铝/钛和铝/热挤压钢异种金属CMT焊接性分析

【摘要】铝/钛和铝/钢的异种金属的复合构件可以综合利用不同材料的性能优势,因而在航空航天及汽车等工业领域中有着巨大的应用潜能。但是由于异种金属问存在较大的物理、化学及冶金性能的差异,焊接时两种元素间易产生脆硬的金属间化合物相,严重影响焊接接头的力学性能,所以抑制金属间化合物的生长成为异种金属焊接时的主要问题。对于铝/钛异种金属,本文主要采用冷金属过渡技术对AA6061-T6铝合金和Ti-6Al-4V钛合金母材进行搭接焊,并以AlSi5焊丝作为填充金属。焊接过程中采用两种搭接方式：如果采用铝板在上钛板在下的搭接方式时,焊缝成形较差,且焊接电弧不稳定,飞溅也较大；而当采用铝板在下钛板在上的搭接方式时,焊缝金属在板材上的润湿铺展性较好,焊缝连续光滑,焊后试件几乎没有变形。所以本研究重点对采用钛板在上而铝板在下时CMT焊接接头的力学性能和微观组织进行了分析。实验结果表明,所得到的铝/钛异种金属的CMT焊接接头为典型的熔钎焊接头。焊接过程中,低熔点的铝母材发生了熔化,与填充金属混合凝固为熔焊接头；而高熔点的钛母材则没有发生熔化,通过原子间的相互扩散而与焊缝金属作用形成了三个钎焊连接界面。对于熔焊接头,接头的微观组织主要为a-AI晶粒以及网状的Al-Si共晶组织所组成；钎焊界面的组成物相对较复杂,三个钎焊界面由于反应温度和反应时间的不同,界面金属间化合物生长的厚度也有所不同,但化合物的种类却基本相同,其主要分为靠近钛母材一侧的较薄的连续层和靠近焊缝金属一层的锯齿状的非连续层。钎焊界面处有不同的Ti-AI金属间化合物生成,从焊缝金属到钛板母材主要依次为TiAl3、TiAl及Ti3Al。另外,在焊接的过程中,可以发现Si元素在钎焊界面处富集,可以抑制金属间化合物层的过快生长。通过对接头力学性能的分析,可以发现焊丝偏移量对接头力学性能影响最大。随着偏移量由0mmm增加到1.5mm,接头的力学性能逐渐增加。拉伸过程中接头有两种断裂方式,即熔-钎焊界面处和铝母材的热影响区,且断裂在铝母材热影响区时接头的力学性能明显较好,接头的最大拉伸强度为194N/mm。对于铝合金与不同镀层的热挤压钢,本文采用CMT的搭接方式对其进行连接,焊接过程中同样用AlSi5焊丝作为填充金属,主要考察不同的镀层对铝板和钢板焊接过程的影响。结果表明,使用纯锌镀层的钢板与铝板进行焊接时,电弧作用下镀层完全熔化,促进了焊缝金属在钢板表面的润湿铺展,因而可以得到光滑连续且焊缝余高较低的焊缝成形。通过正交实验对此种接头进行参数优化,在焊速为6mm/s下,当送丝速度为3m/min,焊丝偏移量为2mm及弧长修正为20%的情况之下,可以得到最佳的焊缝成形以及焊接力学性能。所得到的焊接接头具有熔钎焊的性质,主要包括富锌区、钎焊界面区、焊缝金属等,钎焊界面由厚度较薄(4-8μm)的Fe-Al金属间化合物组成。对于Fe-Zn镀层的钢板和铝板的焊接,由于镀层金属本身的熔点较高,因而焊接过程中并没有完全发生熔化,致使焊缝金属在钢板表面的润湿铺展较差,所以不能得到有效的焊接接头。使用Al-Si镀层和没有镀层的裸钢板和铝合金进行焊接时,焊接过程中钢板发生了大量的熔化,使得界面甚至焊缝金属中出现了大量的Fe-Al金属间化合物厚度,同样使得接头成形较差,强度较低。
【作者】孙军浩；
【导师】陈剑虹；曹睿；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】6061铝合金；TC4钛合金；不同镀层的热挤压钢板；冷金属过渡焊；焊接性；微观组织；拉伸强度；

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