铝与奥氏体不锈钢的火焰钎焊

2013-10-16孙永鑫

黑龙江科技大学学报 2013年6期

赵霞，孙永鑫

(1.黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150022;2.哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040)

0 引言

铝及铝合金与不锈钢具有相互弥补的物理化学性质，两者的复合连接结构应用广泛，如航天推进器的热管结构、导管结构、铝合金与不锈钢复合管接头、筒体结构等[1]。铝及铝合金与不锈钢熔焊连接时接头易产生脆性化合物，接头易产生应力集中和变形开裂，降低了其塑性及韧性。另外，在铝表面易形成难熔的氧化膜(Al2O3)，阻碍液态金属的结合，焊缝易产生夹渣。焊接温度过高易造成铝(铝合金)的熔化，且在熔池中产生脆性化合物[2]。因此，铝材与异种金属进行焊接时必须采用钎焊。

铝及铝合金与不锈钢钎焊的困难在于两者物理化学性能差异大，熔点悬殊，不易选用适当的钎焊方法和钎料、钎剂，必须采用中间金属过渡层的方法[3－4]。因此，文中实验首先在不锈钢的表面热浸镀一层ZL102铝合金，尝试通过预镀覆改善钎料在工件上的润湿性，以期达到改善焊接接头性能的目的。

1 材料与方法

实验基材选奥氏体不锈钢板(1Cr18Ni9Ti)和纯铝板(1060)，尺寸均为100 mm×20 mm×4 mm。热浸镀工艺流程为:碱洗除油—酸洗除锈—助镀—烘干—Z102铝液浸镀—冷却。热浸镀温度为810℃，浸镀时间为6 min。热浸镀铝设备采用高温箱式电阻炉和石墨坩埚。实验采用“S”型吊钩将奥氏体不锈钢板悬浸于铝液中进行。

火焰钎焊工艺流程为:焊前准备—焊接—焊后处理。选用HL401钎料和QJ201钎剂。接头形式为搭接，搭接长为10 mm，装配间隙0.1～0.3 mm。火焰钎焊设备为H01－6焊炬。

用WV－CP240EX金相显微镜和MX－2600FE型扫描电镜进行组织观察，用MHV2000型显微维氏硬度仪测试硬度分布，用CMT5305微机控制电子万能实验机床对焊后试件进行拉伸实验。

2 结果与讨论

2.1 火焰钎焊焊接工艺

2.1.1 焊前准备

镀铝不锈钢板和铝板的表面Al2O3氧化膜致密难除，为保证钎焊时良好去膜，焊前除清理表层油污外，需用钢丝刷仔细打磨，将氧化膜尽量清理干净，以避免焊接时出现缺陷。

受热浸镀铝工艺影响，不锈钢热浸镀铝表层不平整，在钢丝刷打磨时要尽量保证表面平整度和粗糙度均匀，使装配后各处间隙一致。

钎缝间隙值对钎焊接头性能有很大的影响，正确选择钎缝间隙是获得优质接头的重要前提。间隙偏大，毛细作用减弱，重力作用增加，造成钎料消耗增加和流失;间隙偏小，钎料填缝困难，钎缝内气体、钎剂残渣难以排出，造成钎缝不连贯、不致密。对于该实验，考虑母材及钎料、钎剂的影响，装配间隙控制在0.1～0.3 mm。

搭接长度，是保证接头与母材具有相等承载能力的关键。在生产实际中，对强度较高的钎焊的接头，搭接长度通常取为薄件厚度的2～3倍，强度低的钎焊接头，搭接量取薄件厚度的4～5倍，但一般不大于15 mm。因为搭接量过大钎料很难填满间隙，易形成大量缺陷，影响钎焊质量。综合考虑该实验情况，搭接长度选取为(10±0.5)mm。

该实验选用HL401钎料和QJ201钎剂。钎焊时，将钎剂用纯水稀释成质量分数为50%的悬浮液，用小毛笔蘸取刷在钎缝部位和钎料丝上。

2.1.2 焊接及焊后处理

装配完毕后点火并调整火焰，对工件进行预热。钎焊时，为防止钎料和母材氧化，采用微还原火焰外焰进行焊接。

焊接过程中，由于铝的熔点较低(660℃)，如果火焰倾角过大，热输入量过大，会造成钎缝处温度超出母材熔点，铝板一侧会立即熔透塌陷变形，造成焊接失败。因此，火焰倾角应控制在20°左右，且火焰中心不能一直对准钎缝，而应不时抬起，以减少热输入。

焊接完成后，将试样自然冷却至100℃以下，再放入清水中清洗，用毛刷刷干净试样表层残渣，用热水反复冲洗，清理表层钎料、钎剂残留物，防止腐蚀。

2.2 金相组织

2.2.1 热浸镀铝组织

图1为不锈钢热浸镀铝扫描电镜照片。由图1可见上部区域为不锈钢基体，中部为铁铝合金层，下部为富铝层。

钢的热浸镀铝是铝与铁之间相互浸润、熔化、扩散、生长的过程。热浸镀铝层由Al和FeAl2相组成[5]。由图1可见，镀层存在明显的分层现象，与基体呈冶金结合。表层为富铝层，厚度约为30 μm，这是试样从铝液中提取时黏附在镀件表面的铝合金液凝固而成的;次层为Al、Fe原子扩散生成的金属间化合物层(即铁铝合金层)，铁铝合金层均匀平坦，厚度较薄，大约只有 20 μm，这是因为基体中的 Ni、Cr、Ti对金属间化合物的生长有一定的抑制作用，降低了铁铝合金层厚度。但整个热浸镀层厚度足以保证钎焊时镀层向钎料的溶解以及对钎缝的支撑作用。

图1 不锈钢热浸镀铝扫描电镜照片Fig.1 Stainless steel hot-dip aluminum scanning electron micrograph

2.2.2 钎缝组织

图2为钎焊接头显微组织金相观察。由图2可知，钎缝显微组织可分为四个区域:铝母材区、钎缝区、热浸镀铝区和不锈钢区。

图2 钎焊接头显微组织金相照片Fig.2 Brazed microstructure photomicrograph

图2a为铝母材与钎缝界面，上部为铝母材，下部为钎缝组织。纯铝组织与钎缝均匀无明显缺陷。界面处，钎料与母材铝层相互扩散，有一条明显的亮银色窄区，与钎缝平行，这是钎焊时液态钎料中的硅与铜向铝中扩散所形成的固溶体。图2b为钎缝区域，钎缝中有铝硅弥散质点，组织均匀无明显缺陷。图2c为钎缝、热浸镀铝层与不锈钢界面，上部为钎缝，中间为热浸镀铝层，下部为不锈钢母材。可见，热浸镀铝层的溶解和钎料的扩散充分，钎缝区与热浸镀铝层结合良好。

2.3 显微硬度

图3为钎焊接头中距钎缝中心不同距离d的不锈钢区、热浸镀铝区、钎缝区与纯铝区的显微硬度分布曲线。由图3可以看出，热浸镀铝层处的硬度值达到最高。

图3 钎焊接头显微硬度Fig.3 Brazed microhardness map

分析原因:硬度分布与组织有关。由图3可观察到，不锈钢层硬度达到61.0 MPa，是因为不锈钢中含有大量的Cr、Ni、Ti等合金元素，其产生的细晶强化作用能大大加强不锈钢的硬度。钢与钎缝连接处的热浸镀铝层硬度较高，达到99.4 MPa，这是因为该处含有大量脆而硬的Fe-Al金属间化合物，其硬度较高。钎缝区域组织为铝与硅的共晶组织，硬度为29.1 MPa。钎缝与纯铝扩散界面随距离增加，纯铝含量升高，硬度降低，至纯铝层最低，只有12.9 MPa。

2.4 拉伸性能

按国标GB 2649—89《焊接接头机械性能实验取样方法》制成标准试件，用微机控制电子万能实验机床对试件进行拉伸实验，测试钎焊接头的抗拉强度和延伸率。表1为拉伸实验数据，结果显示抗拉强度在20.8～22.1 MPa，断裂位置均在热浸镀铝/钎缝界面。

分析原因:由图2可知，焊缝由三个界面组成，分别是不锈钢/热浸镀铝层、热浸镀铝层/钎缝、钎缝/纯铝。钎缝与纯铝界面结合致密，并有交互结晶。这是因为铝硅基钎料主成分与纯铝相同，且钎料为共晶成分，铝硅基钎料与纯铝液固态都能产生固溶，钎料液体层结晶在纯铝晶粒上开始，形成以纯铝为基的晶内结合。因此钎缝/纯铝界面结合强度高，断裂没有在此产生。另外，不锈钢/热浸镀铝层界面是冶金结合，结合强度高，且钎焊温度很低，钎焊没有破坏界面结合力，断裂也没有在这个界面上发生[2]。而热浸镀铝层内存在分层现象，镀层内残余应力较大，并存在一定的裂纹，所以热浸镀铝层/钎缝的界面结合强度较不锈钢/热浸镀铝层、钎缝/纯铝的界面结合强度低，断裂在该界面上产生。