铝钢异种金属冷金属过渡技术焊接性研究

摘要

当前，随着铝及其合金在汽车工业中的应用越来越广泛，铝钢异种金属之间的连接便成为焊接领域的热点和难点问题之一。因此，研究铝合金和镀锌钢异种金属CMT熔钎焊焊接具有重要的理论意义和实用价值。
　　 本文针对汽车工业中铝合金和镀锌钢异种金属的轻量化结构制造，对铝合金与镀锌钢异种金属薄板搭接件进行了冷金属过渡(CMT)熔钎焊连接，利用正交实验法研究工艺参数、焊丝成分、母材类型对焊缝宏观形貌、接头微观组织和力学性能的影响，通过调整各种焊接工艺参数及改善焊接工艺条件，得到铝合金和镀锌钢薄板异种金属CMT焊接接头性能最佳的焊接工艺参数。
　　 通过对1mm厚不同型号变形铝合金(5183、6061、7075)和镀锌钢板(镀锌层厚度分别为40、60、120g/m2)异种材料进行CMT焊接试验，试验结果表明，接头为典型的搭接接头形貌，焊接接头由钎焊接头和熔焊接头两部分组成。钎焊接头主要由中心界面区、过渡界面区、富锌区以及与焊缝形成钎焊连接的镀锌钢母材组成；熔焊接头主要是由熔焊接头焊缝、焊接热影响区及铝母材组成。熔化区主要由α-Al相及Al-Si共晶相组成；钎焊接头中心界面区化合物层的宽度大约为3～5μm，反应层为致密的Fe2Al5金属间化合物层；过渡界面区反应层的宽度为2～3μm，在靠近熔化区的一侧有灰色的絮状物，其成分为富铝的固溶体，在靠近钢一侧致密的灰色物质为FeAl3金属间化合物层；富锌区是由实心树枝状晶的铝锌α固溶体和枝晶间的残留铝所组成的网状结构。
　　 运用正交实验设计研究了各种焊接规范参数以及不同型号的变形铝合金和镀锌钢板对铝钢焊接接头宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。试验结果显示：焊丝成分是影响焊接接头力学性能的最主要因素，其中4043(AlSi5)焊丝的焊接接头力学性能优于4047和5356，从而说明硅含量在5％左右的铝合金焊丝的焊接性较好，铝硅焊丝(4043)熔点低，熔融液态铝在钢表面浸湿，流动性好，湿润角小，有利于焊缝的成型。结果表明：7075系列铝材在焊接电压13V，送丝速度6.0～7.0m/min，焊接速度6.5～7.0mm/s，偏离距离1.5～2.5mm，镀锌层厚度120g/m2并用4043焊丝时可得到焊缝成型和接头性能良好的熔钎焊接头。
　　 根据前期试验结果和经验，在给定母材金属1mm厚(606l铝合金、HDG60镀锌钢板)和焊丝型号(4043)以及焊接速度的条件下，采用两种不同CMT焊接程序对铝合金和镀锌钢薄板进行熔钎焊连接试验。实验结果显示：一元化焊接程序中，焊接速度为6mm/s时弧长修正是影响焊接接头力学性能的最主要因素，非一元化焊接程序中，焊接速度为15mm/s时偏离距离是影响焊接接头力学性能的最主要因素。得到最佳的焊接工艺参数：一元化焊接程序中，送丝速度4.0～5.0m/min，弧长修正-40％～-30％，偏离距离-1.0～1.0mm；非一元化焊接程序中，送丝速度6.0～8.0m/min，焊接电压10.0～12.0和14.0～16.0V，偏离距离-1.0～1.5mm。且对焊接接接头进行横向拉伸试验，结果显示，接头断裂发生在远离热影响区的铝母材，断裂部分有颈缩现象，接头抗拉载荷达到5.0～5.2KN，接头强度高于1mm铝板与铝板搭接接头拉剪强度。