焊后熱處理對鋁合金/鍍鋅鋼接頭組織與力學性能的影響

0 前言

鋁合金是應用最廣泛的一類有色金屬材料，具有密度低、比強度較高、耐蝕性和焊接性好等優(yōu)點。而鋼是應用最普遍的一種黑色金屬，在機械制造業(yè)中占主導地位。現(xiàn)如今，鋁/鋼復合結(jié)構(gòu)在保證強度的同時，又能降低結(jié)構(gòu)的重量，可達到節(jié)能降耗、控制污染的目的，在汽車、航空航天等領(lǐng)域已被廣泛地應用。鋁鋼復合材料具有較好的應用前景，所以研究鋁/鋼異種金屬焊接成為了目前的研究熱點。

鋁/鋼焊接接頭界面處會生成一層脆性的Fe-Al金屬間化合物層，該金屬間化合物層主要由脆硬相組成，容易產(chǎn)生裂紋，嚴重影響焊接接頭的結(jié)合強度和可靠性[1]。由于鋁合金與碳鋼之間的熱導率和線膨脹系數(shù)存在較大的差異，因此在焊接過程中，鋁/鋼異種金屬焊接接頭內(nèi)會產(chǎn)生變形和焊接殘余應力，這會對異種金屬焊接接頭的性能和使用穩(wěn)定性造成嚴重影響。焊后熱處理就是將焊件在一定溫度下保溫足夠長的時間，以松弛焊接殘余應力，減少焊件畸變，改善焊件的性能。因此，對鋁/鋼異種金屬焊接接頭進行焊后熱處理可在一定程度上改善接頭的性能。

在澆鑄過程中，澆鑄口與模子間的高度差會發(fā)生變化，在澆鑄包支架下面設(shè)置一個升降機構(gòu)來調(diào)整澆鑄口與模子間的高度差；采用剪叉式液壓升降機［3］。

文中采用TIG熔-釬焊方法并添加AlSi5焊絲，對5A06鋁合金和鍍鋅Q235鋼進行焊接。焊后，對焊件進行退火熱處理，達到改善鋁/鋼異種金屬焊接接頭性能的目的。

1 試驗方法

文中試驗采用TIG熔-釬焊的方式將100 mm×50 mm×1.5 mm的5A06鋁合金和100 mm×50 mm×3 mm的Q235鋼進行搭接，搭接寬度為10 mm。5A06鋁合金的化學成分見表1。Q235鋼的化學成分見表2。兩種母材的物理性能見表3。試驗用焊絲為直徑1.2 mm的AlSi5焊絲，焊絲的成分見表4。

焊接工藝參數(shù)見表5。焊接前，使用砂紙去除工件表面的氧化層，并用丙酮擦洗待焊區(qū)域，以去除工件表面殘留的油污。接頭采用搭接形式，焊槍與工件的角度調(diào)整為75°，且鎢極要偏向鋁側(cè)2 mm，以減少焊接過程中鋼側(cè)的熱輸入，同時將鎢極端部與工件的距離調(diào)整為5 mm，焊接示意圖如圖1所示。焊后對焊件進行280 ℃保溫30 min的退火熱處理，比較熱處理前后鋁/鋼接頭微觀組織和力學性能的變化情況。

大家都寫得差不多了，我讓寫完的先讀。同學們紛紛列舉了小馬不做作業(yè)、欺負同學、成績不好、上課做小動作等諸多問題。小馬的頭越來越低，都快埋到課桌下去了。小齊寫好了，他慢慢地站起身，抹了抹還掛著水痕的臉，清清嗓子讀起來：“小馬同學今天這樣做是不對的，我很生氣。但是，他也有許多優(yōu)點。他愛勞動，打掃教室時不怕苦不怕臟；他體育好，在校運動會上，百米賽跑榮獲冠軍，為班級爭得了榮譽；他助人為樂，經(jīng)常幫助同學，有一次我做手工不會釘釘子，他就主動幫我敲，結(jié)果不小心敲到手指了，可他不叫疼，還安慰我說‘沒事’……”

表1 5A06鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

ZnMgSiCuMnFeAl≤0．154．8～6．0≤0．35≤0．10．5～0．6≤0．4余量

表2 Q235鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

CSiMnPSFe≤0．24≤0．350．35～0．55≤0．045≤0．045余量

表3 5A06鋁合金和Q235鋼的物理性能

材料熔點t/℃線膨脹系數(shù)β/(10-6·K-1)熱導率λ/(W·m-1·K-1)密度ρ/(g·cm-3)5A0658024．70117．02．64Q235150011．7677．57．86

表4 焊絲的成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

SiMnZnFeAl5．00．010．020．2余量

表5 焊接工藝參數(shù)

試樣編號電弧電壓U/V焊接電流I/A焊接速度v1/(mm·min-1)送絲速度v2/(m·min-1)接頭狀態(tài)114901500．34焊態(tài)214901500．34退火態(tài)

圖1 焊接示意圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 接頭微觀組織分析

鋁/鋼焊接接頭的微觀組織如圖2所示。進行TIG熔-釬焊后，接頭中會出現(xiàn)一層金屬間化合物層，焊態(tài)接頭中形成的金屬間化合物層的厚度較薄，如圖2a所示。經(jīng)280 ℃保溫30 min退火處理后，接頭中金屬間化合物層的厚度有所增加，如圖2b所示。對比退火熱處理前后焊縫的微觀組織可知，接頭經(jīng)過退火處理后，焊縫的晶粒尺寸更加細小，由細晶強化原理可知，細小的晶粒有助于接頭力學性能的提升。結(jié)合Al-Si相圖及文獻[2-3]可知，焊縫在凝固過程中生成沿晶界分布的Al-Si共晶組織。

圖2 接頭微觀組織

2.2 界面成分分析

圖3和圖4是鋁/鋼搭接接頭退火熱處理前后元素分布圖。由面掃描結(jié)果可知，該金屬間化合物層主要由Al-Fe-Si相組成[4]。由圖3a可知，焊態(tài)接頭金屬間化合物層的厚度為4～5 μm。由圖3b可知，焊縫中的主要元素為Al元素。少量Fe元素擴散到了焊縫組織中，形成富鐵相，如圖3c所示。聚集在焊縫中的Si元素形成Al-Si共晶組織，分布于晶界處，如圖3d所示。經(jīng)過退火熱處理的接頭，金屬間化合物層中依然聚集較多的Al,Fe,Si元素，如圖4所示。金屬間化合物層的厚度增至9～10 μm，如圖4a所示，這是因為退火熱處理促進了元素擴散。由圖4c可知，焊縫中有少量富鐵相。Al-Si共晶組織在焊縫中的分布更加均勻，這有利于接頭抗拉強度的提升，如圖4d所示。由圖3和圖4可知，在此試驗條件下，金屬間化合物層的厚度均小于10 μm，且金屬間化合物層呈鋸齒狀沿垂直于界面的方向生長。

古代貨幣之所以會通過絲綢之路流到國外，是由中國與沿線各國的貿(mào)易決定的，這是一種經(jīng)濟關(guān)系，是經(jīng)濟規(guī)律在起作用。比如中國宋錢外流日本和東南亞地區(qū)，能夠長期在其國內(nèi)起著主幣的流通職能，主要是由于當時的日本和東南亞各國經(jīng)濟相對落后，國內(nèi)貨幣體制落后或者沒有貨幣，或是由于當時東南亞各國鑄造技術(shù)落后，所制之錢質(zhì)量低劣，容易磨損，不能勝任貨幣的職能。而宋朝的冶煉與鑄造技術(shù)先進，錢幣純度高，鑄造精美，正好彌補了日本和東南亞各國貨幣體制的缺陷，滿足了他們急需高品質(zhì)貨幣的需求，加上中國當時的經(jīng)濟影響力強，中國的銅錢在日本和東南亞諸國享有很高的信譽，因此被選為充當其國內(nèi)貨幣進入流通就是順理成章的事。

如果課堂的閱讀教學不僅能帶給學生語義層面上的知識，還能有效地激發(fā)出學生情感，讓學生能從心靈層面理解和體驗到他人的思想情感，這一方面可帶動學生對相關(guān)主題讀物的自主閱讀（在條件完備的情況下），促使其閱讀習慣的養(yǎng)成和閱讀興趣的提升；另一方面，受到高尚思想、情操感染的學生會反思自身的思想和行為體系，通過邏輯自洽等過程能一定程度上提升其思想境界、擴展其思想深度，可以成為其成長過程中一種有效的、能與現(xiàn)實并行不悖的情感體驗方式。

由圖2金相組織圖可知，焊態(tài)接頭和退火態(tài)接頭的組織沒有發(fā)生明顯的變化。采用EBSD確定退火態(tài)接頭中金屬間化合物層和焊縫的組織，結(jié)果如圖5所示。靠近金屬間化合物層的焊縫，主要由[Al, Fe, Si]相和Al8Fe2Si相組成。由于退火處理使得碳鋼中部分Fe元素擴散到焊縫中，而Si元素與Fe元素具有較高的親和力，所以焊縫中會存在Al-Fe-Si三相化合物。金屬間化合層主要分布著Al8Fe2Si相和少量的[Al, Fe, Si],Al13Fe4相。

圖3 焊態(tài)接頭中金屬間化合物層SEM面掃描結(jié)果

圖4 退火態(tài)接頭中金屬間化合物層SEM面掃描結(jié)果

圖5 退火態(tài)接頭的焊縫和金屬間化合物層EBSD掃描結(jié)果

3 拉伸性能分析

相關(guān)研究[5-6]表明，鋁/鋼異種金屬焊接時，會有金屬間化合物層產(chǎn)生，其厚度需要控制在一定的范圍之內(nèi)(<10 μm)，在此范圍內(nèi)接頭的強度會隨著化合物層厚度的增加而增加。由圖6可知，采用AlSi5焊絲獲得的焊態(tài)接頭的抗拉強度值為163 MPa，拉伸試樣在焊縫處斷裂，如圖7a所示；由圖6可知，退火態(tài)接頭的抗拉強度值提升到185 MPa，斷裂發(fā)生在鋁母材處，屬于韌性斷裂，如圖7b所示。由于接頭經(jīng)過退火熱處理后，金屬間化合物層的厚度有所增加，焊縫中的晶粒變得更加細小，所以退火態(tài)接頭的抗拉強度有一定的提升。

圖6 接頭應力-應變曲線

圖7 接頭拉伸試樣斷裂的宏觀形貌

4 結(jié)論

(1)采用TIG熔-釬焊方法并添加AlSi5焊絲，可以實現(xiàn)1.5 mm厚的5A06鋁合金和3 mm 厚的鍍鋅Q235鋼的焊接，且焊縫成形美觀。對搭接接頭進行280 ℃保溫30 min退火熱處理后，焊縫的晶粒得到細化，組織分布更加均勻。

(2)鋁/鋼焊接接頭中會不可避免的產(chǎn)生金屬間化合物層，該層成分均勻。焊態(tài)接頭金屬間化合物層的厚度為4～5 μm，而退火態(tài)接頭金屬間化合物的層厚度有所增加，達到9～10 μm。兩種接頭的組織變化不明顯，焊縫主要由[Al, Fe, Si]相和Al8Fe2Si相組成；金屬間化合物層主要由Al8Fe2Si相和少量的[Al, Fe, Si],Al13Fe4相組成，且呈鋸齒狀生長。退火態(tài)接頭組織分布更加均勻。

(3)AlSi5焊絲獲得的焊態(tài)接頭的抗拉強度值為163 MPa，斷裂發(fā)生在接頭焊縫處。退火態(tài)接頭的抗拉強度值提升了13%，達到185 MPa，斷裂發(fā)生在鋁母材側(cè)。焊后退火熱處理可在一定程度上提高接頭的抗拉強度值。

參考文獻

[1] Rafla V, Davenport A, Scully J R. Determination of cathodic and anodic charge from operando X-ray tomography observation of galvanic corrosion of aluminum alloy 7050-T7451 and 304 stainless steel in a simulated fastener[J]. Corrosion, 2015, 71(11): 1300-1303.

[2] 林三寶, 宋建嶺, 馬廣超,等. 鋁合金與不銹鋼異種金屬鋁硅藥芯焊絲TIG熔釬焊接頭組織及性能[J]. 焊接學報, 2009, 30(7):9-12.

[3] 孫玉萍, 孫禹沖, 李先芬. 鋁合金/低碳鋼TIG熔-釬焊接頭界面分析及接頭性能[J]. 焊接, 2013(5):39-42.

[4] 林三寶, 馬廣超, 宋建嶺, 等. 鋁合金/鍍鋅鋼TIG熔釬焊接頭界面組織及力學性能[J]. 焊接, 2009(2):34-37.

[5] Roulin M, Luster J W, Karadeniz G, et al. Strength and structure of furnace-brazed joints between aluminum and stainless steel[J]. Welding Journal, 1999, 78(5): 151-155.

[6] Woohyun S, Kazuyoshi S, Akiyoshi A, et al. Brazability of aluminum alloy to steels using aluminum filler metal-dissimilar laser brazing of aluminum alloy and steels(report 1)[J]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society, 2004, 22(2): 315-322.