铝合金与镀锌钢薄板熔钎焊接头组织与力学性能

李玉龙,姜智超,禹业晓

(南昌大学机电工程学院机器人与焊接自动化重点实验室,南昌330031)

铝合金与镀锌钢薄板熔钎焊接头组织与力学性能

李玉龙,姜智超,禹业晓

(南昌大学机电工程学院机器人与焊接自动化重点实验室,南昌330031)

为了对铝合金和镀锌钢板进行优质高效焊接,采用Fronius冷金属过渡焊接机对锻铝6061和SPCC镀锌钢板进行了熔钎焊实验。焊接实验结果表明可以采用专家系统提供的参数进行焊接获得成型良好的接头;组织分析表明接头界面可以分为边缘富锌区、铝熔化区和铝钢界面反应层三个反应区。能谱分析结果表明边缘富锌区主要组成元素是锌和铝,铝钢之间的反应层主要是Fe2A l5反应相;接头上的缺陷主要有气孔、冷隔和低熔共晶缩孔。力学性能测试结果表明:铝、钢熔钎焊接头强度达到80M Pa;Fe2A l5反应相平均硬度HV 410,镀锌钢母材的平均显微硬度HV 130,铝熔化区的平均显微硬度HV 55。

铝合金;镀锌钢;熔钎焊;组织;力学性能

由于“铝+钢”异种金属结构具有轻质、高强、良好的导热导电性能等优点,在工业产品中应用越来越多,特别是在汽车行业中更是得到了特别关注[1,2]。采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法对铝和钢焊接,可以得到良好的接头,但这些方法共同的缺点就是焊件形状受到限制[3-6];采用一般熔化焊接方法,由于钢与铝的物理化学性能相差很大,两者之间的焊接困难较大[5,6]。国内外研究人员对铝和钢的熔2钎焊进行了实验研究,在这种方法中,低熔点的铝板熔化,同时保持钢板为固态,借助熔融铝的润湿铺展形成搭接接头实现两者之间的连接。比较有代表性的铝钢熔钎焊方法包括直流脉冲M IG电弧钎焊[7]、激光YAG +M IG复合热源熔钎焊[8,9]、TIG电弧钎焊[10]以及CM T(Cold Metal Transfer)冷金属过渡熔钎焊[11]。其中CM T熔钎焊的方法热输入量比一般的熔化焊方法要少得多,并且容易实现自动化焊接,特别适用于汽车工业。本工作进行了镀锌钢和铝合金薄板的焊接实验,研究了铝合金和镀锌钢熔钎焊工艺、焊接接头组织特征、焊接缺陷以及力学性能。

1 实验材料及设备

实验所用的母材为锻铝6061和镀锌钢板SPCC,两者的性能分析如表1所示。镀锌钢板和锻铝母材焊前组织观察表明,镀锌钢板基体成分近工业纯铁,室温下为铁素体组织;锻铝基体上分布着点状、棒状增强相。锻铝和镀锌钢板焊接试件几何尺寸均为300mm×55mm,厚度为111mm,焊件搭接。焊丝选用<112mm的A lSi5焊丝。焊接设备为奥地利Fronius公司的CM T5000i2M IG焊机。焊接过程采用氩气保护,其流量为15L/min。

表1 铝、钢性能Table 1 Propertiesof the A l and steel

2 焊接工艺实验

Fronius CM T焊机内置优化的专家数据库系统,焊接电压、焊接电流不能随意改动,它们与送丝速率一一对应,通过改变送丝速率,可以使焊接电压和焊接电流同时改变,简单易行方便操作;同时也可以改变电弧长度和脉冲来修正并微调焊接电流和焊接电压,以达到满意的焊接效果,给人们一个方便快捷的操作环境。选定母材为铝、钢薄板后,设备专家数据库系统可以提供参考焊接参数数据,按照参考参数,锻铝6061和镀锌钢板SPCC可获得良好的焊接成型。图1所示为成型良好的铝、钢熔钎焊接头宏观形貌照片。其中的送丝速率、焊接电流、焊接电压分别为:(A)3.9m/min, 6910A,12.0V;(B)4.0m/min,73.0A,12.1V;(C) 411m/min,76A,12.3A;(D)4.2m/min,79A,1213V。

图1 镀锌钢板和锻铝熔钎焊宏观照片Fig.1 Themacro photos of melting brazed galvanized steel and forged aluminum

3 接头组织及性能

3.1 接头组织特征及形成分析

图2 镀锌钢板和锻铝熔钎焊接头组织特征(a)整体低倍;(b)熔钎焊边缘富锌区;(c)富锌区与钢的界面;(d)铝熔化区与钢界面Fig.2 Microstructure character of the galvanized steel and forged aluminum brazed joints (a)low magnification;(b)marginal Zn2rich area;(c)interface of the Zn2rich zone/steel;(d)interface of themelted Al zone/steel

锻铝的熔点为610℃,钢的熔点为1500℃,熔点差别很大,在电弧的作用下只有铝熔化,而镀锌钢板几乎没有熔化(可能局部微熔),铝在钢板表面润湿铺展形成接头。图2(a)所示为熔钎焊接头沿垂直于焊缝方向的SEM切面照片,从图2(a)中可见接头宏观上可分为铝熔化区、铝与钢界面反应区和熔钎焊边缘富锌区。其中铝熔化区是由熔化的铝和铝硅焊丝相互熔合,降温冷却结晶后所形成的区域;铝与钢界面反应区是熔化的铝和未熔化的钢板之间相互作用在加热条件下形成界面的反应层;熔钎焊边缘主要是由镀锌钢板上没有挥发的锌富集所形成的。图2(b)所示为边缘富锌区的形貌,富锌区由灰色的树枝晶和枝间的黑色网状相组成。能谱分析结果表明在这一区域中含有较多量的A l和Zn,而只有很少量的Fe和Si元素,灰色树枝晶铝锌原子比4∶1,黑色网状相铝锌原子比10∶1。焊接进行过程中,电弧边缘温度较低,聚集的锌和镀锌钢板上的锌只发生熔化没有挥发并被保留了下来,在熔化的铝的推动下,聚集在接头的一侧形成富锌区。由于锌与铝的相互作用阻隔了铁铝相互作用,而且在电弧边缘温度较低,因此在富锌区与钢之间几乎没有反应层,如图2(c)所示。图2(d)所示为铝熔化区以及铝熔化区与钢的界面,从图2(d)中可见铝熔化区主要是铝的基体和铝硅共晶组织,铝钢界面上有明显的反应层。C,D两点的能谱分析结果显示,反应层主要是Fe,A l元素和少量的Si,铁铝原子比接近2∶5,该反应层可能为Fe2A l5。

3.2 焊接缺陷及其形成

对接头界面组织进行了观察,发现接头的缺陷包括气孔、冷隔和低熔共晶缩孔,并且这些缺陷主要集中在接头上部,如图3所示。

图3 铝和镀锌钢板熔钎焊接头组织中的缺陷(a)缺陷聚集;(b)气孔形貌;(c)冷隔;(d)低熔缩孔Fig.3 The defects of aluminum and galvanized steel brazed joints (a)defect cluster;(b)appearance of the blow hole;(c)cold shut;(d)low melting shrinkage

气孔大部分集中在熔化区的顶部及其边角区域,气孔的直径大小一般100μm左右。气孔形成的原因可能有两个:一是由于铝合金母材表面的氧化膜容易吸附水分、油脂等污染,焊接过程中分解产生气体(氢气、氧气等),焊缝冷却时没有及时的逸出而形成了气孔;第二是由于锌挥发。锌的熔点约为420℃,沸点温度为906℃,高温电弧接触到镀锌钢板上时中心部分的锌就挥发了,由于焊接热循环的瞬态作用,不足以使全部的锌蒸汽从焊缝中逸出而形成了气孔。

在铝熔化区中靠近焊缝的表面处还发现了少量的冷隔,呈不规则圆形,冷隔与周围金属存在明显的分界内部含有较多的杂质,如图3(c)所示。能谱分析表明冷隔内含有较多的Si元素。在CM T法焊接过程中,送丝机周期性回抽焊丝,熔滴与焊丝之间存在着半熔化状态的焊丝球有可能进入熔池中。由于CM T法是在短路状态下熔滴过渡,热量输入低,熔池温度不够高,表面温度更低,熔池表面不足以使固态焊丝球熔化。在冷却结晶过程中,晶粒就以焊丝球或其他夹杂物为晶核优先长大,而较早完成结晶过程,因此在焊缝形成后该晶粒就会与其他晶粒在晶界处产生明显分界线,而形成冷隔。

在铝熔化区中靠近焊缝的表面处还发现了少量的低熔共晶缩孔,缩孔轮廓沿着铝硅共晶花纹,呈不规则形状。这些缩孔的产生是由于铝熔化区结晶过程中,结晶前沿溶质的重新分配导致局部成分达到低熔点共晶成分,而在已经凝固区内部产生共晶液相,继续降温,体积收缩而无液体补充,从而形成低熔共晶缩孔。

综上所述,在铝和镀锌钢板熔钎焊接头中存在气孔、冷隔和低熔缩孔等焊接缺陷,这些焊接缺陷主要存在于铝熔化区的上部,所以对焊接接头的性能影响不大。

3.3 接头力学性能

为了测试铝和镀锌钢板熔钎焊接头力学性能,进行了拉剪实验。在焊件接头上沿垂直焊缝方向切割取出70mm×12mm的条形试样,并保证焊缝处于试样中部。拉伸实验在INSTRON 1100电子万能实验机上进行,温度条件:室温26℃,拉伸速率:1mm/ min。拉剪5个试样,接头均断在铝合金母材的热影响区;强度分别为78,86,70,82,84M Pa,平均强度为80M Pa。

对接头界面的反应区和反应相进行了显微硬度测试,结果显示前面所述的Fe2A l5反应层的平均显微硬度为HV 470,镀锌钢母材的平均显微硬度HV 130,铝熔化区的平均显微硬度HV 55,显微硬度的测试进一步从硬度上确认上述铝钢界面反应层是金属间化合物。

4 结论

(1)对于铝、镀锌钢薄板的熔钎焊可以采用焊机附带的专家系统提供的参数进行焊接,对推荐的参数进行微调可以获得成型良好的接头。

(2)组织分析表明接头界面可以分为边缘富锌区、铝熔化区和铝钢界面反应层三个反应区。能谱分析结果表明边缘富锌区主要组成元素是锌和铝,铝钢之间的反应层主要是Fe2A l5反应相。

(3)在铝镀锌钢板接头上的焊接缺陷主要有气孔、冷隔和低熔共晶引起的缩孔,由于这些缺陷主要集中在铝熔化区的上部,对力学性能影响不大。

(4)铝、钢熔钎焊接头强度达到80M Pa;Fe2A l5反应相平均硬度HV 410,镀锌钢母材的平均显微硬度HV 130,铝熔化区的平均显微硬度HV 55。

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M icrostructure and Mechanical Properties of the Welding2brazed Joint fo r the A luminium and Galvanized Steel Sheet

L I Yu2long,JIANG Zhi2chao,YU Ye2xiao
(Key Lab of Robot&Welding Automation,School of Mechanical&Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Fo r joining alum inium and galvanized steel sheet w ith high efficiency and quality,the 6061 aluminium sheet and SPCC galvanized steel sheet were w elding2brazed using Fronius cold metal trans2 fer(CM T)equipment.Results show that the samp le can be w ell w elded using the p roposed parame2 ters of expert system;cross2section of the joint can be divided into three zones:the Zn2rich zone,the aluminium melted zone and the reaction layer between aluminium and steel;EDS results show that the Zn2rich zone ismainly composed of Zn and A l,and the reaction phase in the reaction layer between a2 luminium and steel is Fe2A l5.There are flaw s in the joint,such as blow holes,cold lap s and eutectic shrinkage cavities.Tensile tests show the average joint strength value w as up to 80M Pa;hardness tests show the average hardnessof the Fe2A l5layer,the galvanized steel and themelted aluminium are HV 410,HV 130 and HV 55,respectively.

alum inium alloy;galvanized steel;w elding2brazing;microstructure;mechanical p roperty

TG454

A

100124381(2010)1020082204

江西省自然科学基金资助项目(2008GQC0013);江西省教育厅科技项目(GJJ10033)

2010206220;

2010207220

李玉龙(1978—),男,副教授,工学博士,研究方向为光纤智能金属结构、钎焊、熔焊成型,联系地址,江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号,南昌大学机电工程学院(330031),E2mail:liyulong1112ster @gmail.com