80Zn20Al焊丝焊接2A01铝合金性能研究
目 录
1 引言 1
1.1 钎焊材料的研究及应用背景 1
1.2 钎焊方法的研究现状 1
1.3 Zn-Al钎料的研究现状 3
1.4 本课题的研究内容与意义 4
2 研究方法及试验过程 4
2.1 研究的技术路线 4
2.2 钎料合金的制备 5
2.3 钎料铺展性能试验 6
2.4 钎焊接头力学性能实验 7
2.5 钎焊接头显微组织分析 9
3 钎料的显微组织 10
4 钎料的铺展性能 11
5 钎焊接头的力学性能 14
5.1 钎焊接头的强度 14
6 钎焊接头的显微组织 16
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19
1 引言
铝合金在许多行业中都得到广泛的应用，铝合金制成的零件重量较其他金属比如铜、钢制成的零件轻，减轻重量对航天航空等行业尤为重要，铝合金的焊接技术的发展决定铝合金能否替代其他金属。铝合金的钎焊由于钎料的熔化温度比铝合金的熔点低，因此，钎焊时母材不会熔化并且不会产生变形。母材不会发生液相变化。铝合金钎焊操作简单，加热温度不高，焊接过程消耗能源低，节约了成本。研究铝合金的钎焊方法以及钎料的选用对铝合金接头的影响对铝合金钎焊的发展有重要意义。
1.1 钎焊材料的研究及应用背景
铝合金钎焊一般采用Al-Si钎料，这种钎料的熔点为577℃，钎料的润湿性能优秀，并且接头强度高，缺点是熔点高，硬铝2A01的熔点为550℃到650℃。焊接时容易使母材过烧甚至熔化，因此焊接温度要精确的控制，对于薄壁铝 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
合金和管材使用Al-Si钎料进行焊接产品合格率很低。所以迫切需要性能更好的中温钎料来解决这个问题。
在中国，铜的储量很少主要依靠进口，因此，用铝替代铜是近年许多行业的热点课题。目前，铝合金连接是很多行业要解决的难题，而解决铝合金连接的问题可以节约成本、缓解资源紧张，采用熔焊方法连接铝合金时会产生大量脆性金属间化合物，会显著降低接头强度。采用电阻焊和摩擦焊等方法虽然可以减少脆性化合物的产生，提高接头的强度，但成本非常高、生产效率不高，不适用于复杂结构件的焊接。
钎焊的加热温度低、母材不熔化，并且能够减少铝脆性化合物的产生，提高钎焊质量。铝容易产生牢固的Al2O3氧化膜，并且很难清除，致使铝合金钎焊很困难，所以研究新型的锌铝钎料对铝合金钎焊具有重要意义。
1.2 钎焊方法的研究现状
1.2.1 MIG熔钎焊
金属极惰性气体保护焊，简称MIG焊。钎焊过程中用到的惰性气体一般是氩、氦、或氩气与氦气的混合气体。因惰性气体不会与液态金属发生冶金反应，只起包围焊接区使之与空气隔离作用，在钎焊过程中电弧的燃烧很稳定，液体钎料向熔池流动稳定并且没有激烈的飞溅。采用MIG焊焊接铝合金时，可以提升焊接效率。铝、铜、钦等有色金属的焊接适合使用MIG熔钎焊进行焊接，也可以用于钢材，如不锈钢、耐热钢等焊接[1]。铝合金MIG焊接应注意的问题有：应注意焊接面气孔的产生；对于铝自身物理性质的理解；选择符合焊接要求的焊接材料；铝合金与软钢、不锈钢的性能差别很大，所以了解各类铝合金的性能很重要[2]。
铝合金薄板焊接难度大，在焊接前需要仔细进行清理，去除表面氧化层。更改焊接的主要参数对铝合金薄板的脉冲MIG焊的顺利进行有很大帮助，焊缝形状类似鱼鳞纹。采用机器人配置全数字TPS3200型焊机，可以实现铝合金薄板的自动化焊接。焊接质量良好，焊缝形状美观，焊缝质量稳定，接头性能优秀。焊接技术水平达到国际先进水平[3]。
MIG电弧与等离子电弧结合组成的复合型电焊称为等离子MIG焊接。因为等离子电弧为压缩产生的电弧，其电弧的刚度比较大，可以产生较大的焊接熔深。这种电弧的优点是可以对焊缝起到搅拌作用，并且能够清理钎焊时产生的夹杂，焊缝中产生的气体有足够的时间逸出。焊接中产生的氧化物等夹渣等被 “阴极雾化”作用去除，减少了焊接缺陷的产生，焊接质量得到很大提高。由于MIG电弧的这种作用，焊缝填充金属的供给得到保证，使钎焊接能够高效运行。厚壁铝及铝合金的钎焊使用这种方法很适合。
1.2.2 摩擦焊
搅拌摩擦焊是将具有良好高温力学性能和良好耐磨性能的搅拌头压进待焊零件的焊缝处，搅拌头沿着被焊零件的焊缝旋转并向前慢慢移动，通过搅拌头对焊缝处金属的摩擦与搅拌产生的热量，将焊缝金属加热至热塑性状态，塑性状态的焊缝金属随着搅拌头高速旋转而由前向后移动，由于搅拌头的挤压，焊缝金属相互扩散，等到塑性状态的焊缝金属凝固后形成致密的金属间固相连接[4]。与熔钎焊不同，搅拌摩擦焊是通过摩擦和挤压焊缝使焊缝金属扩散并再结晶形成接头，得到晶粒细腻的焊缝，不产生枝晶状组织，高强度铝合金材料采用熔焊易产生焊接缺陷，采用摩擦焊可以避免产生裂纹等焊接缺陷[5]。
1.2.3 TIG熔钎焊
TIG焊使用的设备为交流直流两用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
氩弧焊机、直流TIG氩弧焊机，采用交流钨极氩弧焊工艺，交直流TIG焊机对铝合金进行焊接时，焊接接头性能良好，接头热影响区的晶粒细小，分布均匀，得到焊缝杂质和气孔数量较少的焊件[6]。焊接前应将焊件表面的氧化膜清除干净，可以用钢刷清理，或者使用化学方法清理 [7]。
1.2.4 激光填丝焊
激光焊是使用激光将焊丝照射至熔化，然后与焊接接头处两端熔化的母材一起形成熔池，达到将母材连接在一起的一种焊接方法，在焊接过程中向焊缝以一定角度吹送惰性保护气体可以起到保护焊接区的作用。
在使用激光焊的时候，焊丝的输送应以一定的角度向焊缝激光束的焦点位置输入。与其他焊接方法相比铝合金激光填丝焊对工件坡口的精度要求不高，提高焊缝成形质量[8]。
1.2.5 电阻点焊
电阻点焊在工业中的应用范围很广，焊接接头的性能优良，并且可以实现焊接的自动化。因为铝合金具有良好的导热性和导电性，在进行点焊的时候要用大电流，焊接时间短，焊机功率大。焊接时电极压力应具有阶梯形的变化曲线，这样可以防止焊料金属飞溅以及产生缩孔和裂纹等缺陷[9]。
1.2.6 电子束焊接
电子束焊接是在真空环境下，将聚集在一起的高速电子流撞击待焊材料焊缝处产生的能量，使待焊材料熔化而连接在一起的一种焊接方法。电子束作为焊接热源可以对焊接过程精准的控制，而且由于电子束的功率密度高，焊接速度得到提升，大大提高了焊接效率。使用铝合金电子束焊接时能量只集中在焊缝处，铝材其他部分温度变化不大，所以焊接的热影响区较小，避免热裂纹等缺陷的产生，提高焊接质量。由于电子束穿透能力非常强可对厚度较厚的铝合金进行焊接[10]。
1.3 Zn-Al钎料的研究现状
早在二十世纪五十年代，就有人在Zn-Al钎料对铝合金的钎焊过程中加入各种微量元素，从而提高钎焊接头的强度和抗腐蚀性能，但是成果甚微，Zn-Al钎料的发展非常缓慢。
随着NOCOLOK钎焊技术的普及，CsF-A1F3钎剂被发现，在Zn-Al钎料钎焊铝合金中加入CsF-A1F3钎剂，钎焊过程中氟化物能够去除铝合金表面产生的氧化膜，改善接头的腐蚀性能，但此类钎剂制作成本高，添加少量的ZnF2可以使CsF的含量降低，钎剂的润湿性能和去氧化能力明显增强，而且还减少了成本，这种改进型的CsF-A1F3钎剂熔点变化不大。铝合金之间的连接主要通过钎焊来实现，得到的成品变形量小而且接头尺寸精度高，近年来在我国得到广泛的应用。铝及铝合金的钎焊技术近年来研究较多。随着新的焊接材料和新的焊接方法的不断涌现，铝及铝合金的钎焊工艺也得到了快速的发展，其钎焊方法、钎料及钎剂都有很大的进步。
1 引言 1
1.1 钎焊材料的研究及应用背景 1
1.2 钎焊方法的研究现状 1
1.3 Zn-Al钎料的研究现状 3
1.4 本课题的研究内容与意义 4
2 研究方法及试验过程 4
2.1 研究的技术路线 4
2.2 钎料合金的制备 5
2.3 钎料铺展性能试验 6
2.4 钎焊接头力学性能实验 7
2.5 钎焊接头显微组织分析 9
3 钎料的显微组织 10
4 钎料的铺展性能 11
5 钎焊接头的力学性能 14
5.1 钎焊接头的强度 14
6 钎焊接头的显微组织 16
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19
1 引言
铝合金在许多行业中都得到广泛的应用，铝合金制成的零件重量较其他金属比如铜、钢制成的零件轻，减轻重量对航天航空等行业尤为重要，铝合金的焊接技术的发展决定铝合金能否替代其他金属。铝合金的钎焊由于钎料的熔化温度比铝合金的熔点低，因此，钎焊时母材不会熔化并且不会产生变形。母材不会发生液相变化。铝合金钎焊操作简单，加热温度不高，焊接过程消耗能源低，节约了成本。研究铝合金的钎焊方法以及钎料的选用对铝合金接头的影响对铝合金钎焊的发展有重要意义。
1.1 钎焊材料的研究及应用背景
铝合金钎焊一般采用Al-Si钎料，这种钎料的熔点为577℃，钎料的润湿性能优秀，并且接头强度高，缺点是熔点高，硬铝2A01的熔点为550℃到650℃。焊接时容易使母材过烧甚至熔化，因此焊接温度要精确的控制，对于薄壁铝 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
合金和管材使用Al-Si钎料进行焊接产品合格率很低。所以迫切需要性能更好的中温钎料来解决这个问题。
在中国，铜的储量很少主要依靠进口，因此，用铝替代铜是近年许多行业的热点课题。目前，铝合金连接是很多行业要解决的难题，而解决铝合金连接的问题可以节约成本、缓解资源紧张，采用熔焊方法连接铝合金时会产生大量脆性金属间化合物，会显著降低接头强度。采用电阻焊和摩擦焊等方法虽然可以减少脆性化合物的产生，提高接头的强度，但成本非常高、生产效率不高，不适用于复杂结构件的焊接。
钎焊的加热温度低、母材不熔化，并且能够减少铝脆性化合物的产生，提高钎焊质量。铝容易产生牢固的Al2O3氧化膜，并且很难清除，致使铝合金钎焊很困难，所以研究新型的锌铝钎料对铝合金钎焊具有重要意义。
1.2 钎焊方法的研究现状
1.2.1 MIG熔钎焊
金属极惰性气体保护焊，简称MIG焊。钎焊过程中用到的惰性气体一般是氩、氦、或氩气与氦气的混合气体。因惰性气体不会与液态金属发生冶金反应，只起包围焊接区使之与空气隔离作用，在钎焊过程中电弧的燃烧很稳定，液体钎料向熔池流动稳定并且没有激烈的飞溅。采用MIG焊焊接铝合金时，可以提升焊接效率。铝、铜、钦等有色金属的焊接适合使用MIG熔钎焊进行焊接，也可以用于钢材，如不锈钢、耐热钢等焊接[1]。铝合金MIG焊接应注意的问题有：应注意焊接面气孔的产生；对于铝自身物理性质的理解；选择符合焊接要求的焊接材料；铝合金与软钢、不锈钢的性能差别很大，所以了解各类铝合金的性能很重要[2]。
铝合金薄板焊接难度大，在焊接前需要仔细进行清理，去除表面氧化层。更改焊接的主要参数对铝合金薄板的脉冲MIG焊的顺利进行有很大帮助，焊缝形状类似鱼鳞纹。采用机器人配置全数字TPS3200型焊机，可以实现铝合金薄板的自动化焊接。焊接质量良好，焊缝形状美观，焊缝质量稳定，接头性能优秀。焊接技术水平达到国际先进水平[3]。
MIG电弧与等离子电弧结合组成的复合型电焊称为等离子MIG焊接。因为等离子电弧为压缩产生的电弧，其电弧的刚度比较大，可以产生较大的焊接熔深。这种电弧的优点是可以对焊缝起到搅拌作用，并且能够清理钎焊时产生的夹杂，焊缝中产生的气体有足够的时间逸出。焊接中产生的氧化物等夹渣等被 “阴极雾化”作用去除，减少了焊接缺陷的产生，焊接质量得到很大提高。由于MIG电弧的这种作用，焊缝填充金属的供给得到保证，使钎焊接能够高效运行。厚壁铝及铝合金的钎焊使用这种方法很适合。
1.2.2 摩擦焊
搅拌摩擦焊是将具有良好高温力学性能和良好耐磨性能的搅拌头压进待焊零件的焊缝处，搅拌头沿着被焊零件的焊缝旋转并向前慢慢移动，通过搅拌头对焊缝处金属的摩擦与搅拌产生的热量，将焊缝金属加热至热塑性状态，塑性状态的焊缝金属随着搅拌头高速旋转而由前向后移动，由于搅拌头的挤压，焊缝金属相互扩散，等到塑性状态的焊缝金属凝固后形成致密的金属间固相连接[4]。与熔钎焊不同，搅拌摩擦焊是通过摩擦和挤压焊缝使焊缝金属扩散并再结晶形成接头，得到晶粒细腻的焊缝，不产生枝晶状组织，高强度铝合金材料采用熔焊易产生焊接缺陷，采用摩擦焊可以避免产生裂纹等焊接缺陷[5]。
1.2.3 TIG熔钎焊
TIG焊使用的设备为交流直流两用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
氩弧焊机、直流TIG氩弧焊机，采用交流钨极氩弧焊工艺，交直流TIG焊机对铝合金进行焊接时，焊接接头性能良好，接头热影响区的晶粒细小，分布均匀，得到焊缝杂质和气孔数量较少的焊件[6]。焊接前应将焊件表面的氧化膜清除干净，可以用钢刷清理，或者使用化学方法清理 [7]。
1.2.4 激光填丝焊
激光焊是使用激光将焊丝照射至熔化，然后与焊接接头处两端熔化的母材一起形成熔池，达到将母材连接在一起的一种焊接方法，在焊接过程中向焊缝以一定角度吹送惰性保护气体可以起到保护焊接区的作用。
在使用激光焊的时候，焊丝的输送应以一定的角度向焊缝激光束的焦点位置输入。与其他焊接方法相比铝合金激光填丝焊对工件坡口的精度要求不高，提高焊缝成形质量[8]。
1.2.5 电阻点焊
电阻点焊在工业中的应用范围很广，焊接接头的性能优良，并且可以实现焊接的自动化。因为铝合金具有良好的导热性和导电性，在进行点焊的时候要用大电流，焊接时间短，焊机功率大。焊接时电极压力应具有阶梯形的变化曲线，这样可以防止焊料金属飞溅以及产生缩孔和裂纹等缺陷[9]。
1.2.6 电子束焊接
电子束焊接是在真空环境下，将聚集在一起的高速电子流撞击待焊材料焊缝处产生的能量，使待焊材料熔化而连接在一起的一种焊接方法。电子束作为焊接热源可以对焊接过程精准的控制，而且由于电子束的功率密度高，焊接速度得到提升，大大提高了焊接效率。使用铝合金电子束焊接时能量只集中在焊缝处，铝材其他部分温度变化不大，所以焊接的热影响区较小，避免热裂纹等缺陷的产生，提高焊接质量。由于电子束穿透能力非常强可对厚度较厚的铝合金进行焊接[10]。
1.3 Zn-Al钎料的研究现状
早在二十世纪五十年代，就有人在Zn-Al钎料对铝合金的钎焊过程中加入各种微量元素，从而提高钎焊接头的强度和抗腐蚀性能，但是成果甚微，Zn-Al钎料的发展非常缓慢。
随着NOCOLOK钎焊技术的普及，CsF-A1F3钎剂被发现，在Zn-Al钎料钎焊铝合金中加入CsF-A1F3钎剂，钎焊过程中氟化物能够去除铝合金表面产生的氧化膜，改善接头的腐蚀性能，但此类钎剂制作成本高，添加少量的ZnF2可以使CsF的含量降低，钎剂的润湿性能和去氧化能力明显增强，而且还减少了成本，这种改进型的CsF-A1F3钎剂熔点变化不大。铝合金之间的连接主要通过钎焊来实现，得到的成品变形量小而且接头尺寸精度高，近年来在我国得到广泛的应用。铝及铝合金的钎焊技术近年来研究较多。随着新的焊接材料和新的焊接方法的不断涌现，铝及铝合金的钎焊工艺也得到了快速的发展，其钎焊方法、钎料及钎剂都有很大的进步。
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