鋼螺柱焊接頭組織及性能

近年來 ，異種金屬 之間連接的 應(yīng)用 越來越 廣泛 ．單一金屬 本身不可能 滿足應(yīng)用 所需 的所 有物 理、化學(xué)和力學(xué) 方面的性能 ，而異種金屬接頭 可以滿 足需求 ， 另外 還可以節(jié)省費(fèi) 用 ， 節(jié)約 能源． 

異種金屬的

組合螺柱焊問題，對(duì)于鋁 和鋼 組合 使 用表現(xiàn) 得 尤為明顯 ．但由于鋁與 鋼兩 者之 間熱物 理性能 差 異大、鐵在鋁中的固溶度幾乎 為零，鐵 在 共晶溫度 下的極限溶解度為 0．052% ，并 隨著 溫度的 下降 而急劇減小且 鐵與鋁 可以 產(chǎn)生 多 種硬 而 脆 的金屬 間化 合物，如 FeAl，F(xiàn)eA1 2 ，F(xiàn)eA1 3 ，F(xiàn)e 2 A1 5 ，F(xiàn)e 2 A1 7 及 Fe 4 All3等，這些金屬間化合物的存在，增加了焊接接頭的 脆性，降低了其塑性和韌性，嚴(yán)重惡化了接頭的力學(xué)性能，這已成為鋁鋼螺柱焊接的難點(diǎn)問題．

由于電弧焊的 熱輸入非常高，鋼與鋁 都很 容易熔化，很難控制熔合 區(qū)金屬 間化 合物層 的成分，導(dǎo)致脆性金屬間化合物層 的嚴(yán)重 長(zhǎng)大，所以 難 以 采用電弧焊的方法焊接 鋼和鋁。

釬焊 作為一種 非 熔化焊的焊接方法 ，利用釬料在低于母材固相線但高于釬料 液相線的溫度 下發(fā)生熔化，能夠在鋁鋼母材表面潤(rùn)濕 、鋪展、填縫，與母材發(fā)生相互溶 解擴(kuò)散，并能在 一定程 度上抑 制Fe-Al金屬 間化合物的生 成，能基 本滿足對(duì)鋁 鋼 焊縫的 要求．文中采 用 感應(yīng) 加熱 釬焊的方法焊接 鋼 螺柱與鋁 板 ， 進(jìn)一步研究 焊接接頭的組織性能。

1 試驗(yàn) 條件

試驗(yàn) 選 用 6061 鋁 板 ( 80 mm ×80 mm ×12mm) ， 鋼 螺 柱 母 材 選 用 Q235 棒 材 ， 尺 寸 為 長(zhǎng) 55mm，底面 直徑 16 mm． 熔 敷金屬 采用 了 自制的 AlSi箔帶，焊接過 程采用自 制鋁 －鋼熔敷焊保護(hù)劑，并設(shè)計(jì)了箔帶包裹保 護(hù)劑 預(yù)裝 模 式，進(jìn) 行熔 敷填 充．各試驗(yàn) 材料 具體成分及 力學(xué) 性能 見表 1．鋁 板 采用丙酮除油處理后，用 NaOH 溶液去 除表面氧化膜，鋼螺柱采 用丙酮 作除 油處理．

2 試驗(yàn)方法

將 AlSi 箔帶與自制鋁 －鋼熔敷 焊保護(hù) 劑進(jìn) 行包覆 ， 制 成外層為箔帶 ， 里層為 鋁 － 鋼 熔 敷焊保護(hù) 劑的藥芯焊絲 包覆 釬料 ; 包 敷釬料 采用 纏繞 的方式 預(yù)置在螺柱 周邊．

感應(yīng)器的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 如 圖 1 所示，感應(yīng)線圈的外徑為 80 mm，內(nèi)徑 為 40 mm，線圈厚 度為 15 mm，調(diào)節(jié)離 鋁板表面的高度 為 2 mm． 試驗(yàn) 中使 用的焊接工藝 參數(shù)為 感應(yīng)器電流 900 A，加熱 時(shí)間 150 s．

制備金相試 樣，使用 OLYMPUSBX60M金相顯 微鏡進(jìn)行接頭 內(nèi)部 組織的觀 察，Hitachi X-650 掃描 電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀 察和元素分析 ，HVS-1000Z 顯微硬度計(jì)對(duì)焊接 試樣進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試．

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 焊縫組織 和成分分析

為 Al-Si 釬料鋁 －鋼螺柱 釬焊 試樣的宏觀形貌．可以看出 焊縫 成形 良好 ，焊接過 程中 釬料 全部熔化，鋪展情況 較好，由于釬料熔 化后繼續(xù)加熱 了一段時(shí)間 ，保證了釬料 在鋁鋼母材之間的充分滲透．將 試樣沿螺柱 直 徑方向線切 割，得到 鋼螺柱 與鋁板接頭的 剖面．圖 3 為 釬焊接頭的金 相組織 ．上側(cè)為鋼 母材 ， 下側(cè) 為鋁基 體 ， 接頭 連 接較為 致密 ， 釬縫組織 由 Fe-Al 金屬 間 化 合 物、Al- Si 共 晶 相、α-Al固溶體 三個(gè)區(qū)域 組成 ．由圖 3 中可 以看出 ，鋼 側(cè)形成一條比較平的直線，而 AlSi 釬料與鋁 母 材反應(yīng)充分，釬料 中的鋁與鋁 母材混合形 成鋁基 體; 在釬料溫度達(dá)到 固相線開 始熔化后，與鋁 母材接 觸，硅向鋁母材中擴(kuò)散 ，形成針葉狀 的 Al-Si 共晶組織 ，此 時(shí)的鋼螺柱并 未熔化 ， 鐵還處于固態(tài) ， 所以 一旦富鋁的 液相組織形 成，F(xiàn)e 元素便快 速地 擴(kuò)散熔 入液 相并 與之發(fā)生反應(yīng)，形成熔點(diǎn)較高的 Fe-Al 金屬 間化合物，從而液相會(huì)消失; 由于鋁 冷卻 速度 較快，金屬 間化合物沿垂直于鋁基 體的方 向生成出一些胞狀晶。

為金屬 間化合 物區(qū) 域放大的 EDS形貌．能譜分析 表明圖 4 中譜圖 1 所在淺灰 色區(qū) 域?yàn)檫B續(xù) 的Fe-Al 金 屬 間 化 合 物 帶，其 中 Al 元 素 含 量 為70. 99% ( 原 子 分 數(shù)，下 同 ) ，F(xiàn)e 元 素 含 量 為15. 72% ，Si 元素含量為 13．29% ; 在 譜圖 2 區(qū) 域 Al元素含量為 97．50% ，F(xiàn)e 元素含量為 0．74% ，Si 元素含量為 1．77% ．結(jié) 合 Al- Fe 二 元 相圖 ，可以 推斷譜圖 1 區(qū)組織 為 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 的混合 相組織 ，同時(shí)還有少量 α-Al 組織 ; 譜 圖 2 區(qū) 為 Al-Si 共 晶組織 和少量 FeAl 3 的混合 相組織 ．金屬 間 化合 物 厚度 大致為 10 μm，由圖 3 中可 以看出 ，金屬 間化合 物厚度占整個(gè) 釬焊對(duì)接接頭 厚度的15% ～20%。

為釬焊縫的 線掃描 結(jié)果，從鐵基體到 Fe-Al 化合物區(qū) 域，F(xiàn)e 元 素的含量 逐漸減 少到 最低 ，之后 Fe元素出現(xiàn) 細(xì) 微地增加，這是 Fe 原子 向 鋁的 液相組織熔 融和擴(kuò)散的 結(jié)果，而 Al 元素在 金屬 化合物區(qū)間 富集，靠近 鐵基體界面 處迅速減少，只有極少 量擴(kuò)散 至鐵基體當(dāng) 中，這是由于 Fe原子是在液相鋁中擴(kuò)散 ，而 Al 原子 是向固體 鐵 中擴(kuò)散的 原故 ，同時(shí) Si元素含量在近 鐵基體方向有略 微增加．熔融和 擴(kuò)散到液相 鋁 中 的 Fe 元 素 與鋁 生 成 連續(xù) 的 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金屬 間化合物．

3．2 力學(xué)性能 測(cè)試 分析

固定焊接 試樣的鋁 板，沿平行于鋁 板的方 向，在螺柱 根部進(jìn)行 剪切，測(cè)試 其抗 剪 強(qiáng) 度．試驗(yàn) 過 程中感應(yīng)器電流 調(diào) 至 900 A，采用不 同的焊接 時(shí)間 得 到不同抗剪強(qiáng)度 ．焊接 150 s 時(shí) 釬料 在 母材之間 滲透擴(kuò)散 較好，抗剪強(qiáng)度最高為 65 MPa，達(dá)到 6061 母材抗剪強(qiáng)度的 76．5% ; 當(dāng) 焊接 時(shí)間 過 低 時(shí)，釬料 還 未完全 滲透就停止加熱 ，導(dǎo)致釬料與 母材結(jié)合不牢固;焊接 時(shí)間 過長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔融釬料 從釬縫流 走，還可能產(chǎn)生熔蝕現(xiàn)象，使得鋁板表面留下麻面或凹坑，這些都 會(huì)造成焊接接頭 強(qiáng) 度的 下降 ．試驗(yàn) 結(jié)果 見 表 2( 表 2 中抗剪強(qiáng)度為 多個(gè) 試樣測(cè)試結(jié) 果的平均值) ．

給出的是焊縫 顯 微 硬度曲線 ， 在焊縫接頭區(qū)域及兩邊的母材，沿同 一條直 線每 隔 0．02 mm 取一點(diǎn)進(jìn)行顯微 硬度 測(cè)試．從 圖 6 中可 以 看出 ，焊縫兩側(cè) 母材的 硬度值分 布較 為 均勻 ，鋼 側(cè)平均硬 度為131．9 HV，鋁側(cè)平均 硬 度為 47．9 HV． 焊縫 近鋼 側(cè)區(qū)的顯微硬度最高為 445．6 HV ，向鋁側(cè)方向焊縫 區(qū)域的硬度呈明顯 的降低 趨勢(shì)．這 是由于焊接過 程中鐵融入液 態(tài)的釬料 ，即鋁硅 共晶相中 與之 發(fā) 生反應(yīng)生成 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ，這兩種金屬 間化合物都是脆性大硬度高 ．隨著 Fe 元素含量 向鋁 母材方 向上 的降低 ， 生成的金屬 間化合物 逐漸減 少 ， 硬度 逐漸 降低 ;在焊接接頭 近 鋁側(cè) 區(qū) 域成 分 為 Al-Si 共 晶組織 ，金相呈細(xì)長(zhǎng)的針葉狀 ，硬度比鋁 母材稍高。

3．3 斷口分 析

為斷口 的 EDS的分析形 貌，其中 方框 1 中成分 F 元素含量為 60．64% ( 原子 分?jǐn)?shù)，下 同) ，K 元素含量為 13．19% ，Al 元素含量為 22．44% ，Si 元素含量為 0．75% ，F(xiàn)e 元素含量為 0．59% ．在鋼 螺柱 的斷面上留有白色 島 狀物質(zhì) ，主要 是釬 劑 遺 留下 的 F元素 和 K 元 素 ; 方 框 2 中 成 分 Al 元 素 含 量 為54. 44% ，F(xiàn)e 元 素 含 量 為 40．89% ，Si 元 素 含 量 為4. 48% ，Mn 元 素含量為 0．18% ．結(jié)合 Fe-Al 二 元相圖，可 判斷方框 1 中還 含有少 量的 FeAl 3 ，方框 2 處為 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金屬 間化合物。

為不同放大倍數(shù)的斷口 形貌，其中圖 8a 可以看到斷口 表面比 較 復(fù)雜，仍 有少 量 的白色 島 狀物質(zhì)殘留，為釬焊 結(jié)束 后 殘余 的 保護(hù) 劑; 圖 8b 可 以看到大 量形貌為纖維狀 的長(zhǎng)條 組織 ，并 且出 現(xiàn)少 量不同高度的 臺(tái)階．結(jié) 合斷口 的 成 分可 以判 斷，這 種斷裂屬于 延性斷裂 ，纖維 狀長(zhǎng)條 組織 為 平行于斷口 方向的剪切力與垂直于斷面的 拉伸力產(chǎn)生的拉拔作用所致，斷裂 面發(fā)生在 金屬 間化合物區(qū) 域．

4 結(jié) 論

( 1) 采用 AlSi 釬料 ，以 感應(yīng)加熱 釬焊方法焊接Q235 鋼 螺柱和 6061 鋁合金 ，能 夠 得到 良好 的焊接接頭 ，接頭組織 由金屬 間化 合物 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 、Al-Si 共晶 相 、 α -Al 固 溶體三個(gè)區(qū)域 組成 ． 金屬 間 化合物厚度為 10 μm 左右 ．

( 2) 剪切試驗(yàn) 表 明，焊縫接頭 在 金屬 間化 合物區(qū)間 斷裂 ，斷裂 性 質(zhì) 為延 性 斷裂 ，最 大 抗 剪 強(qiáng)度 為65 MPa，達(dá)到 6061 母材抗剪強(qiáng) 度的 76．5% ．

( 3) 焊縫接頭金屬 間化合物區(qū) 域顯微硬度最大為 445．6 HV ，近鋁側(cè)區(qū)域呈 細(xì) 長(zhǎng)的針葉狀 Al-Si 共晶組織 ，硬度比鋁 母材稍高．