張麗霞，孟德強(qiáng)，亓鈞雷，鄭文龍，馮吉才

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

5005鋁合金具有密度小，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造以及化學(xué)工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用[1-2]。特別是該合金中含有一定量的Mg元素，對(duì)于去除鋁合金表面的氧化膜具有重要作用。4J34可伐合金在20~450 ℃范圍內(nèi)具有與硬玻璃相近的線膨脹系數(shù)，同時(shí)具有良好的可加工性和低溫組織穩(wěn)定性。因此，在核工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)5005鋁合金與4J34可伐合金的連接而制備核探測(cè)儀構(gòu)件，可使構(gòu)件兼具上述兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

由于5005鋁合金與4J34可伐合金的線膨脹系數(shù)差異較大，以及鋁合金表面氧化膜的存在，因此，5005鋁合金與4J34可伐合金的焊接較為困難。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料來(lái)看，可伐合金與陶瓷、玻璃等連接的研究較多，而與鋁合金連接的鮮見(jiàn)報(bào)道。鋁合金與可伐合金 的連接本質(zhì)上是Al-Fe之間的連接。采用熔化焊方法對(duì)Al-Fe進(jìn)行焊接時(shí)，接頭易氧化且存在很大應(yīng)力，同時(shí)焊縫成分不均勻，塑性和韌性降低，易產(chǎn)生裂紋、夾渣等缺陷[3-8]；摩擦焊對(duì)待焊工件的形狀要求嚴(yán)格，裝配要求也較高，且焊接件一般工作在變化的溫度場(chǎng)中，接頭的韌性差，容易發(fā)生開(kāi)裂[9-12]。采用釬焊對(duì)Al-Fe進(jìn)行焊接時(shí)，母材不熔化，可以防止金屬間化合物的大量生成，并能夠通過(guò)控制釬料成分來(lái)控制界面反應(yīng)過(guò)程，以獲得性能良好的接頭[13-15]。本文作者采用Al-Si-Mg釬料成功實(shí)現(xiàn)了5005鋁合金和4J34可伐合金的可靠連接，研究了接頭的界面結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理，并分析了工藝參數(shù)對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料為4J34可伐合金、5005鋁合金和Al-Si-Mg箔狀釬料，Al-Si-Mg釬料的融化溫度為550 ℃。其化學(xué)成分見(jiàn)表1~3所列。試驗(yàn)前，利用線切割機(jī)將4J34可伐合金加工成30 mm×10 mm×1.5 mm的試樣，將5005鋁合金加工成7 mm×7 mm×5 mm的試樣。商業(yè)購(gòu)買的Al-Si-Mg箔狀釬料厚度為150μm。

釬焊前，使用砂紙對(duì)金屬待焊表面進(jìn)行逐級(jí)打磨，并使用丙酮溶液對(duì)待焊母材進(jìn)行超聲清洗。為了去除鋁合金表面氧化膜，在40 ℃條件下，用稀NaOH溶液進(jìn)行超聲堿洗，再用稀HNO3溶液進(jìn)行酸洗。釬焊試驗(yàn)在Cnetorr6-1650-15T真空擴(kuò)散焊機(jī)內(nèi)進(jìn)行，釬焊溫度分別為560、570、580和590 ℃，保溫時(shí)間分別為5、10、15、20和25 min。焊后采用掃描電鏡(SEM，S-4007)觀察界面組織及斷口形貌；用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線衍射儀(XRD，D/max-rb)對(duì)界面產(chǎn)物進(jìn)行物相分析，確定反應(yīng)產(chǎn)物；采用INSTRON MODEL 5569電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓剪測(cè)試。

表1 5005鋁合金的化學(xué)成分 Table1 Chemical composition of 5005 aluminum alloy (mass fraction,%)

表2 可伐合金的化學(xué)成分 Table2 Chemical composition of Kovar alloy (mass fraction,%)

表3 Al-Si-Mg釬料的化學(xué)成分 Table3 Chemical composition of Al-Si-Mg (mass fraction,%)

2 結(jié)果與討論

2.1 釬焊接頭的界面分析

圖1所示為釬焊溫度580 ℃、保溫時(shí)間15 min時(shí)的接頭顯微組織。如圖1所示，可伐合金、5005鋁合金與釬料之間連接緊密、反應(yīng)充分，焊縫成形平整致密，接頭主要分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)反應(yīng)層，相鄰兩層過(guò)渡均勻。

對(duì)接頭各反應(yīng)層進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如表4所列，發(fā)現(xiàn)釬焊接頭主要由Fe和Al元素構(gòu)成。Ⅰ反應(yīng)層呈淺灰色，F(xiàn)e和Al的摩爾比接近1:1，結(jié)合Fe-Al二元相圖，推斷該區(qū)成分為FeAl。Ⅱ反應(yīng)層顏色加深，并有一定量的黑色相(D區(qū))分布其中，該反應(yīng)層中基體組織(B區(qū))的Fe和Al摩爾比接近1:3，推斷該區(qū)成分為FeAl3。根據(jù)王興慶等[16]反應(yīng)燒結(jié)制取鐵鋁系金屬間化合物的研究成果可推斷認(rèn)為：反應(yīng)層中黑色相(D區(qū))可能為Fe2Al5?？拷?005鋁合金的Ⅲ反應(yīng)層中，由于Al元素含量明顯增多，釬縫中逐漸析出Al基固溶體α(Al)，因此，該反應(yīng)層主要是由Fe-Al金屬間化合物與α(Al)共同組成。

綜上所述，接頭界面處Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)反應(yīng)層主要由Fe-Al之間形成的不同類型的金屬間化合物構(gòu)成。為進(jìn)一步確定接頭的界面反應(yīng)產(chǎn)物，對(duì)接頭斷口界面進(jìn)行了XRD檢測(cè)，其結(jié)果如圖2所示，表明界 面有FeAl和FeAl3化合物生成，這與采用能譜分析的結(jié)果一致。

圖1 釬焊溫度580 ℃、保溫時(shí)間15 min時(shí)接頭的顯微組織 Fig.1 Microstructure of joints brazed at 580 ℃ for 15 min

表4 接頭各區(qū)主要元素成分及生成的可能相 Table4 Chemical compositions of elements and possible phases for joints

綜上所述，采用Al-Si-Mg釬料釬焊5005鋁合金與可伐合金時(shí)，接頭的界面結(jié)構(gòu)可表示為可伐合 金/FeAl/FeAl3/FemAln+α(Al)/5005。

圖2 接頭斷口界面的XRD譜 Fig.2 XRD pattern of interface on joint fracture

2.2 接頭形成機(jī)理

釬焊加熱過(guò)程中，隨著溫度的升高，Al-Si-Mg釬料中的Mg揮發(fā)，Mg蒸汽滲入鋁合金表層，與擴(kuò)散進(jìn)入鋁合金表層的Si形成低熔點(diǎn)的Al-Si-Mg液相，破壞氧化膜與鋁合金的結(jié)合，進(jìn)而液態(tài)釬料在母材表面潤(rùn)濕鋪展，并將表面氧化膜浮起去除[17]。

隨著加熱溫度的進(jìn)一步升高，液態(tài)釬料中的Al元素與可伐合金中的Fe元素相互擴(kuò)散，反應(yīng)生成FeAl3：已有研究表明[18]，F(xiàn)e-Al化合反應(yīng)會(huì)釋放大量的熱，造成反應(yīng)區(qū)局部溫度急劇升高，最高溫度可達(dá)1200℃，使該區(qū)域溫度高于共晶溫度，使得FeAl3與Al形成共晶液相L(見(jiàn)反應(yīng)式(2))。

隨著反應(yīng)進(jìn)行，可伐合金中的Fe不斷溶解，在界面處聚集并向遠(yuǎn)離界面處不斷擴(kuò)散，使得液態(tài)釬料中Fe元素含量逐漸增加，根據(jù)相圖可知，1200 ℃時(shí)Fe在Al中的溶解度可達(dá)44%，此時(shí)得到的化合物為Fe2Al5，但由于Fe2Al5不穩(wěn)定，可以與Al繼續(xù)反應(yīng)(見(jiàn)反應(yīng)式(3))，從而反應(yīng)生成FeAl和FeAl3。若反應(yīng)進(jìn)行不充分，在界面處會(huì)有Fe2Al5相殘存(見(jiàn)圖1中D區(qū))。

伴隨著反應(yīng)(1)~(3)的進(jìn)行，鋁合金側(cè)的母材會(huì)熔化進(jìn)入釬縫，在釬焊冷卻過(guò)程中形成α(Al)固溶體。

綜上所述，焊后接頭形成的界面結(jié)構(gòu)為可伐合金/ FeAl/FeAl3/FemAln+α(Al)/5005。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)接頭組織的影響

釬焊溫度是釬焊的重要工藝參數(shù)，對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)具有重要的影響。由圖3(a)可知，釬焊溫度為570 ℃時(shí)，焊縫中存在較多的裂紋、氣孔等缺陷，這是由于Mg元素的去膜作用未充分發(fā)揮，釬料去除5005鋁合金表面的氧化膜的效果不明顯。當(dāng)釬焊溫度為580 ℃(見(jiàn)圖3(b))，焊接缺陷逐漸消失，焊縫成形良好。當(dāng)釬焊溫度過(guò)高時(shí)(見(jiàn)圖3(c))，釬焊反應(yīng)的熱輸入量過(guò)大，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生了裂紋、過(guò)燒等焊接缺陷，焊縫的氣密性、抗剪強(qiáng)度均有很大程度的下降。

保溫時(shí)間對(duì)接頭組織具有類似影響，圖4所示為釬焊溫度590 ℃、保溫時(shí)間分別為5、20和25 min時(shí)接頭的界面顯微組織。

如圖4(a)所示，當(dāng)保溫時(shí)間為5 min時(shí)，釬料的作用得不到充分發(fā)揮，鋁合金母材表面的氧化膜大量殘留，釬料未能在鋁合金表面潤(rùn)濕鋪展，焊后接頭出現(xiàn)了貫穿性裂紋。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬料與兩側(cè)母材反應(yīng)充分，焊縫成形得到改善，如圖4(b)所示，焊縫中不存在裂紋、氣孔等焊接缺陷。但當(dāng)保溫時(shí)間為25 min時(shí)，釬焊過(guò)程中熱輸入量過(guò)大，產(chǎn)生熱裂紋，如圖4(c)所示。

圖3 不同釬焊溫度時(shí)接頭界面顯微組織 Fig.3 Microstructures of joints at different brazing temperature for 15 min: (a) 570 ℃; (b) 580 ℃; (c) 590 ℃

圖4 不同保溫時(shí)間后接頭界面顯微組織 Fig.4 Microstructures of joints at brazing temperatures of 590 ℃ for different holding time: (a) 5 min; (b) 20 min; (c) 25 min

2.4 工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響

圖5 所示為保溫時(shí)間固定為15 min、釬焊溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響。隨著釬焊溫度的升高，接頭抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)釬焊溫度為580 ℃時(shí)，釬料反應(yīng)充分，釬縫無(wú)缺陷，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大81 MPa。

圖6所示為釬焊溫度固定為590 ℃、保溫時(shí)間對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響?？梢钥闯觯貢r(shí)間對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響與釬焊溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響類似，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬料充分熔化，與兩側(cè)母材的反應(yīng)程度逐漸加劇，接頭抗剪強(qiáng)度逐漸升高。但當(dāng)保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，接頭中產(chǎn)生了熱裂紋缺陷，接頭抗剪強(qiáng)度降低。

釬焊溫度對(duì)接頭的斷裂方式和斷裂形貌具有明顯影響。圖7所示為保溫時(shí)間固定為15 min、釬焊溫度分別為570和580 ℃時(shí)的試樣斷口形貌。

圖5 釬焊溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響 Fig.5 Effect of brazing temperature on shear strength of joints

圖6 釬焊溫度590 ℃時(shí)保溫時(shí)間對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響 Fig.6 Effect of holding time on shear strength of joints at brazing temperature of 590 ℃

圖7 不同釬焊溫度下保溫15 min后接頭的斷口形貌 Fig.7 Morphologies of joint fractures at different brazing temperatures for 15 min: (a) 570 ℃; (b) 580 ℃

表5 斷口的能譜分析結(jié)果 Table5 EDS analyses results of fracture surface

表5所列為圖7(a)中接頭斷口中A1、B1區(qū)域的能譜分析結(jié)果。由圖7(a)可知，當(dāng)溫度較低時(shí)，由于鋁合金表面殘留氧化膜，縫焊中存在大量的氣孔、裂紋 等缺陷，斷裂主要發(fā)生在鋁合金側(cè)氧化膜層及鋁合金內(nèi)部，接頭韌性差。由圖7(b)可知，隨著釬焊溫度升高到580 ℃，接頭斷裂位置發(fā)生顯著變化，斷裂發(fā)生在FemAln+α(Al)反應(yīng)層中，此時(shí)接頭抗剪強(qiáng)度最高。

3 結(jié)論

1) 采用Al-Si-Mg釬料釬焊5005鋁合金與可伐合金，當(dāng)釬焊溫度為580 ℃、保溫時(shí)間為15 min時(shí)，由于液態(tài)釬料中的Al與可伐合金中Fe的擴(kuò)散和溶解行為導(dǎo)致界面有不同類型的Fe-Al金屬間化合物反應(yīng)生成，此時(shí)接頭的界面結(jié)構(gòu)可表示為Kovar/FeAl/ FeAl3/FemAln+α(Al)/5005。

2) 當(dāng)釬焊工藝參數(shù)較低時(shí)，5005鋁合金表面存在殘余氧化膜，因此，焊縫中有較多的裂紋和氣孔等缺陷出現(xiàn)；當(dāng)釬焊溫度升高至580 ℃時(shí)，焊接缺陷消失，焊縫成形良好；當(dāng)釬焊工藝參數(shù)進(jìn)一步增加時(shí)，由于焊接熱輸入量過(guò)大，焊縫產(chǎn)生裂紋、過(guò)燒等焊接缺陷。

3) 隨著釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)釬焊溫度為580 ℃、保溫時(shí)間為15 min時(shí)，接頭獲得最大抗剪強(qiáng)度81 MPa。

4) 釬焊溫度對(duì)接頭斷裂位置具有明顯的影響，當(dāng)釬焊溫度較低時(shí)，接頭斷裂于鋁合金側(cè)氧化膜層及鋁合金內(nèi)；當(dāng)釬焊溫度升高至580 ℃時(shí)，接頭斷裂于FemAln+α(Al)反應(yīng)層中。

[1] 李妙珍. 關(guān)于鋁及鋁合金的焊接工藝淺析[J]. 輕金屬,2007(9): 66-69.

LI Miao-zhen. Analysis of aluminum and aluminum alloy welding technology[J]. Light Metals,2007(9): 66-69.

[2] 張啟運(yùn),莊鴻壽. 釬焊手冊(cè)[M]. 1版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

ZHANG Qi-yun,ZHUANG Hong-shou. Brazing directory[M]. 1st ed. Beijing: China Machine Press,1998.

[3] 李亞江,王 娟. 異種難焊材料的焊接及應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2003: 170-175.

LI Ya-jiang,WANC Juan. Application and welding of difficulty to weld dissimilar materials[M]. Beijing: Chemical Industry Press,2003: 170-175.

[4] ISHIDA. T. Interfacial phenomena of plasma arc welding of mild steel and aluminium[J]. Journal of Materials Science,1987,22(3): 1061-1066.

[5] RATHOD M J,KUTSUNA M. Joining of aluminium alloy 5052 and low-carbon steel by laser roll welding[J]. Welding Journal,2004,83(1): 16-26.

[6] KUTSUNA M,RATHOD M J,AZAR A. Laser roll bonding of mild steel to aluminium and control of intermetallic compound layer[C]// Proceedings of International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics. Scottsdale,2002: 609-615.

[7] 陳樹(shù)海,馬 柯,黃繼華,夏 軍,張 華,趙興科. 鋼/鋁異種金屬雙熔池TIG熔釬焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2011,21(12): 3076-3081.

CHEN Shu-hai,MA Ke,HUANG Ji-hua,XIA Jun,ZHANG Hua,ZHAO Xing-ke. Microstructure and mechanical property of joint by TIG welding-brazing with dual weld pools for steel/aluminum dissimilar metals[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2011,21(12): 3076-3081.

[8] MURAKAMI T,NAKATA K,TONG Hon-jun. Dissimilar metal joining of aluminium to steel by MIG arc brazing using flux cored wire[J]. ISIJ International,2003,43(10): 1596-1602.

[9] 張?zhí)飩}(cāng),欒國(guó)紅,陳沁剛,吳 謙. 純鋁不銹鋼異種材料慣性摩擦焊的研究[J]. 航空工藝技術(shù),1998(3): 33-36.

ZHANG Tian-cang,LUAN Guo-hong,CHEN Qin-gang,WU Qian. Inertial friction welding of dissimilar material-pure Al-stainless steel[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,1998(3): 33-36.

[10] 潘春旭,胡倫驥. 鋁基復(fù)合材料-不銹鋼摩擦焊焊接接頭顯微組織的電鏡研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,1996,7(6): 98-100.

PAN Chun-xu,HU Lun-ji. TEM research on microstructure of aluminum matrix composites-stainless steel welded joint by friction stir welding[J]. China Mechanical Engineering,1996,7(6): 98-100.

[11] 傅 莉,毛信孚,史學(xué)芳. LF6防銹鋁與HR-2抗氫不銹鋼摩擦焊接[J]. 焊接學(xué)報(bào),2003,24(1): 9-14.

FU Li,MAO Xin-fu,SHI Xue-fang. Friction welding of LF6 anti-rust aluminum and HR-2 anti-hydrogen stainless steel[J]. Transactions of the China Welding Institution,2003,24(1): 9-14.

[12] ELLIOTT S,WALLACH E R. Joining aluminium to steel EM dash diffusion bonding[J]. Metal Construction,1981,13(3): 167-171.

[13] 錢乙余,董占貴,石素勤,吳培蓮. 鋁接觸釬焊的成縫行為[J]. 焊接學(xué)報(bào),2001,22(5): 13-16. QIAN Yi-yu,DONG Zhan-gui,SHI Su-qin,WU Pei-lian. Behavior of aluminum contact reactive brazing[J]. Transactions of the China Welding Institution,2001,22(5): 13-16.

[14] 吳銘方,司乃潮,陳 健. 鋁/鍍銀層/鋼的擴(kuò)散釬焊及界面化合物的生長(zhǎng)行為[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(6): 1209-1213.

WU Ming-fang,SI Nai-chao,CHEN Jian. Diffusion brazing of Al/Ag plating layer/steel and growth behavior of interface compound[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2010,20(6): 1209-1213.

[15] 何 鵬,錢乙余,馮吉才,韓杰才,麥漢輝,黃振鳳. 復(fù)合電熱餐具鋁/不銹鋼接觸反應(yīng)釬焊新技術(shù)[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2003,13(6): 1519-1522.

HE Peng,QIAN Yi-yu,FENG Ji-cai,HAN Jie-cai,MAI Han-hui,HUANG Zhen-feng. A new technology for contact reactive brazing of aluminum to stainless steel in composite electro- thermal cooker[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2003,13(6): 1519-1522.

[16] 王興慶. 反應(yīng)燒結(jié)制取鐵鋁系金屬間化合物的研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué),2002.

WANG Xing-qing. Research of Fe-Al intermetallic compounds by reactive sintering[D]. Changsha: Central South University,2002.

[17] 馬海軍,李亞江,王 娟. Al/Cu異種有色金屬的真空釬焊工藝[J]. 焊接技術(shù),2007,36(1): 38-86.

MA Hai-jun,LI Ya-jiang,WANG Juan. Study on Al/Cu dissimilar nonferrous metals vacuum brazing technology[J]. Transactions of the China Welding Institution,2007,36(1): 38-86.

[18] RABIN B H,WRIGHT R N. Reaction processing of iron aluminides[J]. Materials Science and Engineering A,1992,153(1): 706-711.