg不與Fe發(fā)生反應,只是固溶到Al基體中或與鋁反應生成 Al-Mg 共晶,Mg 元素不參與 Al-Fe 金屬間化合物的形成過程,焊接接頭中界面化合物層的生長順序如圖4a所示。由于原子的各向異性擴散,且在η-Al5Fe2相長軸方向(垂直于界面方向)擴散速率最快[9],最終導致 η-Al5Fe2相以舌狀鍥入鋼基體中(如圖3a所示)。填充焊絲為含有5%Si元素的4043時,由于AlFeSi相的吉布斯自由能較η-Al5Fe2和θ-Al3Fe相低,AlFeSi相在界面的晶界處首先形核并長大,隨著原子的不斷擴散,Al原子穿過初生層與Fe反應,在AlFeSi相與Fe的界面處形成η-Al5Fe2相,在AlFeSi相的外側,鋁與溶解在鋁合金溶液中的鐵反應生成θ-Al3Fe相,即在AlFeSi相與焊縫的界面形成θ-Al3Fe相,金屬化合物層的結構示意圖如圖4b所示。填充焊絲4043中的Si元素,一方面使得界面處率先析出吉布斯自由能更低的AlFeSi三元化合物層,阻礙了液態(tài)鋁合金溶液與鋼表面的直接接觸,且AlFeSi相生長較慢[8],另一方面還能降低 Al原子在 α-Fe 中的活度系數(shù)[10,11],而抑制了η-Al5Fe2相形成和長大。因此,鋼側金屬間化合物層較平直且薄。當加熱完成后,隨著溫度降低,鐵在鋁中的溶解度降低,溶解于液態(tài)鋁合金中的Fe原子將以富鋁化合物的形式析出,在原有 θ-Al3Fe相上生成了針片狀或絮狀的Al3Fe相,所以與填充5183焊絲相比,填充4043焊絲時,鋁一側金屬間化合物層厚度幾乎沒變。
圖4 金屬間化合物層的結構圖解 (a)ER 5183;(b)ER 4043Fig.4 Schematic representation of structural IMP composition (a)ER 5183;(b)ER 4043
在對搭接接頭進行拉伸測試時,拉力并不在一條直線上,應力狀態(tài)較為復雜,為了減小剪切力,采用側向加緊,進行拉伸,其焊接接頭的斷裂照片如圖5所示。拉伸斷口呈兩種斷裂方式,填充5183焊絲,接頭斷在焊縫與鋼的釬接界面處;填充4043焊絲,接頭斷裂在焊縫區(qū)。
圖5 接頭斷裂宏觀照片F(xiàn)ig.5 Macrographs of fractured joint
表3 接頭的拉剪強度Table 3 Shear strength of the welding joint
兩種填充焊絲焊后接頭拉剪強度見表3。填充4043焊絲,獲得的最大拉剪強度為132.6 MPa。雷振[12]等研究發(fā)現(xiàn)金屬間化合物層的厚度太薄或太厚都會影響焊接接頭的性能,其厚度在1.5~4μm范圍為最佳,此時焊接接頭中的Al和Fe原子擴散比較充分,故接頭強度最高。填充4043焊絲,其含有一定的Si元素在某種程度上提高了熔化的鋁及焊絲的流動性、潤濕性,此時界面處有效潤濕的區(qū)域較大,Al,F(xiàn)e原子充分擴散,生成一定厚度致密的金屬間化合物層,形成了鋁鋼的有效連接,同時AlFeSi相雖然是脆性相,但較θ和η相有較高的強度,所以釬接界面處強度較高,接頭斷裂在焊縫處;填充5183焊絲獲得的拉剪強度較小,由顯微組織照片可以看出反應生成的金屬間化合物層較厚且疏松,界面結合強度較低,此處為整個焊接接頭相對薄弱的位置,所以此時在釬接界面處斷裂。
(1)MIG熔-釬焊可以實現(xiàn)純鋁板(1060)與鍍鋅鋼板兩種異種材料的有效連接,搭接形式的焊接接頭由焊縫區(qū),界面區(qū)和母材三部分組成。
(2)與Mg元素相比,焊縫中Si元素一方面參與形成吉布斯自由能更低的AlFeSi三元化合物層,阻礙液態(tài)鋁合金溶液與鋼表面的直接接觸;另一方面,降低了Al原子在α-Fe中的擴散速率,從而有效地抑制金屬間化合物層的生長。
(3)填充4043焊絲,獲得的拉剪強度最大為132.6MPa,此時整個焊接接頭相對薄弱的位置在焊縫處。
[1]龍江巖,蘭鳳崇,陳吉卿.車輛輕量化和鋼鋁一體化結構新技術的研究進展[J].機械工程學報,2008,44(6):27-33.(LONG J Y,LAN F C,CHEN J Q.New technology of light weight and steel-aluminum hybrid structure car body[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(6):27 -33.)
[2]HARAGA K.Strength properties of aluminum/aluminum and aluminum/steel joints for light weighing of automotive body[J].Welding in the World,2000,44(4):23 -27.
[3]劉中青,劉凱.異種金屬焊接技術指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.
[4]李亞江,王娟,劉強.有色金屬焊接及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.
[5]雷振,秦國梁,林尚揚.鋁/鋼異種金屬Nd:YAG激光-MIG復合熱源熔-釬焊接工藝[J].焊接,2006(6):35-37.(LEI Z,QIN G L,LIN S Y,et al.Fusion-brazing welding for dissimilar metals between aluminum and steel by Nd:YAG laser-MIG hybrid welding [J].Welding & Joining,2006(6):35 -37.)
[6]石常亮,何鵬,馮吉才,等.鋁-鍍鋅鋼板CMT熔釬焊界面區(qū)組織與接頭性能[J].焊接學報,2006,27(12):61-64.(SHI C L,HE P,F(xiàn)ENG J C,et al.Interface microstructure and mechanical property of CMT welding-brazed joint between aluminum and galvanized steel sheet[J].Transactions of the China Welding Institution,2006,27(12):61-64.)
[7]JáCOME L A,WEBER S,ARENHOLZ E,et al.Influence of filler composition on the microstructure and mechanical properties of steel-aluminum joints produced by metal arc joining[J].Advanced Engineering Materials,2009,11(5):350-358.
[8]林三寶,宋建嶺,楊春利,等.鋁合金/不銹鋼鎢極氬弧熔-釬焊接頭界面層的微觀結構分析[J].金屬學報,2009,10(49):1211-1216.(LIN S B,SONG J L,YANG C L,et al.Microstructure analysis of interfacial layer with tungsten inert gas weldingbrazing joint of aluminum alloy/stainless steel[J].Acta Metallurgica Sinica,2009,10(49):1211 -1216.)
[9]AGUDO L.Intermetallic FexAly-phases in a steel/Al-alloy fusion weld[J].J Mater Sci,2007,42:4205 -4214.
[10]MURAKAMI T,NAKATA K,TONG H,et al.Dissimilar metal joining of aluminum to steel by MIG arc brazing using flux cored wire[J].ISIJ International,2003,3(10):1596-1602.
[11]SONG J L,LIN S B,YANG C L,et al.Effects of Si additions on intermetallic compound layer of aluminum-steel TIG welding-brazing joint[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,488(1):217-222.
[12]雷振,王旭友,王偉波,等.鋁/鍍鋅鋼復合熱源熔-釬接頭中的Al-Fe金屬間化合物層分析[J].焊接學報,2007,28(11):65-69.(LEI Z,WANG X Y,WANG W B,et al.Analysis for Al-Fe intermetallic compounds layer of fusion-brazed joints between aluminum and zinc-coated steel by hybrid welding[J].Transactions of the China Welding Institution,2007,28(11):65 -69.)