鋁合金-不銹鋼熱絲TIG熔-釬焊接頭組織與性能研究.pdf

1、本文針對(duì)鋁合金/不銹鋼TIG熔-釬焊接頭穩(wěn)定成形、金屬間化合物控制以及非平衡態(tài)固液界面反應(yīng)機(jī)理三個(gè)有待解決的關(guān)鍵問題展開研究。首先通過對(duì)釬劑的改性、送絲方式及背部墊板的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了接頭穩(wěn)定成形；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了鋁合金高頻感應(yīng)熱絲技術(shù)在該體系中的應(yīng)用，擴(kuò)大了工藝范圍、降低了焊接電流并提高了接頭強(qiáng)度及穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，基于降低熱輸入以及界面金屬間化合物生長(zhǎng)與分解動(dòng)態(tài)調(diào)控的兩種化合物控制思想，分別實(shí)現(xiàn)了ER2319及ER1100兩種焊絲填充接頭組

2、織與性能的有效控制，實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種金屬的優(yōu)質(zhì)連接；研究了接頭微觀組織結(jié)構(gòu)特征，深入分析了界面金屬間化合物及焊縫中析出相，評(píng)定了接頭斷裂行為，建立了接頭工藝-組織-性能三者之間的聯(lián)系；通過對(duì)界面溫度場(chǎng)的模擬，結(jié)合熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，揭示了不同情況下界面層的生長(zhǎng)機(jī)制及規(guī)律。
　　通過在 Nocolok釬劑中加入高純鋁粉并對(duì)其含量進(jìn)行優(yōu)化，研制出了可以在交流電弧下發(fā)揮良好作用的釬劑，在不銹鋼表面使用此釬劑可使電弧穩(wěn)定性提高、釬料潤(rùn)

3、濕角減小、鋪展面積增加。當(dāng)釬劑中鋁粉的添加量在0-40 wt.％變化時(shí)，潤(rùn)濕角減少、鋪展面積增加，IMC厚度變化不大；當(dāng)鋁粉的添加量大于40 wt.%時(shí)，潤(rùn)濕角及鋪展面積變化不大，IMC厚度明顯增加。在釬劑中添加鋁粉改變了釬劑的作用機(jī)制，釬劑中鋁粉的熔化即完成了鋁液對(duì)不銹鋼表面的潤(rùn)濕，釬料的鋪展過程則變?yōu)殇X熔池與釬劑中熔化的鋁粉的混合。采用雙送絲方法很好地解決了鋁/鋼 TIG熔-釬焊對(duì)送絲位置敏感及連接薄板時(shí)容易燒穿的問題。通過采用不同

4、的送絲搭配及合適的焊接電流，分別實(shí)現(xiàn)了母材厚度為1.5 mm、3 mm和4 mm接頭的穩(wěn)定成形。通過采用不銹鋼墊板替代銅墊板增加了背部熔透，解決了由于銅墊板導(dǎo)熱過快而導(dǎo)致的背面成形不均一的問題，實(shí)現(xiàn)了均勻、穩(wěn)定、飽滿的背面成形。
　　基于降低熱輸入的思想對(duì)ER2319焊絲填充接頭的組織和性能進(jìn)行控制。首先根據(jù)鋁合金焊絲高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)構(gòu)建了高頻感應(yīng)雙熱絲系統(tǒng)，可將不同直徑的鋁合金單絲或雙絲加熱至400℃以下的任意溫度并連續(xù)

5、穩(wěn)定送進(jìn)。通過采用高頻感應(yīng)熱絲脈沖焊，可減小電弧熱輸入、有效降低界面溫度場(chǎng)，界面峰值溫度可由采用冷絲時(shí)的810℃降至698℃，界面反應(yīng)時(shí)間由6.5 s降低至3.5 s，界面底部IMC厚度可控制在3.3μm左右，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到280 Mpa。界面化合物由θ-(Fe,Cu)4Al13相及少量的Cr0.7Fe0.3Al6組成，焊縫中析出相為Al2Cu。隨熱輸入增加，界面反應(yīng)峰值溫度及固液反應(yīng)時(shí)間增加，金屬間化合物厚度增加，接頭力學(xué)性能下降。

6、接頭具有兩種斷裂模式，高強(qiáng)度接頭斷于靠近鋁側(cè)熔合線的焊縫處，而強(qiáng)度較低的接頭起裂于界面底部IMC并向上延伸至焊縫。
　　基于界面金屬間化合物生長(zhǎng)與分解動(dòng)態(tài)調(diào)控的思想對(duì)ER1100焊絲填充接頭的組織和性能進(jìn)行控制。首先采用響應(yīng)曲面法結(jié)合中心復(fù)合設(shè)計(jì)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，考察的主要工藝參數(shù)為脈沖峰值電流、脈寬比、脈沖基值電流、脈沖頻率，響應(yīng)值為接頭整體及去掉余高后的抗拉強(qiáng)度。建立了二階回歸模型并用此模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接工藝的優(yōu)化及接頭性能的預(yù)測(cè)

7、，優(yōu)化后接頭強(qiáng)度最高可達(dá)238 MPa?；诮⒌幕貧w模型對(duì)單因素及交互作用的影響進(jìn)行了深入分析。對(duì)接頭微觀結(jié)構(gòu)分析表明，ER1100焊絲填充接頭的界面化合物由厚度為200 nm左右η-Fe2Al5相和厚度為幾個(gè)微米的θ-Fe4Al13相組成，焊縫中析出相為條狀或網(wǎng)狀的FeAl6。隨著焊接電流的增加，界面化合物厚度先減小后增加，焊縫中FeAl6的析出量增加，接頭性能先增加后減小。接頭主要存在兩種斷裂模式，強(qiáng)度較低的接頭起裂于界面底部并向

8、上延伸至焊縫，強(qiáng)度較高的接頭斷裂于界面化合物層。
　　根據(jù)使用填充材料和化合物控制策略的不同，結(jié)合動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，分別對(duì)兩種情況的界面反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入分析。針對(duì)ER2319焊絲填充接頭，基于溶解動(dòng)力學(xué)控制的動(dòng)態(tài)溶解-擴(kuò)散過程建立了界面化合物生長(zhǎng)模型，實(shí)現(xiàn)了給定溫度下界面化合物生長(zhǎng)速度及厚度的預(yù)測(cè)。針對(duì)ER1100焊絲填充接頭，同時(shí)考慮固液界面化合物的生長(zhǎng)與溶解，從二個(gè)區(qū)間分析了化合物生長(zhǎng)與分解速率的動(dòng)態(tài)變化，揭示了化合物厚度-F