您好,欢迎来到武汉中勒电器有限公司官网!

登录 | 注册 退出 17786570293 3620126781@qq.com

新闻中心   |   NEWS
钢螺柱焊接头组织及性能

来源:佩琦  |  发布时间: 2019-05-31  |   次浏览

摘要:采用包覆 钎料感 应加热 方法 ,以 AlSi 钎料 作为焊缝 填充金属 ,对 Q235 钢螺柱和 6061 铝合金 进行钎焊 .利用光学显微镜、扫描 电镜、能谱分析等 表征方法 ,对接头的组织 、成分和相 组成等进行了分析 .结果表明,AlSi 钎料与铝 母 材反应充分,Si 元素 扩散至铝母材形 成针叶状 的共晶组织 ,焊缝 近钢 侧生成 一条狭窄连续 的 Fe-Al 金属 间 化合物,并沿垂直于铝基 体的方 向生成出胞状晶,金属 间化合物层由 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 的混合相组织组 成.力学 性能 测试表明,接头的 抗剪强度最大为 65 MPa,近钢 侧金属 间化合物的显微硬度值较高,接头 断裂 在金属 间化合物区 域,属于 延性断裂

近年来 ,异种金属 之间连接的 应用 越来越 广泛 单一金属 本身不可能 满足应用 所需 的所 有物 理、化学和力学 方面的性能 ,而异种金属接头 可以满 足需 求 ,另外 还可以节省费 用 ,节约能源异种金属的组合螺柱焊问题,对于铝 和钢 组合 使 用表现 得 尤为明显 .但由于铝与 钢两 者之 间热物 理性能 差 异大,铁在铝中的固溶度几乎 为零,铁 在 共晶温度 下的极限溶解度为 0.052% ,并 随着 温度的 下降 而急剧减小且 铁与铝 可以 产生 多 种硬 而 脆 的金属 间化 物,如 FeAl,FeA1 2 ,FeA1 3 ,Fe 2 A1 5 ,Fe 2 A1 7 及 Fe 4 All3等,这些金属间化合物的存在,增加了焊接接头的 脆性,降低了其塑性和韧性,严重恶化了接头的力学性能,这已成为铝钢螺柱焊接的难点问题,由于电弧焊的 热输入非常高,钢与铝 都很 容易熔化,很难控制熔合 区金属 间化 合物层 的成分,导致脆性金属间化合物层 的严重 长大,所以 难 以采用电弧焊的方法焊接 钢和铝。                  

钎焊 作为一种 非 熔化焊的焊接方法 ,利用钎料在低于母材固相线但高于钎料 液相线的温度 下发生熔化,能够在铝钢母材表面润湿 、铺展、填缝,与母材发生相互溶 解扩散,并能在 一定程 度上抑 制Fe-Al金属 间化合物的生 成,能基 本满足对铝 钢 焊缝的 要.文中采 用 感应 加热 钎焊的方法焊接 钢 螺柱与铝 板 , 进一步研究 焊接接头的组织性能。                

1 试验 条件                  

试验 选 用 6061 铝 板 ( 80 mm ×80 mm ×12mm) , 钢 螺 柱 母 材 选 用 Q235 棒 材 , 尺 寸 为 长 55mm,底面 直径 16 mm. 熔 敷金属 采用 了 自制的 AlSi箔带,焊接过 程采用自 制铝 -钢熔敷焊保护剂,并设计了箔带包裹保 护剂 预装 模 式,进 行熔 敷填 充.各试验 材料 具体成分及 力学 性能 见表 1.铝 板 采用丙酮除油处理后,用 NaOH 溶液去 除表面氧化膜,钢螺柱采 用丙酮 作除 油处理.                  

2 试验方法                  

将 AlSi 箔带与自制铝 -钢熔敷 焊保护 剂进 行包覆 , 制 成外层为箔带 , 里层为 铝 - 钢 熔 敷焊保护 剂的药芯焊丝 包覆 钎料 ; 包 敷钎料 采用 缠绕 的方式 预置在螺柱 周边感应器的 结构 设计 如 图 1 所示,感应线圈的外径为 80 mm,内径 为 40 mm,线圈厚 度为 15 mm,调节离 铝板表面的高度 为 2 mm. 试验 中使 用的焊接工艺 参数为 感应器电流 900 A,加热 时间 150 s,制备金相试 样,使用 OLYMPUSBX60M金相显 微镜进行接头 内部 组织的观 察,Hitachi X-650 扫描 电子显微镜进行微观组织观 察和元素分析 ,HVS-1000Z 显微硬度计对焊接 试样进行显微维氏硬度测试.                  

3 试验结果与分析                  

3.1 焊缝组织 和成分分析                

为 Al-Si 钎料铝 -钢螺柱 钎焊 试样的宏观形貌.可以看出 焊缝 成形 良好 ,焊接过 程中 钎料 全部熔化,铺展情况 较好,由于钎料熔 化后继续加热 了一 段时间 ,保证了钎料 在铝钢母材之间的充分渗透,将 试样沿螺柱 直 径方向线切 割,得到 钢螺柱 与铝板接头的 剖面.图 3 为 钎焊接头的金 相组织 .上侧为钢 母材 , 下侧 为铝基 体 ,接头 连 接较为 致密 , 钎缝组织 由 Fe-Al 金属 间 化 合 物、Al- Si 共 晶 相、α-Al固溶体 三个区域 组成 .由图 3 中可 以看出 ,钢 侧形成一条比较平的直线,而 AlSi 钎料与铝 母 材反应充分,钎料 中的铝与铝 母材混合形 成铝基 体; 在钎料温度达到 固相线开 始熔化后,与铝 母材接 触,硅向铝母材中扩散 ,形成针叶状 的 Al-Si 共晶组织 ,此 时的钢螺柱并 未熔化 , 铁还处于固态 , 所以 一旦富铝的 液相组织形 成,Fe 元素便快 速地 扩散熔 入液 相并 与之发生反应,形成熔点较高的 Fe-Al 金属 间化合物,从而液相会消失; 由于铝 冷却 速度 较快,金属 间化合物沿垂直于铝基 体的方 向生成出一些胞状晶。为金属 间化合 物区 域放大的 EDS形貌.能谱分析 表明图 4 中谱图 1 所在浅灰 色区 域为连续 的Fe-Al 金 属 间 化 合 物 带,其 中 Al 元 素 含 量 为70.99% ( 原 子 分 数,下 同 ) ,Fe 元 素 含 量 15. 72% ,Si 元素含量为 13.29% ; 在 谱图 2 区 域 Al元素含量为 97.50% ,Fe 元素含量为 0.74% ,Si 元素含量为 1.77% .结 合 Al- Fe 二 元 相图 ,可以 推断谱图 1 区组织 为 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 的混合 相组织 ,同时还有少量 α-Al 组织 ; 谱 图 2 区 为 Al-Si 共 晶组织 和少量 FeAl 3 的混合 相组织 .金属 间 化合 物 厚度 大致为 10 μm,由图 3 中可 以看出 ,金属 间化合 物厚度占整个 钎焊对接接头 厚度的15% ~20%。为钎焊缝的 线扫描 结果,从铁基体到 Fe-Al 化合物区 域,Fe 元 素的含量 逐渐减 少到 最低 ,之后 Fe元素出现 细 微地增加,这是 Fe 原子 向 铝的 液相组织熔 融和扩散的 结果,而 Al 元素在 金属 化合物区间 富集,靠近 铁基体界面 处迅速减少,只有极少 量扩散 至铁基体当 中,这是由于 Fe原子是在液相铝中扩散 ,而 Al 原子 是向固体 铁 中扩散的 原故 ,同时 Si元素含量在近 铁基体方向有略 微增加.熔融和 扩散到液相 铝 中 的 Fe 元 素 与铝 生 成 连续 的 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金属 间化合物.                  

3.2 力学性能 测试 分析                  

固定焊接 试样的铝 板,沿平行于铝 板的方 向,在螺柱 根部进行 剪切,测试 其抗 剪 强 度.试验 过 程中感应器电流 调 至 900 A,采用不 同的焊接 时间 得 到不同抗剪强度 .焊接 150 s 时 钎料 在 母材之间 渗透 扩散 较好,抗剪强度最高为 65 MPa,达到 6061 母材抗剪强度的 76.5% ; 当 焊接 时间 过 低 时,钎料 还 未完全 渗透就停止加热 ,导致钎料与 母材结合不牢固; 焊接 时间 过长时,会导致熔融钎料 从钎缝流 走,还可能产生熔蚀现象,使得铝板表面留下麻面或凹坑,这些都 会造成焊接接头 强 度的 下降 .试验 结果 见 表 2 ( 表 2 中抗剪强度为 多个 试样测试结 果的平均值) ,给出的是焊缝 显 微 硬度曲线 , 在焊缝接头区域及两边的母材,沿同 一条直 线每 隔 0.02 mm 取一点进行显微 硬度 测试.从 图 6 中可 以 看出 ,焊缝两侧 母材的 硬度值分 布较 为 均匀 ,钢 侧平均硬 度为131.9 HV,铝侧平均 硬 度为 47.9 HV. 焊缝 近钢 侧区的显微硬度最高为 445.6 HV ,向铝侧方向焊缝 区域的硬度呈明显 的降低 趋势.这 是由于焊接过 程中铁融入液 态的钎料 ,即铝硅 共晶相中 与之 发 生反应生成 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ,这两种金属 间化合物都是脆性大硬度高 .随着 Fe 元素含量 向铝 母材方 向上 的降低 , 生成的金属 间化合物 逐渐减 少 , 硬度 逐渐 降低 ; 在焊接接头 近 铝侧 区 域成 分 为 Al-Si 共 晶组织 ,金相呈细长的针叶状 ,硬度比铝 母材稍高。                

3.3 断口分 析                

为断口 的 EDS的分析形 貌,其中 方框 1 中成分 F 元素含量为 60.64% ( 原子 分数,下 同) ,K 元素含量为 13.19% ,Al 元素含量为 22.44% ,Si 元素含量为 0.75% ,Fe 元素含量为 0.59% .在钢 螺柱 的断面上留有白色 岛 状物质 ,主要 是钎 剂 遗 留下 的 F元素 和 K 元 素 ; 方 框 2 中 成 分 Al 元 素 含 量 为54. 44% ,Fe 元 素 含 量 为 40.89% ,Si 元 素 含 量 为4. 48% ,Mn 元 素含量为 0.18% .结合 Fe-Al 二 元相图,可 判断方框 1 中还 含有少 量的 FeAl 3 ,方框 2 处为 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 等金属 间化合物。                

为不同放大倍数的断口 形貌,其中图 8a 可以看到断口 表面比 较 复杂,仍 有少 量 的白色 岛 状物质残留,为钎焊 结束 后 残余 的 保护 剂; 图 8b 可 以看到大 量形貌为纤维状 的长条 组织 ,并 且出 现少 量不同高度的 台阶.结 合断口 的 成 分可 以判 断,这 种断裂属于 延性断裂 ,纤维 状长条 组织 为 平行于断口 方向的剪切力与垂直于断面的 拉伸力产生的拉拔作用所致,断裂 面发生在 金属 间化合物区 域.                

4 结 论                

( 1) 采用 AlSi 钎料 ,以 感应加热 钎焊方法焊接Q235 钢 螺柱和 6061 铝合金 ,能 够 得到 良好 的焊接接头 ,接头组织 由金属 间化 合物 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 、Al-Si 共晶 相 、 α -Al 固 溶体三个区域 组成 . 金属 间 化合                   物厚度为 10 μm 左右 .                

( 2) 剪切试验 表 明,焊缝接头 在 金属 间化 合物区间 断裂 ,断裂 性 质 为延 性 断裂 ,最 大 抗 剪 强度 为65 MPa,达到 6061 母材抗剪强 度的 76.5% .                

( 3) 焊缝接头金属 间化合物区 域显微硬度最大为 445.6 HV ,近铝侧区域呈 细 长的针叶状 Al-Si 共晶组织 ,硬度比铝 母材稍高.



上一篇: 螺柱焊在车身焊接工艺中的应用研究
上一篇: 轿车自车身螺柱焊焊接工艺