趙 霞， 張世玉， 張子博， 郭大若

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司, 上海 201512)

0 引 言

鋁合金和鋼的連接結(jié)構(gòu)兼顧了鋁合金耐蝕性強(qiáng)、比重小和鋼的強(qiáng)度高等性能特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在航空航天、船舶、建筑等領(lǐng)域。但鋁合金和鋼在連接過程中極易生成脆性的鐵鋁金屬間化合物而使其應(yīng)用受限，其不適宜熔化焊方法[1-2]。目前，采用較多的鋁/鋼連接方法為釬焊和固相焊。固相焊在工件尺寸和接頭形式等方面局限性明顯，因此釬焊已成為鋁/鋼異種材料連接的熱門方向。尤其是高頻感應(yīng)釬焊，其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、控制精確、高效、低污染，是一種環(huán)保高效的釬焊方法，應(yīng)用廣泛。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鋁/鋼釬焊的焊接方法、焊接工藝及界面反應(yīng)等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了較大進(jìn)步[3]。但未見關(guān)于釬料形狀對(duì)工藝影響的報(bào)道，因此筆者研究釬料形狀對(duì)Q235鋼/6061鋁合金高頻感應(yīng)釬焊工藝的影響，以期對(duì)鋁/鋼釬焊工藝的發(fā)展提供一定的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)基材選Q235鋼和6061鋁合金，分別加工成尺寸為35 mm×35 mm×2 mm、18 mm×18 mm×2 mm。所用釬料為箔片狀4047釬料、粉末狀A(yù)S-1釬料及絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條，三種釬料成分見表1。所用釬劑為FA-4釬劑，粉末狀，主要化學(xué)成分為氟鋁酸鉀，熔點(diǎn)555 ℃。高頻感應(yīng)釬焊工藝流程為焊前準(zhǔn)備—焊接—焊后處理[4-5]。

表1 三種釬料化學(xué)成分

釬料焊接電流330～360 A，焊接時(shí)間28～36 s，用GPH-40型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行釬焊。利用MX-2600FE型掃描電鏡進(jìn)行潤(rùn)濕性測(cè)定、組織觀察。用CMT5305微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)床對(duì)接頭進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 潤(rùn)濕性

2.1.1 鋪展面積

各釬料在Q235鋼表面鋪展情況的宏觀照片如圖1所示。由圖1可見，各釬料在Q235鋼母材均呈現(xiàn)均勻鋪展?fàn)顟B(tài)。

將圖1鋪展情況照片導(dǎo)入CAD軟件，用多段線描繪出輪廓，計(jì)算出鋪展面積S，如表2所示。由表2可知，粉末狀A(yù)S-1釬料鋪展面積最大，箔片狀4047釬料和絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條幾近相等。從釬料鋪展面積來看，粉末狀釬料比箔片和絲狀釬料更有利于釬料在母材表面潤(rùn)濕鋪展。分析原因，粉末狀釬料、釬劑混合后接觸面積較箔片狀釬料和絲狀釬料、釬劑混合后接觸面積大得多，有利于較為快速地去除釬料和母材表面的氧化物，促進(jìn)釬料在母材表面的潤(rùn)濕鋪展。

圖1 各釬料在Q235鋼表面鋪展情況Fig. 1 Spread of each solder on surface of Q235 steel

表2 各釬料在Q235鋼表面潤(rùn)濕情況

Table 2 Wetting of various brazing fillermetals on Q235 steel

釬料S/cm2θ/(°)40472.5616AS-12.9712Al-47-S2.5517

2.1.2 潤(rùn)濕角

圖2是蔡司顯微鏡觀察三種釬料在母材表面的潤(rùn)濕角。由圖2及表2可見，粉末狀A(yù)S-1釬料潤(rùn)濕角θ最小，箔片狀4047釬料比絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條潤(rùn)濕角略小。

圖2 潤(rùn)濕角Fig. 2 Wetting angle

釬焊時(shí)鋪展面積越大，潤(rùn)濕角越小，釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性越好。影響釬料潤(rùn)濕性的主要因素有：金屬表面氧化膜、釬料和母材的成分、釬劑、釬焊溫度、表面活性物質(zhì)。由前述可知，粉末狀A(yù)S-1釬料與箔片狀4047釬料和絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條相比，在保障去除金屬表面氧化膜方面效果更好。另外，實(shí)驗(yàn)中三種釬料成分相近，均是近共晶成分，釬劑相同，釬焊溫度相同，但Al-47-S環(huán)保自釬焊條相比其他兩種釬料還含有自釬劑(K、F)和表面活化(Mg、Cs)成分，增強(qiáng)了去膜和鋪展性。但Al-47-S環(huán)保自釬焊條在釬料放置上因其形狀限制，一般為外置，而粉末狀A(yù)S-1釬料和箔片狀4047釬料為內(nèi)置，在相同焊接時(shí)間，外置相對(duì)于內(nèi)置而言，有一個(gè)填縫過程，縮短了釬料和母材的反應(yīng)時(shí)間，限制了釬料鋪展。綜上分析，三種釬料中粉末狀A(yù)S-1釬料對(duì)母材潤(rùn)濕性最好，箔片狀4047釬料和絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條對(duì)母材潤(rùn)濕性相近。

2.2 釬縫組織

三種釬料釬焊Q235鋼/6061鋁合金所獲得的釬焊接頭構(gòu)成相同，以箔片狀4047釬料釬焊接頭為例進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3a可見，Q235鋼/6061鋁合金釬焊接頭由四部分構(gòu)成，從上至下依次為6061鋁合金、釬縫中心區(qū)、鐵鋁金屬間化合物IMC層和Q235鋼。由圖3b可見，鐵鋁金屬間化合物IMC層厚度約6.5 μm，呈鋸齒狀，有長(zhǎng)大趨勢(shì)。鐵鋁金屬間化合物IMC層線掃描如圖4所示， Fe元素在Q235鋼保持較高含量，在IMC層呈梯度下降；Al元素在釬縫中心區(qū)保持較高含量，在IMC層呈梯度下降；Si元素在釬縫中心區(qū)保持較高含量且分布不均，并向Q235鋼中有一定擴(kuò)散；Mg元素含量很低，由釬縫中心區(qū)向Q235鋼中有一定擴(kuò)散。IMC層線能譜如圖4所示。三種釬料IMC層XRD衍射圖譜和三種釬料IMC層觀察分別如圖5、6所示。

圖3 釬縫顯微組織形貌Fig. 3 Brazing seam microstructure

圖4 IMC層線能譜Fig. 4 IMC layer line energy spectrum

圖5 三種釬料IMC層XRD衍射圖譜Fig. 5 XRD diffraction pattern of three solder IMC layers

圖6 三種釬料IMC層觀察Fig. 6 Three solders IMC layer observation

圖3c為釬縫中心區(qū)內(nèi)部，可見釬縫中心為α-Al+單質(zhì)Si的網(wǎng)狀共晶組織上分布著小塊狀鐵鋁金屬間化合物。由圖3d可見，釬縫中心區(qū)與6061鋁合金母材界面處形成交互結(jié)晶。這是因?yàn)槿N釬料均為Al-Si近共晶成分，釬料主成分與母材相同，釬焊時(shí)液態(tài)釬料隨著凝固過程地進(jìn)行從母材晶粒表面向液態(tài)金屬繼續(xù)生長(zhǎng)產(chǎn)生交互結(jié)晶。圖4能譜分析表明，鋁硅釬料釬焊Q235鋼/6061鋁合金，在鋼基體側(cè)形成了梯度冶金結(jié)合層[6]。

三種釬料釬焊的Q235鋼/6061鋁合金釬焊接頭的主要不同是鐵鋁金屬間化合物IMC層的不同。經(jīng)標(biāo)定箔片狀4047釬料IMC層由FeAl、Fe2Al5、Al0.7Fe3Si0.3和Al2Fe3Si4相組成(圖5a)；粉末狀A(yù)S-1釬料IMC層由FeAl3、Fe2Al5、Al0.7Fe3Si0.3、Al8Fe2Si和Al2FeSi相組成(圖5b)；絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條IMC層由FeAl、FeAl3、Fe2Al5和Al0.7Fe3Si0.3相組成(圖5c)?？梢娙N釬料IMC層均生成了Fe-Al化合物相和Fe-Al-Si相。鋼/鋁界面最容易形成Fe2Al5、FeAl3，且它們的長(zhǎng)大速度較快，容易導(dǎo)致IMC層硬而脆、過厚，影響構(gòu)件性能。而Fe-Al-Si相生長(zhǎng)速度較慢，且這種三元相有利于抑制Fe-Al相的快速長(zhǎng)大，對(duì)控制IMC層厚度提高工件強(qiáng)度有積極作用。

圖6的三種釬料釬焊接頭IMC層的測(cè)量厚度見表3。粉末狀A(yù)S-1釬料IMC層最厚，絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條次之，箔片狀4047釬料最薄。IMC層的生長(zhǎng)與釬料和母材的相互作用有關(guān)。三種釬料中，粉末狀A(yù)S-1釬料去膜最為有效，保障了釬料和母材的相互接觸、擴(kuò)散，IMC層生長(zhǎng)最厚。同理，絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條含有自釬劑和表面活化成分，也較箔片狀4047釬料IMC層厚。

2.3 剪切性能

三種釬料釬焊接頭的剪切斷裂位置均在IMC層，剪切強(qiáng)度見表3，絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條最高，箔片狀4047釬料次之，粉末狀A(yù)S-1釬料最低。剪切強(qiáng)度與IMC層厚度呈現(xiàn)隨厚度增加剪切強(qiáng)度先升高后降低。分析原因?yàn)镮MC層為鐵鋁金屬間化合物，硬而脆，界面應(yīng)力比較大，是整個(gè)接頭最薄弱部位，因此，斷裂位置在IMC層。異種材料焊接，界面一定的化合物層厚度有利保證接頭的連接強(qiáng)度，但過厚的IMC層會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大，接頭的剪切強(qiáng)度降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高頻感應(yīng)釬焊鋁/鋼試件，其IMC層大于10 μm時(shí)，易產(chǎn)生裂紋，影響接頭性能，一般控制在10 μm以下[7-8]。

表3 三種釬料IMC層對(duì)比

3 結(jié) 論

(1)在實(shí)驗(yàn)條件下，粉末狀A(yù)S-1釬料對(duì)母材潤(rùn)濕性最好，箔片狀4047釬料和絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條對(duì)母材潤(rùn)濕性相近。

(2)三種釬料釬焊Q235鋼/6061鋁合金釬焊接頭構(gòu)成相同，均為6061鋁合金、釬縫中心區(qū)、鐵鋁金屬間化合物IMC層和Q235鋼。

(3)剪切強(qiáng)度隨IMC層厚度增加先升高后降低。實(shí)驗(yàn)條件下，絲狀A(yù)l-47-S環(huán)保自釬焊條剪切強(qiáng)度最高，箔片狀4047釬料次之，粉末狀A(yù)S-1釬料最低，剪切斷裂位置均在IMC層。