CN108380993A - 铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法，包括：1）根据母材厚度，确定可焊工艺范围；2）在工艺范围内通过正交设计或相应曲面法实验设计手段结合一定的工艺实验，获得接头强度及界面化合物厚度与焊接电流的关系，建立化合物生长与分解的动力学模型；3）结合化合物生长与分解的动力学模型，找到化合物分解速度大于生长速度的理想工艺条件，获得具有最小化合厚度的焊接接头，从而得到最理想的接头性能。本发明提出通过增加热输入使化合物分解的速度大于生长的速度，实现化合物厚度的减薄和最小化的化合物控制新方法，突破了传统的仅仅通过降低热输入来减小化合物厚度的技术瓶颈，是铝/钢连接界面化合物控制理念的一次重大突破。

Description

铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法

技术领域

本发明涉及一种铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法。

背景技术

随着铝/钢复合结构在航空航天、交通运输等行业中的应用，一些关键焊缝对铝/钢异种材料连接接头的性能提出了更为全面的要求，需综合评价强度、韧性、耐蚀性、耐冷热冲击性、气密性以及均匀性等性能。然而，铝/钢异种材料连接一直是焊接技术中的难点问题，二者彼此的固溶度很小，且该体系的反应驱动力很高，富铝的铝-铁金属间化合物在较短的时间内，通过液态铝-液态钢直接反应、液态铝-固态钢界面反应或固态铝-固态钢界面扩散即可生成。铝-钢界面最常见的反应产物为η-Fe₂Al₅及θ-FeAl₃ (Fe₄Al₁₃)，二者具有很高的硬度，压缩率为0，表现出很大的脆性。当此类化合物在界面达到一定厚度时，在很小的应力下就会开裂，导致接头力学性能的急剧下降。因此，如何控制铝-铁脆性金属间化合物是铝/钢连接最关键的问题

在铝/钢异种材料的诸多连接方法中，采用固相焊，如扩散焊、摩擦焊、以及搅拌摩擦焊等，可对界面金属间化合物的生长有效控制，但这类焊接方法也有较大的局限性，工件尺寸和接头形式受限，装卡要求高，工艺复杂且所需时间较长，设备昂贵。而钎焊界面反应时间过长，金属间化合物生长较多，强度较低，往往通过特殊的焊接接头结构设计，才能满足使用要求。铝/钢熔-钎焊虽受工件尺寸及形状限制较小，但要同时保证熔焊和钎焊两部分接头的有效连接，热输入相对较大，金属间化合物的生长不易控制，接头脆性大；此外，铝/钢熔钎焊固液界面反应机制复杂，相关的短时非平衡态基础理论研究严重缺乏。

对现有研究的分析表明，熔-钎焊界面金属间化合物可通过过渡层、合金元素以及降低热输入三种途径来控制。过渡层一般具有阻挡或缓冲作用，Zn、Sn、Ag镀层应用于铝/钢电弧熔钎焊，Ni、Cu作为中间层应用于铝/钢激光深熔焊均取得一定效果。合金元素控制铝/钢金属间化合物一般通过调整填充材料（钎料）中的元素种类及添加量来实现。Zn、Zr、Si、Mn、Cu等元素的加入对界面化合物的控制具有不同程度的作用，Zn、Si的加入可在界面生成三元化合物，Cu可固溶到Fe₄Al₁₃中改善其性能。基于降低热输入的CMT技术、热丝电弧熔钎焊、背部快速冷却等方法也具有较好效果。CMT技术结合含有Si、Mn合金元素的填充材料可将化合物的厚度控制在2 μm左右。

上述提到的化合物控制方法，镀层工艺过于复杂且效果并不理想；降低热输入以及采用合金化的填充材料，都只能在一定程度上减少化合物的量或者改变化合物的性质，接头性能仍然不能完全满足关键焊缝的使用要求。由于需要保证焊缝成形，焊接热输入不可能无限制的降低，化合物厚度也就无法通过此种途径进一步减小。目前，针对降低热输入的化合物控制思想，铝钢界面的化合物控制已经很难有所突破。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法，该方法基于化合物生长与分解动态调控的化合物控制思想，即通过适当调控热输入来同时影响化合物的生长和分解过程，在合理的工艺范围内适当增加热输入使化合物分解的速度大于生长的速度，从而实现化合物厚度的减薄和最小化。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法，包括如下步骤：

1）根据母材厚度，确定可焊工艺范围；

2）在工艺范围内采用正交设计或响应曲面法进行实验设计，根据实验设计结果进行电弧熔钎焊工艺实验，获得接头强度及界面化合物厚度与焊接电流的关系，建立化合物生长与分解的动力学模型；

3）结合化合物生长与分解的动力学模型，找到化合物分解速度大于生长速度的理想工艺条件，获得具有最小化合厚度的焊接接头，从而得到最理想的接头性能。

铝钢熔钎焊使用的填充材料为：工业纯铝或纯铝焊丝，Al的含量≥99%。

本发明基于铝钢熔钎焊界面化合物生长与分解同时进行，提出通过适当增加热输入使化合物分解的速度大于生长的速度，从而实现化合物厚度的减薄和最小化的化合物控制新方法。该方法突破了传统的仅仅通过降低热输入来减小化合物厚度的瓶颈，是铝/钢连接界面化合物控制理念的一次重大突破。

附图说明

图1是焊接电流与抗拉强度图；

图2是焊接电流与化合物厚度图；

图3是界面化合物的扫描电镜图像；

图4是化合物在不同界面生长与分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1及图2，以3 mm母材TIG熔钎焊为例，在保证接头稳定成形的前提下，在86-120 A焊接电流的范围内考察接头性能及化合物厚度的变化。在此工艺范围内发现了界面化合物厚度随热输入增加而减小的稳定工艺区间，即在86-110A的焊接电流区间内，热输入越高，化合物越薄，接头强度越高。在保持其他工艺参数不变和良好焊缝成形的前提下，当焊接电流由90 A增加到110 A时，界面化合物厚度由5 µm减小到3.5 µm，同时接头抗拉强度由180 MPa增加到240 MPa。

为了便于说明，将90A与110A焊接电流下的界面化合物厚度进行对比分析。界面化合物的扫描电镜图像如图3所示。两个电流下化合物的形态变化不大，但后者的厚度明显薄于前者。充分说明了焊接电流的增加使化合物的厚度减小。

结合图4，在铝钢熔钎焊接头存在三个界面，二层金属间化合物。当电流在86-110A的范围内变化时，界面化合物随焊接电流增加而减小，焊缝中FeAl₆的析出量随焊接电流增大而增加。对温度场的分析表明，焊接电流增加导致界面固液反应峰值温度及反应时间增加，二者的增加使铝熔池中可以溶解更多的Fe并随后在焊缝中以FeAl₆的形式析出，在此电流区间内，Fe₄Al₁₃的生长速度v₁及溶解速度v₂均增加，但v₂的增大幅度要大于v₁，在宏观上即表现出化合物厚度随焊接电流增加而减小的现象。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法，其特征是，包括如下步骤：

1）根据母材厚度，确定可焊工艺范围；

2）在工艺范围内采用正交设计或响应曲面法进行实验设计，根据实验设计结果进行电弧熔钎焊工艺实验，获得接头强度及界面化合物厚度与焊接电流的关系，建立化合物生长与分解的动力学模型；

3）结合化合物生长与分解的动力学模型，找到化合物分解速度大于生长速度的理想工艺条件，获得具有最小化合厚度的焊接接头，从而得到最理想的接头性能。

2.如权利要求1所述的铝钢熔钎焊界面金属间化合物控制新方法，其特征是，铝钢熔钎焊使用的填充材料为：工业纯铝或纯铝焊丝，Al的含量≥99%。