98zn2al焊丝铝钢焊接性能研究
利用98Zn-2Al钎料采用炉中钎焊方法焊接铝/钢试样。研究钎料的金相组织、铺展性能、铝/钢钎焊接头力学性能以及界面显微组织。结果表明，98Zn-2Al钎料在3003铝合金表面铺展面积较大，润湿角较小，铺展后的钎料近似成圆形，组织较为均匀，与母材具有明显的分界线，因此具有较好的铺展性能。其显微组织主要为枝状的锌基固溶体初生相和共晶组织。钎焊接头的抗剪强度可达到135.31Mpa，具有较好的力学性能。而钎焊接头显微组织分析表明，钢侧金属化合物成分主要为Fe4Al13，强度硬度较高，钎缝的主要成分为铝基固溶体，强度硬度较低。由于存在强度差异，外力作用下容易萌生裂纹，是影响铝/钢钎焊接头性能的主要原因。
关键词 钎焊，Zn-Al钎料，铺展性能，力学性能，显微组织
目 录
1 引言 1
1.1 铝/钢焊接的焊接性 2
1.2 铝/钢异种材料钎焊 2
1.3 铝/钢异种材料压焊 4
1.4 铝/钢异种材料熔焊 5
1.5 本课题研究的内容和意义 6
2 试验方法及试验流程 7
2.1 本课题研究的方法 7
2.2 试验的流程图 7
2.3 钎料合金的制备 7
2.4 钎料铺展性能试验 9
2.5 钎焊试验 11
2.6 力学性能试验 12
2.7 钎料合金及接头显微组织分析 13
3 试验结果与分析 15
3.1 98Zn-2Al钎料显微组织分析 15
3.2 98Zn-2Al钎料在3003铝合金表面铺展性能 16
3.3 98Zn-2Al钎料钎焊铝/钢接头力学性能 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
r /> 3.4 钎焊接头显微组织 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
近年来，铝以其塑性好、耐腐蚀性强、导电性和导热性好等优良特性逐渐得到人们的青睐。但是铝的强度较低，不宜直接作为结构材料。而钢作为工业发展过程中一种最普遍、最常用的黑色金属，被广泛的应用于机械制造的各行各业。铝的密度约为钢的三分之一（钢的密度为7.9ⅹ103kg/m3而铝的密度约为2.7ⅹ103kg/m3），在某些情况下利用铝和钢连接结构，可以大大降低结构部件的质量，铝和钢异种材料组合形成的连接结构可充分发挥两种材料的优良性能（铝和钢的主要物理性能见表1-1），节约资源，满足轻量化的要求[1]。例如在航空航天、汽车、制冷、机械、电力等领域为了减轻本身的重量，降低自身能源的消耗，通常采用铝代替钢。而且铝在地壳中的含量（质量分数）达到8%[2]，可见铝在地球上含量较多，因此铝和钢连接可以进行大面积实施，以铝代钢具有广泛的应用前景和深远的意义。铝和钢连接方法通常有两种：粘接和机械连接。但是粘接连接接头机械强度不高，不适合超强度要求的情况，所以只能适合于对一些接头强度要求较低的场合。而机械连接虽然可以有较高的机械强度，但气密性又很难保证并且连接后往往会产生明显的连接痕迹，影响工件的表面质量。综合来说焊接是一种连接异种材料最普遍的手段，因而被广泛的应用在异种金属连接中。
表1.1 铝和钢的主要物理性能
特点
熔点/℃
沸点/℃
线性膨胀系数/10-6K-1
热导率/
W(mK) -1
比热容/
J(kgK) -1
电阻率/
10-6Ωcm
密度/
g/cm3
铝
钢
660
1536
2519
2450
24
12
217.7
66.7
899.2
481.5
2.66
12
2.7
7.85
但铝/钢异种材料焊接能否进行取决于焊接技术是否成熟。这不仅需要研究铝/钢异种材料焊接的可行性以及采用何种焊接技术进行焊接才能保证焊接质量。近年很多国内外学者对铝/钢焊接进行了研究，具有如下特点：固态情况下铁在铝中溶解度极小，常温下基本不会溶解；在冷却情况下会出现FeAl3、FeAl2、Fe2Al5等金属化合物[3]，它们的脆性很大，从而会提高焊缝的强度和硬度，降低塑性，导致结合区呈塑性，结晶逐渐长大并破坏接头。为了完成铝/钢可靠焊接必须去除铝和其合金表面氧化膜的阻碍作用，以及减少铝和钢界面上的脆性金属化合物的生成。我通过翻阅前人的研究成果，总结了铝和钢焊接的主要问题并分析各种焊接方法的优缺点，针对铝/钢异种材料焊接的研究现状进行阐述。
1.1 铝/钢焊接的焊接性
由于铝和钢的金属性具有很大的差异，在焊接时这种差异性容易影响焊接接头性能，因此焊接时容易产生以下几个问题：
(1)夹渣的出现。铝及其合金在空气中表面容易氧化生成致密的Al2O3氧化膜，当焊接温度过高后有时熔池表面也会形成这种氧化膜。焊接时随着温度的升高氧化膜越来越厚，造成液态金属相互分离，不能有效的结合，最终产生夹渣现象。
(2)裂纹现象。铝和钢的热导率、线性膨胀系数相差较大[4]，加热或冷却时容易造成两种金属变形程度不一致，这会导致焊接接头产生较大的应力集中现象，最终产生焊接裂纹。
(3)接头性能不均匀。这主要是由于铝和钢的熔点不同造成的。铝的熔点为660℃而钢大约为1360-1560℃，所以有可能在焊接过程中当铝已经完全熔化后钢还处于固态，这样无法进行焊接。而且铝和钢的密度相差很大，即使两者完全融化后，由于铝的密度比钢小得多，液态的铝水会漂浮在钢水的上方。这样冷却后焊缝成分就会不均匀，往往降低接头的力学性能。
1.2 铝/钢异种材料钎焊
铝/钢异种材料钎焊是将钎料放在焊件接缝内，通过某种方式加热使其熔化，但是母材不会熔化，液态的钎料润湿母材和填充工件接口间隙，待冷却凝固后便可以产生具有一定强度的接头。钎焊是通过加热热源的种类进行分类的，主要方法有激光钎焊、电弧焊-钎焊、炉中钎焊、火焰钎焊等。钎焊特点是：
(1)变形小。钎焊过程中的变形和收缩可以控制和消除[5]。
(2)焊接接头牢固，应力分布较好，微观组织尺寸适中成分均匀，接头具有较好地力学性能。
(3)可以焊接不同金属甚至不同材料。采用钎料作为填充材料，能焊接其它方法难以焊接的异种材料。并且对于工件的厚度差异没有严格限制。
图1.1 火焰钎焊
1.3 铝/钢异种材料压焊
压焊就是在加热或者不加热状态下，通过施加压力完成焊接的方法。通常的方法有爆炸焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等方法。
1.3.1 爆炸焊
爆炸焊主要是用来制备铝钢复合板的一种方法。有学者曾进行铝-钢复合爆炸试验，他所采用的是L3铝板作为复合层，基体选用945钢。结果显示所有铝-钢复合板焊缝焊合良好，焊缝焊合率不低于95%，结构强度不低于60MPa，在焊接完成后界面金属间生成Al6Fe化合物[14]。这种化合物会导致金属硬度提高，对其使用不利。所以应该选用小药量焊接，以提高爆炸复合板的强度[15]。
(5)启动高频感应电炉进行加热，待钎料完全熔化后利用搅拌工具对合金溶液进行充分搅拌，尽可能使合金能够混合均匀。
1 引言 1
1.1 铝/钢焊接的焊接性 2
1.2 铝/钢异种材料钎焊 2
1.3 铝/钢异种材料压焊 4
1.4 铝/钢异种材料熔焊 5
1.5 本课题研究的内容和意义 6
2 试验方法及试验流程 7
2.1 本课题研究的方法 7
2.2 试验的流程图 7
2.3 钎料合金的制备 7
2.4 钎料铺展性能试验 9
2.5 钎焊试验 11
2.6 力学性能试验 12
2.7 钎料合金及接头显微组织分析 13
3 试验结果与分析 15
3.1 98Zn-2Al钎料显微组织分析 15
3.2 98Zn-2Al钎料在3003铝合金表面铺展性能 16
3.3 98Zn-2Al钎料钎焊铝/钢接头力学性能 18
r /> 3.4 钎焊接头显微组织 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
近年来，铝以其塑性好、耐腐蚀性强、导电性和导热性好等优良特性逐渐得到人们的青睐。但是铝的强度较低，不宜直接作为结构材料。而钢作为工业发展过程中一种最普遍、最常用的黑色金属，被广泛的应用于机械制造的各行各业。铝的密度约为钢的三分之一（钢的密度为7.9ⅹ103kg/m3而铝的密度约为2.7ⅹ103kg/m3），在某些情况下利用铝和钢连接结构，可以大大降低结构部件的质量，铝和钢异种材料组合形成的连接结构可充分发挥两种材料的优良性能（铝和钢的主要物理性能见表1-1），节约资源，满足轻量化的要求[1]。例如在航空航天、汽车、制冷、机械、电力等领域为了减轻本身的重量，降低自身能源的消耗，通常采用铝代替钢。而且铝在地壳中的含量（质量分数）达到8%[2]，可见铝在地球上含量较多，因此铝和钢连接可以进行大面积实施，以铝代钢具有广泛的应用前景和深远的意义。铝和钢连接方法通常有两种：粘接和机械连接。但是粘接连接接头机械强度不高，不适合超强度要求的情况，所以只能适合于对一些接头强度要求较低的场合。而机械连接虽然可以有较高的机械强度，但气密性又很难保证并且连接后往往会产生明显的连接痕迹，影响工件的表面质量。综合来说焊接是一种连接异种材料最普遍的手段，因而被广泛的应用在异种金属连接中。
表1.1 铝和钢的主要物理性能
特点
熔点/℃
沸点/℃
线性膨胀系数/10-6K-1
热导率/
W(mK) -1
比热容/
J(kgK) -1
电阻率/
10-6Ωcm
密度/
g/cm3
铝
钢
660
1536
2519
2450
24
12
217.7
66.7
899.2
481.5
2.66
12
2.7
7.85
但铝/钢异种材料焊接能否进行取决于焊接技术是否成熟。这不仅需要研究铝/钢异种材料焊接的可行性以及采用何种焊接技术进行焊接才能保证焊接质量。近年很多国内外学者对铝/钢焊接进行了研究，具有如下特点：固态情况下铁在铝中溶解度极小，常温下基本不会溶解；在冷却情况下会出现FeAl3、FeAl2、Fe2Al5等金属化合物[3]，它们的脆性很大，从而会提高焊缝的强度和硬度，降低塑性，导致结合区呈塑性，结晶逐渐长大并破坏接头。为了完成铝/钢可靠焊接必须去除铝和其合金表面氧化膜的阻碍作用，以及减少铝和钢界面上的脆性金属化合物的生成。我通过翻阅前人的研究成果，总结了铝和钢焊接的主要问题并分析各种焊接方法的优缺点，针对铝/钢异种材料焊接的研究现状进行阐述。
1.1 铝/钢焊接的焊接性
由于铝和钢的金属性具有很大的差异，在焊接时这种差异性容易影响焊接接头性能，因此焊接时容易产生以下几个问题：
(1)夹渣的出现。铝及其合金在空气中表面容易氧化生成致密的Al2O3氧化膜，当焊接温度过高后有时熔池表面也会形成这种氧化膜。焊接时随着温度的升高氧化膜越来越厚，造成液态金属相互分离，不能有效的结合，最终产生夹渣现象。
(2)裂纹现象。铝和钢的热导率、线性膨胀系数相差较大[4]，加热或冷却时容易造成两种金属变形程度不一致，这会导致焊接接头产生较大的应力集中现象，最终产生焊接裂纹。
(3)接头性能不均匀。这主要是由于铝和钢的熔点不同造成的。铝的熔点为660℃而钢大约为1360-1560℃，所以有可能在焊接过程中当铝已经完全熔化后钢还处于固态，这样无法进行焊接。而且铝和钢的密度相差很大，即使两者完全融化后，由于铝的密度比钢小得多，液态的铝水会漂浮在钢水的上方。这样冷却后焊缝成分就会不均匀，往往降低接头的力学性能。
1.2 铝/钢异种材料钎焊
铝/钢异种材料钎焊是将钎料放在焊件接缝内，通过某种方式加热使其熔化，但是母材不会熔化，液态的钎料润湿母材和填充工件接口间隙，待冷却凝固后便可以产生具有一定强度的接头。钎焊是通过加热热源的种类进行分类的，主要方法有激光钎焊、电弧焊-钎焊、炉中钎焊、火焰钎焊等。钎焊特点是：
(1)变形小。钎焊过程中的变形和收缩可以控制和消除[5]。
(2)焊接接头牢固，应力分布较好，微观组织尺寸适中成分均匀，接头具有较好地力学性能。
(3)可以焊接不同金属甚至不同材料。采用钎料作为填充材料，能焊接其它方法难以焊接的异种材料。并且对于工件的厚度差异没有严格限制。
图1.1 火焰钎焊
1.3 铝/钢异种材料压焊
压焊就是在加热或者不加热状态下，通过施加压力完成焊接的方法。通常的方法有爆炸焊、搅拌摩擦焊、扩散焊等方法。
1.3.1 爆炸焊
爆炸焊主要是用来制备铝钢复合板的一种方法。有学者曾进行铝-钢复合爆炸试验，他所采用的是L3铝板作为复合层，基体选用945钢。结果显示所有铝-钢复合板焊缝焊合良好，焊缝焊合率不低于95%，结构强度不低于60MPa，在焊接完成后界面金属间生成Al6Fe化合物[14]。这种化合物会导致金属硬度提高，对其使用不利。所以应该选用小药量焊接，以提高爆炸复合板的强度[15]。
(5)启动高频感应电炉进行加热，待钎料完全熔化后利用搅拌工具对合金溶液进行充分搅拌，尽可能使合金能够混合均匀。
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