鋁合金與不銹鋼低溫擴散焊及界面主組元擴散行為研究.pdf

1、鋁合金具有比強度大、比剛度高、重量輕、耐腐蝕等特性,不銹鋼具有高強度、可焊接性、抗腐蝕等優(yōu)點,實現(xiàn)鋁合金與不銹鋼的可靠連接在航空航天、汽車、化工等領域具有非常廣泛的應用前景。由于Al與Fe的晶體結構、物理及化學性質相差懸殊,造成鋁合金與不銹鋼的焊接性很差。集中體現(xiàn)在鋁合金表面極易形成穩(wěn)定而致密的氧化膜,破壞了接頭的連續(xù)性和整體性；連接界面易生成脆性金屬間化合物,降低了接頭的連接效果。因此,實現(xiàn)鋁合金與不銹鋼的可靠連接,一直是焊接界關注的

2、焦點。
　　 本文結合國內外關于鋁合金與不銹鋼焊接的研究現(xiàn)狀,以鍍Cu層、鍍Ag層,Al-Si合金箔作為中間反應材料,對6063鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行低溫擴散焊接試驗研究,借助光學顯微鏡、SEM、EPMA、XRD等分析測試手段,對連接過程的潤濕鋪展行為、晶界滲透現(xiàn)象、接頭微觀組織與結構等進行分析,測試接頭力學性能,優(yōu)化焊接工藝參數。在此基礎上,以純Al／純Fe作為擴散偶,在不同溫度和保溫時間條件下進行擴散試驗,重

3、點研究Al原子與Fe原子的擴散行為,探討界面反應層生長機制,建立界面過渡區(qū)Al元素、Fe元素擴散濃度分布方程。
　　 對于6063鋁合金／鍍Cu層／1Cr18Ni9Ti不銹鋼低溫擴散焊,Al-Cu共晶液相對6063鋁合金基體具有較好的潤濕性,潤濕角小于10度,是反應潤濕和鋪展?jié)櫇窆餐饔玫慕Y果；焊接接頭組織結構為6063鋁合金／Fe2Al5、Fe3Al／AlCu、AlCu4／Al固溶體與Al-Cu化合物構成的共晶組織／1Cr18

4、Ni9Ti不銹鋼,增加低溫擴散加熱溫度或延長保溫時間,舍屬間化合物層厚度增大,焊縫區(qū)域共晶組織量逐漸減??；計算表明Al-Cu共晶液相沿6063鋁合金晶界滲透速度為1.3297×10-8m／s；中間反應層Cu的溶解速度非常迅速,是以秒為計數單位的快速過程；在二次加熱溫度510℃、保溫時間30min、鍍Cu層厚度10μm條件下,接頭強度達到最大值約83MPa。對于6063鋁合金／鍍 Ag層／1Cr18Ni9Ti不銹鋼低溫擴散焊,焊接接頭組織

5、結構為6063鋁合金／富 Ag相／Al(Ag)固溶體和Ag-Al化合物／Ag-Al化合物／Fe-Al化合物／1Cr18Ni9Ti不銹鋼；由于Al原子擴散路徑的緣故,Fe-Al金屬間化合物的產生具有延遲特性；鍍Ni層具有良好的阻隔效應,可以有效控制界面生成Fe-Al金屬間化合物；低溫擴散焊與接觸反應釬焊相比,Fe-Al金屬間化合物的生長速度較慢,焊接過程較易控制；界面反應層厚度與保溫時間平方根成正比,其生長激活能為162.39KJ／mol

6、；Ag具有優(yōu)先沿6063鋁合金晶界擴散的特性,從而造成6063鋁合金基體晶界液化。對于6063鋁合金／Al-Si／1Cr18Ni9Ti不銹鋼低溫擴散焊,保溫時間對Al-Si共晶液相在6063鋁合金基體上的潤濕性影響較小,而對1Cr18Ni9Ti不銹鋼的潤濕性影響較大；低溫擴散加熱溫度越高,保溫時間越長,焊縫區(qū)域的共晶組織量減少,初生Si及共晶Si出現(xiàn)長大現(xiàn)象,界面生成的Fe-Al金屬間化合物厚度明顯增厚,甚至產生顯微裂紋；焊接接頭強度普

7、遍較低,界面生成的Fe-Al金屬間化合物、Al-Si共晶液相因等溫凝固造成對基體表面潤濕和鋪展性下降、焊縫中形成大塊狀脆性初生Si相是制約焊接接頭強度的關鍵因素。對于Fe／Al界面反應層生長機理和元素擴散數值分析,采用Boltzmann-Matano分析方法確定Fe／Al擴散焊界面過渡區(qū)元素的D-C關系方程,計算Fe、Al元素在界面過渡區(qū)各相層中的擴散系數。計算結果表明,Fe、Al元素的擴散系數均隨加熱溫度和濃度的增加而增大,Al元素的

8、擴散能力比Fe元素的擴散能力強。結合擴散系數和誤差函數解建立了界面過渡區(qū)元素的反應擴散方程,模擬計算了Fe元素與Al元素在Fe3Al和AlCu4金屬間化合物中的濃度分布,并與EPMA實測結果進行了比較,兩者基本吻合,作為對Fe元素與Al元素擴散行為的初步分析具有一定的參考價值。
　　 本研究的主要成果和創(chuàng)新點為:通過插入特定中間層,實現(xiàn)6063鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的低溫擴散連接,有利于材料表面氧化膜破碎和清除,降低