钢螺柱焊接头组织及性能

2018-11-14 17:18:00
陆启蒙
原创
1080
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 合 物,如 FeAl,FeA1 2 ,FeA1 3 ,Fe 2 A1 5 ,Fe 2 A1 7 及 Fe 4 Al l3 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 ×12 mm) , 钢 螺 柱 母 材 选 用 Q235 棒 材 , 尺 寸 为 长 55 mm,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 为 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.

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