znal钎料铝钢异种金属钎焊接头力学性能及显微组织(附件)
采用Zn-Al钎料钎焊了铝/钢异种金属搭接接头，研究了Zn-Al钎料在3003铝合金和Q235钢表面的铺展性能、铝/钢异种金属钎焊接头的显微组织与力学性能。铺展性能试验结果表明，随着Zn-Al钎料中铝含量的增加，钎料在3003铝合金、Q235钢表面的铺展面积均增大，当铝的含量为15%（质量分数）时，钎料在3003铝板、Q235钢表面上的铺展面积均达到最大，继续增加钎料中铝含量，铺展面积减小。钎料在3003铝合金试板铺展面积最大为253.86mm2，钎料在Q235钢试板铺展面积最大为144.35mm2。钎焊接头力学性能试验表明，随着Zn-Al钎料中铝的质量分数不断增加，钎焊接头强度呈先增后减的趋势，当铝含量为12%（质量分数）时，焊接接头强度最高，达到158.11 MPa。钎焊接头显微组织分析表明，铝/钢异种金属钎焊连接的准确断裂位置为钎缝合金与钢界面处的Fe2Al5金属间化合物层。关键词 Zn-Al钎料，铺展性能，力学性能，显微组织
目录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 铝/钢焊接性能分析 1
1.3 铝/钢常用的焊接方法 1
1.3.1 熔焊 1
1.3.2 压焊 2
1.3.3 钎焊 2
2 研究方法及试验过程 4
2.1 研究的技术路线 4
2.2 ZnAl钎料合金的选择与制备 5
2.2.1 钎料的选择 5
2.2.2 原材料的选择 5
2.2.3 合金的制备 5
2.3 钎料的铺展性能试验 6
2.3.1 钎料铺展性能的理论表征 6
2.3.2 钎料铺展润湿性测试方法 7
2.4 钎料的显微组织 7
2.5 钎焊接头显微组织与力学性能 8
2.5.1 钎焊接头形式 8
2.5.2 钎焊方法 9
2.5.3 钎焊接头力学测试 9
2.5.4 钎焊接头显微组织分析 10
3 钎料的显微组织 10
3.1 98Zn2Al钎料的显微组织 11
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
95Zn5Al钎料的显微组织 12
3.3 88Zn12Al和85Zn15Al钎料的显微组织 12
3.4 80Zn20Al钎料的显微组织 13
3.5 75Zn25Al钎料的显微组织 14
4 钎料润湿性能分析 14
4.1 ZnAl钎料在3003铝合金表面的铺展性能 14
4.2 ZnAl钎料在Q235钢表面的铺展性能 15
5 钎焊接头力学性能 17
5.1 母材的选择 17
5.2 钎焊接头力学性能试验结果 17
6 钎焊接头显微组织 21
6.1 铝/钢钎焊接头铝侧显微组织分析 21
6.2 铝/钢钎焊接头钢侧显微组织 22
7 钎焊接头断口分析 23
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
大学期间取得的成果 29
1 绪论
1.1 引言
3003铝合金具有密度低，机械性能优良等诸多优点。Q235钢具有强度高、成本低、机械性能好，适用范围广等优点[12]。所以各行业中存在不少3003铝合金/Q235钢接头焊接问题亟待解决。本论文总结了最近几年国内外对铝/钢异种金属钎焊连接的研究现状，对三大焊接方法（熔焊、压焊、钎焊）进行综述。研究表明，提高铝/钢异种金属焊接强度的最主要方法就是控制其金属间化合物的生长[3]。
1.2 铝/钢焊接性能分析
通过比较两种金属的性能，发现铝/钢之间的金属性能差别很大，铝/钢焊接具有较高的难度。铝/钢焊接性能分析：铝的熔点为660℃，钢的熔点约为13601560℃。铝和钢的导热系数和线膨胀系数也有很大差异。另外，3003铝合金中的Al元素和Q235钢中的Fe元素容易发生反应生成各种脆性的硬质金属间化合物。这些金属间化合物的存在增加了钎焊接头的脆性，降低了接头的塑性和韧性，导致在受力过程中不容易协调变形，容易萌生裂纹，大大降低焊接接头质量。
1.3 铝/钢常用的焊接方法
1.3.1 熔焊
熔焊指在焊接过程中，母材被加热到其熔点并熔化，在外部条件如温度场和重力的作用下，在没有压力的情况下，两块熔化后的母材混合在一起从而使两个部件紧密结合在一起，形成焊缝。随着温度的降低，焊缝内的金属冷却凝固，两块母材紧紧地焊接在一起[46]。在王曼等人的报告中，激光深穿透焊接的焊缝深度控制在500μ m以下时可以显著降低 Fe Al金属间化合物层的厚度，使其具有一定的韧性，进而提高焊接接头强度[4]。
与此同时，杨旭东等人采用激光熔焊铝/钢异种金属时在母材之间添加一层铜箔，显著缩短母材界面处液态金属的温度变化范围，降低了热量传递的效率。因此，加热时间越长，热量增加的金属越多，液池中的金属含量也显着增加[5]。
1.3.2 压焊
压焊是一种常见的的焊接方法。在焊接过程中，随着焊接部件的温度升高，通过施加一定的压力、调节温度和时间等方法使母材表面原子进行扩散从而实现连接。铝的压缩比在60％和80％之间，钢可在80％和90％之间。使用压焊方法可以获得质量更好的焊接接头[7]。
摩擦焊可用来焊接现阶段所有的工程金属材料，大量使用在汽车工业和飞机零部件焊接[89]。在焊接过程中，在机器的作用下，母材表面被加热和摩擦。温度提升至母材的熔化范围，再施加一定的压力使其母材表面的原子和分子进行扩散和再结晶，从而实现焊件的连接。在张昌青等人的研究报告中，通过分析摩擦扭矩，转速和顶锻压力指出：焊接过程可分为初始摩擦阶段，准稳态阶段和反向阶段。转速升高，接头摩擦扭矩不断下降[10]。
搅拌摩擦焊接是一种绿色、效率高、热变形少、残余应力小等综合优势的新型压力焊接方法。工件端面之间的摩擦产生的热量使端部达到热塑性状态，然后通过镦锻立即完成焊接过程[11]。在张忠科等人的研究报告中，通过对5A02和DP600搅拌摩擦搭接焊接，观察微观组织，测量接头强度后得出：在摩擦热的作用下，焊缝金属首先达到塑性状态，然后发生再结晶转变，形成四个不同的区域。同时，研究还发现，焊接接头的硬度分布与M型相似，并且焊缝处的金属硬度高于母材本身。焊接过程中形成的AlFe和Fe4Al13金属间化合物产生于钎缝合金和钢的界面[12]。兰州理工大学的王西京等人采用点孔摩擦搅拌焊接对6061铝合金和DP600镀锌钢进行点焊。利用能谱分析仪、扫描电镜及拉伸试验对接头的显微组织和接头强度进行研究，得出结论：6061铝合金和DP600镀锌钢板的无键点焊方法可获得平焊点，接头剪切载荷达到11.2kN。在扩散区形成较厚的脆性金属间化合物[13]。
目录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 铝/钢焊接性能分析 1
1.3 铝/钢常用的焊接方法 1
1.3.1 熔焊 1
1.3.2 压焊 2
1.3.3 钎焊 2
2 研究方法及试验过程 4
2.1 研究的技术路线 4
2.2 ZnAl钎料合金的选择与制备 5
2.2.1 钎料的选择 5
2.2.2 原材料的选择 5
2.2.3 合金的制备 5
2.3 钎料的铺展性能试验 6
2.3.1 钎料铺展性能的理论表征 6
2.3.2 钎料铺展润湿性测试方法 7
2.4 钎料的显微组织 7
2.5 钎焊接头显微组织与力学性能 8
2.5.1 钎焊接头形式 8
2.5.2 钎焊方法 9
2.5.3 钎焊接头力学测试 9
2.5.4 钎焊接头显微组织分析 10
3 钎料的显微组织 10
3.1 98Zn2Al钎料的显微组织 11
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
95Zn5Al钎料的显微组织 12
3.3 88Zn12Al和85Zn15Al钎料的显微组织 12
3.4 80Zn20Al钎料的显微组织 13
3.5 75Zn25Al钎料的显微组织 14
4 钎料润湿性能分析 14
4.1 ZnAl钎料在3003铝合金表面的铺展性能 14
4.2 ZnAl钎料在Q235钢表面的铺展性能 15
5 钎焊接头力学性能 17
5.1 母材的选择 17
5.2 钎焊接头力学性能试验结果 17
6 钎焊接头显微组织 21
6.1 铝/钢钎焊接头铝侧显微组织分析 21
6.2 铝/钢钎焊接头钢侧显微组织 22
7 钎焊接头断口分析 23
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
大学期间取得的成果 29
1 绪论
1.1 引言
3003铝合金具有密度低，机械性能优良等诸多优点。Q235钢具有强度高、成本低、机械性能好，适用范围广等优点[12]。所以各行业中存在不少3003铝合金/Q235钢接头焊接问题亟待解决。本论文总结了最近几年国内外对铝/钢异种金属钎焊连接的研究现状，对三大焊接方法（熔焊、压焊、钎焊）进行综述。研究表明，提高铝/钢异种金属焊接强度的最主要方法就是控制其金属间化合物的生长[3]。
1.2 铝/钢焊接性能分析
通过比较两种金属的性能，发现铝/钢之间的金属性能差别很大，铝/钢焊接具有较高的难度。铝/钢焊接性能分析：铝的熔点为660℃，钢的熔点约为13601560℃。铝和钢的导热系数和线膨胀系数也有很大差异。另外，3003铝合金中的Al元素和Q235钢中的Fe元素容易发生反应生成各种脆性的硬质金属间化合物。这些金属间化合物的存在增加了钎焊接头的脆性，降低了接头的塑性和韧性，导致在受力过程中不容易协调变形，容易萌生裂纹，大大降低焊接接头质量。
1.3 铝/钢常用的焊接方法
1.3.1 熔焊
熔焊指在焊接过程中，母材被加热到其熔点并熔化，在外部条件如温度场和重力的作用下，在没有压力的情况下，两块熔化后的母材混合在一起从而使两个部件紧密结合在一起，形成焊缝。随着温度的降低，焊缝内的金属冷却凝固，两块母材紧紧地焊接在一起[46]。在王曼等人的报告中，激光深穿透焊接的焊缝深度控制在500μ m以下时可以显著降低 Fe Al金属间化合物层的厚度，使其具有一定的韧性，进而提高焊接接头强度[4]。
与此同时，杨旭东等人采用激光熔焊铝/钢异种金属时在母材之间添加一层铜箔，显著缩短母材界面处液态金属的温度变化范围，降低了热量传递的效率。因此，加热时间越长，热量增加的金属越多，液池中的金属含量也显着增加[5]。
1.3.2 压焊
压焊是一种常见的的焊接方法。在焊接过程中，随着焊接部件的温度升高，通过施加一定的压力、调节温度和时间等方法使母材表面原子进行扩散从而实现连接。铝的压缩比在60％和80％之间，钢可在80％和90％之间。使用压焊方法可以获得质量更好的焊接接头[7]。
摩擦焊可用来焊接现阶段所有的工程金属材料，大量使用在汽车工业和飞机零部件焊接[89]。在焊接过程中，在机器的作用下，母材表面被加热和摩擦。温度提升至母材的熔化范围，再施加一定的压力使其母材表面的原子和分子进行扩散和再结晶，从而实现焊件的连接。在张昌青等人的研究报告中，通过分析摩擦扭矩，转速和顶锻压力指出：焊接过程可分为初始摩擦阶段，准稳态阶段和反向阶段。转速升高，接头摩擦扭矩不断下降[10]。
搅拌摩擦焊接是一种绿色、效率高、热变形少、残余应力小等综合优势的新型压力焊接方法。工件端面之间的摩擦产生的热量使端部达到热塑性状态，然后通过镦锻立即完成焊接过程[11]。在张忠科等人的研究报告中，通过对5A02和DP600搅拌摩擦搭接焊接，观察微观组织，测量接头强度后得出：在摩擦热的作用下，焊缝金属首先达到塑性状态，然后发生再结晶转变，形成四个不同的区域。同时，研究还发现，焊接接头的硬度分布与M型相似，并且焊缝处的金属硬度高于母材本身。焊接过程中形成的AlFe和Fe4Al13金属间化合物产生于钎缝合金和钢的界面[12]。兰州理工大学的王西京等人采用点孔摩擦搅拌焊接对6061铝合金和DP600镀锌钢进行点焊。利用能谱分析仪、扫描电镜及拉伸试验对接头的显微组织和接头强度进行研究，得出结论：6061铝合金和DP600镀锌钢板的无键点焊方法可获得平焊点，接头剪切载荷达到11.2kN。在扩散区形成较厚的脆性金属间化合物[13]。
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