汽车用铝合金/钢扩散焊接试验研究

作者:张传慧 刊名:轻合金加工技术 上传者:刘雅丽

【摘要】用真空扩散焊接方法焊接铝合金和不锈钢。采用物相分析仪、描电镜、显微硬度计和万能试验机等对焊接接头结构和性能进行了分析。结果表明,通过扩散焊接能实现铝合金和不锈钢的焊接,获得的焊接接头界面结合良好。随着焊接温度升高,扩散层厚度增加,焊接温度550℃时扩散层出现裂纹。铝合金和钢界面处生成了高硬度相,主要为Fe2Al5和Fe4Al13金属间化合物。铝/钢焊接接头剪切强度随焊接温度增加呈先增加后减小的趋势,焊接温度500℃,保温时间3 h,得到接头剪切强度最大值为54 MPa,断裂方式为解理断裂。

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铝合金具有密度低、强度高、导热导电性能和加工性能好等特点,广泛应用于汽车、电子、化工等领域。近年来,随着环境污染和能源紧缺问题越来越突出,汽车工业正向轻量化方向发展,铝合金是构件轻量化首选的轻质结构材料。实现铝-钢结构的连接,可以用铝合金代替部分钢铁结构,大幅减轻汽车质量,降低能耗,产生巨大的经济和社会效益[1-3]。铝和钢的焊接属于异种金属的连接,由于铝和铁在熔点、热膨胀系数、导热导电性能、相互溶解度等物理化学性能方面存在差异,采用常规的熔焊方法很难实现牢固的焊接,焊接接头极易形成裂纹,缩孔等缺陷[4-5]。扩散焊接属于压焊的一种,特别适用于异种材料的焊接。采用扩散焊接实现镁合金和铝合金、铝合金和钛合金、镁合金和铜合金、钨合金和钽合金等异种金属焊接已有报道[6-8]。本试验采用真空扩散焊接方法对铝合金和不锈钢进行焊接,主要研究铝合金和不锈钢扩散焊接界面组织、断口形貌及接头力学性能。1试验材料与方法试验材料为7075铝合金,表1为试验材料的主要化学成分。焊接前将采用线切割将铝合金板加工成Φ25 mm×5 mm圆片,用砂纸抛光以除去焊接原料的表面氧化膜,并用酒精或丙酮超声清洗15 mm待用。试验用真空扩散炉加热功率30 k W,极限真空度1×10-4Pa,采用0.15 MN液压加压,热电偶测温。焊接所用工艺为:焊接温度490℃~540℃,保温时间为100 min,焊接压力5 MPa。采用万能试验机(MTS-810)检测样品的剪切强度,剪切样品尺寸为8 mm×8 mm×8 mm;采用光学显微镜观察焊接接头显微组织,试样经切割、镶嵌、抛光后,用质量分数为5%硝酸酒精溶液腐蚀,制备金相试样,采用截线法在金相照片上计算晶粒的大小。表1 7075铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of 7075 aluminumalloy(wt/%)Si Mn Cu Zn Mg Ti Al0.40 0.2~0.4 0.1~0.4 5.0~5.5 2.0~1.4 0.15余量2试验结果及讨论2.1铝/钢扩散焊接头界面结构图1为不同焊接温度时铝/钢扩散焊接头界面结构,保温时间为3 h。由图可以看出,焊接后铝/钢界面由铝合金、扩散层和不锈钢三层组成。焊接温度480℃时,焊接温度低,原子扩散系数小,扩散不充分,铝/钢焊接界面扩散层不明显,且界面结合良好,无明显裂纹和空洞;随着焊接温度升高到520℃时,原子扩散速率加快,铝层厚度减小,形成明显的扩散层,界面无明显缺陷;焊接温度550℃时,扩散层厚度增加,且出现明显的裂纹。图1不同温度扩散焊接头界面结构Fig.1 The interface structure of diffusion bonded jointsat different temperatures2.2铝/钢扩散焊接头显微硬度图2所示为焊接温度对焊接接头显微硬度分布的影响,原点为铝合金中心。由图2可以看出,界面显微硬度分为3个区域,两侧为不锈钢,中间为铝合金,硬度突变区为扩散层。焊接温度为480℃时,接头扩散层几乎没有形成,界面显微硬度只有两个区域,即不锈钢和铝合金,不锈钢硬度值250 HV左右,铝合金硬度值为38 HV左右;温度升高到520℃或550℃时,在铝合金和不锈钢之间出现一个硬度突变区,硬度值达到1 200 HV,主要是因为生成了Al-Fe系高硬度金属间化合物相,且随着焊接温度的升高,高硬度区域变宽,表明扩散层厚度随焊接温度升高而变宽。图2焊接接头显微硬度Fig.2 Microhardness of dif

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