劉 敏 曹 鵬 張麗娜 張 凈 王華賓 李 躍

LD10鋁合金與C6不銹鋼真空擴(kuò)散焊接工藝研究

劉 敏1曹 鵬2張麗娜1張 凈1王華賓1李 躍1

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2. 濟(jì)寧市港航局留莊港航管理處，濟(jì)寧 277642）

針對(duì)鋁鋼兩種材料物化性能差異大且易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的特點(diǎn)，采用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)進(jìn)行LD10 鋁合金與0Cr20Ni24Si4Ti不銹鋼（C6鋼）的焊接，研究接頭微觀組織、界面成分及結(jié)構(gòu)整體拉伸性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，無(wú)鍍層和鍍鎳層的鋁合金與不銹鋼的連接界面均實(shí)現(xiàn)了Fe、Al、Cu等元素的擴(kuò)散，形成了連續(xù)且均勻分布過(guò)渡層；整體力學(xué)性能測(cè)試，剪切發(fā)生在鋁合金一側(cè)，不銹鋼上粘連了較多鋁合金，斷口發(fā)生了層狀撕裂。

LD10鋁合金；C6不銹鋼；真空擴(kuò)散焊接；微觀組織；力學(xué)性能

1 引言

為滿足運(yùn)載火箭及武器型號(hào)接頭可靠性及減重要求，鋁鋼異種金屬連接接頭的使用日益增多。但鋁鋼兩種材料物化性能差異大且易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的特點(diǎn)導(dǎo)致無(wú)法使用常規(guī)熔焊進(jìn)行連接。從傳統(tǒng)螺栓連接、粘接，到釬焊、熔釬焊，再到摩擦焊、擴(kuò)散焊，工程應(yīng)用領(lǐng)域始終致力于尋找一種有效的可靠連接方式[1，2]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋建嶺等[3]實(shí)現(xiàn)了5A06鋁合金-不銹鋼的電弧熔釬焊焊接接頭；Alexander Mathieu等[4]采用激光熔釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了AA6061鋁合金與鍍鋅鋼板連接；Jurgen Vrenken 等[5]優(yōu)化了AA6016、AA5182 鋁合金與不銹鋼的無(wú)釬劑激光熔釬焊焊接工藝，將焊接界面金屬間化合物層厚度控制在1μm以下；Kimapong[6]采用攪拌摩擦焊接獲得SS400低碳鋼板與AA5083鋁合金的連接；南昌航空工業(yè)學(xué)院邢麗等[7]通過(guò)工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了鋁合金與低碳鋼的攪拌摩擦焊接，接頭實(shí)現(xiàn)塑性結(jié)合；湖南大學(xué)彭艷等[8]基于密度泛函理論進(jìn)行鋼/鋁激光焊連接界面的微合金化原理研究，分析不同合金元素在界面結(jié)合發(fā)揮的作用；D. Yashan[9]、Emeltaban等[10]分別實(shí)現(xiàn)了鋁合金與不銹鋼的慣性摩擦焊接；首都航天機(jī)械公司趙衍華等[11]開(kāi)展LF6鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接工藝研究，獲得了優(yōu)于熔釬焊及釬焊性能的焊接接頭且實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在航天領(lǐng)域的型號(hào)應(yīng)用。

真空擴(kuò)散連接技術(shù)作為一種先進(jìn)的固相焊接技術(shù)，尤其適用于大面積構(gòu)件的連接，應(yīng)用于鋁鋼連接時(shí)接頭耐蝕性優(yōu)良，接頭質(zhì)量較好，缺陷較少，可靠性高。德國(guó)學(xué)者開(kāi)展了純鋁和碳素鋼的擴(kuò)散焊接研究并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)與山東大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展Fe3Al/Q235異種材料的擴(kuò)散焊接試驗(yàn)，從焊接工藝、界面元素?cái)U(kuò)散、擴(kuò)散界面相結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行研究，獲得了存在明顯擴(kuò)散特征、界面結(jié)合良好的連接接頭[12]。本文將就LD10鋁合金與0Cr20Ni24Si4Ti不銹鋼（C6鋼）的真空擴(kuò)散連接及接頭微觀組織、成分及力學(xué)性能進(jìn)行分析，為兩種材料接頭的工程應(yīng)用提供借鑒。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用LD10鋁合金與C6不銹鋼為試驗(yàn)用材料，其中C6鋼是一種高硅、高鉻鎳耐酸奧氏體不銹鋼?；瘜W(xué)成分和物理性能分別見(jiàn)表1～表3。

表1 C6鋼的化學(xué)成分

表2 LD10牌號(hào)、化學(xué)成分及力學(xué)性能

表3 鋁和鐵的熱物理性能及力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 接頭設(shè)計(jì)

LD10鋁合金與不銹鋼采用柱面過(guò)盈配合的方式，使鋁合金與不銹鋼實(shí)現(xiàn)緊密貼合，利于焊接過(guò)程中Fe、Al等原子產(chǎn)生擴(kuò)散行為的同時(shí)利用過(guò)盈剪切的方式去除鋁合金表面的氧化膜，減少氧化膜對(duì)擴(kuò)散焊接工藝的不利影響。

鋁合金與不銹鋼試件焊前酸洗去油，進(jìn)行壓配，實(shí)施焊接，不銹鋼待焊面采取鍍鎳和無(wú)鍍層兩種方式，鍍層約510μm。

2.2.2 工裝設(shè)計(jì)

采用熱膨脹加壓的理念進(jìn)行鋁鋼界面徑向加壓，同時(shí)采用石墨工裝約束鋁合金外周膨脹，利用鋁合金與不銹鋼在擴(kuò)散焊接升溫過(guò)程中的線脹差異，使膨脹壓力有效地施加到鋁鋼焊接界面上。圖1為石墨工裝與焊件組配圖。

圖1 石墨工裝與焊件組配圖

2.2.3 工藝參數(shù)的制定與優(yōu)化

真空擴(kuò)散焊接工藝主要影響因素有：焊接溫度、焊接壓力、保溫時(shí)間、冷卻時(shí)間、加熱速率、零件表面粗糙度及表面鍍層、接頭結(jié)構(gòu)形式等，在接頭結(jié)構(gòu)形式確定的前提下，本文重點(diǎn)考慮焊接溫度、焊接壓力、保溫時(shí)間。采用正交試驗(yàn)法確定焊接工藝。

鋁鋼擴(kuò)散焊接試驗(yàn)在美國(guó)真空工業(yè)公司（CVI）引進(jìn)的Workhorse II型3520真空擴(kuò)散焊設(shè)備上進(jìn)行，焊接溫度500～580℃，焊接壓力6～18MPa，保溫時(shí)間60～150min。具體加熱規(guī)范如圖2所示。

圖2 擴(kuò)散連接加熱規(guī)范

焊后沿試件軸線進(jìn)行剖切取樣，對(duì)焊縫縱截面進(jìn)行金相組織、EDX成分分析及接頭力學(xué)性能測(cè)試。

溫度是擴(kuò)散連接的一個(gè)重要的工藝參數(shù)，由菲克定律可知，溫度的微小變化會(huì)對(duì)擴(kuò)散速度產(chǎn)生很大的影響。在一定范圍內(nèi)，溫度越高，擴(kuò)散速度越快，不過(guò)擴(kuò)散溫度過(guò)高，容易使晶粒粗化，接頭質(zhì)量下降。鋁合金與不銹鋼真空擴(kuò)散連接時(shí)，焊接溫度選取原則：a.擴(kuò)散溫度依熔點(diǎn)低的金屬為準(zhǔn)，即鋁合金是決定擴(kuò)散溫度的材料；b.擴(kuò)散焊最適宜的溫度為0.53～0.88m（m取LD10鋁合金的熔點(diǎn)：650℃）；c.擴(kuò)散溫度應(yīng)高于鋁合金的的再結(jié)晶溫度（500℃），促使連接界面附近的母材發(fā)生再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接參數(shù)對(duì)接頭界面結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 焊接溫度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接溫度過(guò)低、過(guò)高均無(wú)法形成有效連接。分析認(rèn)為：溫度對(duì)于金屬原子的自擴(kuò)散、互擴(kuò)散、晶界遷移和晶粒長(zhǎng)大等有顯著的作用，溫度過(guò)低，擴(kuò)散難以進(jìn)行，如采用500℃的規(guī)范焊接LD10合金與不銹鋼，焊后試樣外觀良好，但接頭進(jìn)行線切割金相取樣時(shí)，隨著鋁鋼焊接應(yīng)力的釋放，接頭直接開(kāi)裂，見(jiàn)圖3a；采用580℃的規(guī)范焊接時(shí)，溫度較高，造成鋁合金的局部熔化跡象，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的情況下，鋁合金熔化跡象更加明顯，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低，在線切割時(shí)直接發(fā)生接頭開(kāi)裂，見(jiàn)圖3b；在擴(kuò)散時(shí)間充分的情況下，合適的焊接溫度可實(shí)現(xiàn)有效連接，見(jiàn)圖3c，接頭焊合率達(dá)到95%以上，如圖4所示。

圖3 不同焊接溫度的擴(kuò)散焊接接頭

圖4 焊合良好的真空擴(kuò)散焊接界面

3.1.2 焊接壓力的影響

壓力的作用是消除或減小焊接表面不平，增大連接表面之間的實(shí)際接觸面積，連接面實(shí)現(xiàn)接觸后，通過(guò)材料內(nèi)部原子的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。本實(shí)驗(yàn)采用了膨脹壓差的方式實(shí)現(xiàn)鋁合金與不銹鋼的連接，壓力主要來(lái)自熱膨脹形成的壓差，壓力值過(guò)小，軸向熱膨脹約束不足，在鋁鋼焊接接頭徑向面上壓力不足產(chǎn)生未焊合現(xiàn)象，如小于等于6MPa的軸向壓力下，焊合率偏低，易出現(xiàn)未焊合缺陷，見(jiàn)圖5a；壓力值過(guò)大，會(huì)使焊件軸向變形增大，尤其是在高溫長(zhǎng)時(shí)間的情況下，焊件出現(xiàn)嚴(yán)重墩粗現(xiàn)象，焊合率低，甚至在鋁合金母材內(nèi)出現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖5b。基此試驗(yàn)將12MPa作為最佳焊接壓力規(guī)范，試驗(yàn)證實(shí)，該壓力可使焊件的變形量和接頭質(zhì)量達(dá)到良好匹配，見(jiàn)圖5c。

圖5 不同焊接壓力

3.1.3 保溫時(shí)間的影響

在鋁合金與不銹鋼擴(kuò)散焊接工藝中，焊接時(shí)間的延長(zhǎng)可以促進(jìn)Fe、Al等元素?cái)U(kuò)散，使得基體之間的擴(kuò)散更加充分。圖6為不同保溫時(shí)間擴(kuò)散焊接焊件對(duì)比圖：擴(kuò)散焊接時(shí)間太短，擴(kuò)散不充分，接頭焊合率降低，接頭強(qiáng)度??；擴(kuò)散焊接時(shí)間增長(zhǎng)，宏觀可見(jiàn)鋁合金焊件產(chǎn)生變形，微觀可見(jiàn)連接界面和基體的晶粒長(zhǎng)大，不銹鋼與鋁合金界面滑移，造成接頭性能的下降；因此合適的焊接時(shí)間可使擴(kuò)散充分，獲得均勻組織的接頭。

圖6 不同保溫時(shí)間的擴(kuò)散焊接接頭

3.1.4 中間層的影響

選擇合適的焊接參數(shù)，無(wú)鍍層和有鍍層的焊件均實(shí)現(xiàn)了鋁鋼的有效連接，焊合率良好，且擴(kuò)散層均為1μm左右，如圖7所示；鍍層可部分消除鋁鋼待焊面不平帶來(lái)的不利影響，同時(shí)鎳層可阻隔Fe原子向鋁中的擴(kuò)散，形成AL、Ni、Cu元素構(gòu)成的金屬間化合物，相比FeAL金屬間化合物，韌性提高，對(duì)擴(kuò)散焊接接頭性能產(chǎn)生有利影響。

圖7 中間層對(duì)鋁鋼擴(kuò)散焊接接頭

3.2 接頭微觀組織及成分分析

借助掃描電鏡（SEM）及能譜分析可更好地觀察焊接界面處元素的變化，圖8、圖9為無(wú)鍍層和鍍鎳層LD10鋁合金與不銹鋼擴(kuò)散焊接接頭組織成分點(diǎn)掃描、線掃描照片。

由圖8、圖9看出無(wú)鍍層和鍍鎳層鋁合金與不銹鋼的連接界面均實(shí)現(xiàn)了Fe、Al、Cu等元素的擴(kuò)散，形成了連續(xù)且均勻分布過(guò)渡層；鍍鎳層點(diǎn)掃顯示，鎳層阻礙了Fe元素的擴(kuò)散，擴(kuò)散層中Ni元素的比例增大。EDS線掃描結(jié)果進(jìn)一步顯示焊接界面處發(fā)生了Fe、Al等元素?cái)U(kuò)散，對(duì)于鍍鎳擴(kuò)散焊接頭，鎳元素參與擴(kuò)散明顯。表明在焊接溫度、壓力及保溫時(shí)間的作用下基體元素形成了一薄層的金屬間化合物，焊接工藝參數(shù)直接影響其厚度，文獻(xiàn)指出，在金屬間化合物層厚度在0.2～2μm時(shí)，接頭性能達(dá)到最優(yōu)；金屬間化合物層厚度太薄或太厚，將導(dǎo)致元素?cái)U(kuò)散不充分或脆性相過(guò)多，接頭性能差。此外，對(duì)于鍍鎳層擴(kuò)散焊接接頭，由于Ni元素參與擴(kuò)散，且形成阻隔，形成的金屬間化合物韌性高于Fe、Al元素構(gòu)成的金屬間化合物，剪切強(qiáng)度會(huì)有所提高。

圖8 鍍層鋁鋼擴(kuò)散焊接接頭掃描電鏡

圖9 鍍鎳層鋁鋼擴(kuò)散焊接接頭掃描電鏡

3.3 接頭力學(xué)性能分析

圖10 整體剪切試樣

采用優(yōu)選工藝參數(shù)進(jìn)行鋁鋼擴(kuò)散焊接，并對(duì)接頭進(jìn)行常溫剪切試驗(yàn)?？紤]到柱面結(jié)合鋁合金與不銹鋼異種金屬擴(kuò)散焊接接頭存在較大焊接應(yīng)力，在線切割取樣的過(guò)程中應(yīng)力釋放造成剪切力的不均勻性，切取試樣加工工藝繁瑣且力值存在測(cè)量偏差，采用整體剪切模式。整體剪切能更好地反應(yīng)實(shí)際受力情況，為工程應(yīng)用提供有效合理的數(shù)據(jù)積累，剪切試樣見(jiàn)圖10。

剪切強(qiáng)度約100MPa，斷口掃描照片如圖11所示，剪切發(fā)生在鋁合金一側(cè)，不銹鋼上粘連了較多鋁合金，對(duì)剪切試樣進(jìn)行斷口觀察，斷面為河流樣層片狀組織，進(jìn)一步放大倍數(shù)，看到很多小而淺的韌窩，表明斷口發(fā)生了層狀撕裂，對(duì)斷口進(jìn)行能譜分析，主要由鋁元素構(gòu)成。

圖11 剪切斷口及斷口掃描照片

4 結(jié)束語(yǔ)

a. 采用優(yōu)化焊接工藝，獲得焊合良好的LD10鋁合金-C6不銹鋼真空擴(kuò)散焊接接頭，試件焊合率>95%，剪切強(qiáng)度80～100MPa；

b. 微觀組織分析可見(jiàn)：合理的焊接參數(shù)可獲得擴(kuò)散充分的連接接頭；

c. 擴(kuò)散界面成分分析表明：無(wú)鍍層和鍍鎳層鋁合金與不銹鋼的連接界面均實(shí)現(xiàn)了Fe、Al、Cu等元素的擴(kuò)散，形成了連續(xù)且均勻分布過(guò)渡層；

d. 力學(xué)性能測(cè)試：剪切發(fā)生在鋁合金一側(cè)，不銹鋼上粘連了較多鋁合金，斷口發(fā)生了層狀撕裂。

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Study on Vacuum Diffusion Welding Between LD10 Aluminum Alloy and C6 Stainless Steel

Liu Min1Cao Peng2Zhang Lina1Zhang Jing1Wang Huabin1Li Yue1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076;2. Liuzhuang Department of Jining Port and Shipping Bureau, Jining 277642)

Because of the different physical and metallurgical properties between the aluminum and steel, it is difficult to join them using the conventional welding method and the brittle intermetallic compounds is easy to produce. In this work, vacuum diffusion welding has been used to create joints between LD10 aluminum alloy and C6 stainless steel. The microstructure, interface composition and overall tensile property of joint were measured and analyzed. The results showed that, the interface between aluminum alloy and stainless steel without coating and nickel coating could achieve the diffusion of Fe, Al, Cu and other elements by optimizing the welding process parameters, forming a continuous and uniformly distributed transition layer. In the mechanical performance testing, shear occurred on the side of aluminum alloy, more aluminum alloy was adhered on stainless steel, the lamellar tear occured at the fracture.

LD10 aluminum alloy；C6 stainless steel；vacuum diffusion welding；microstructure；mechanical properties

劉敏（1987），工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：特種焊接技術(shù)。

2019-06-24