铝合金/不锈钢预涂层TIG熔钎焊工艺及界面行为研究

摘要

铝合金/不锈钢复合结构在航空航天、交通运输、国防等工业部门有着重要应用。虽然采用固相焊、钎焊等方法能够实现二者的可靠连接，但是这些方法对工艺要求苛刻且设备昂贵。相比之下，预涂层电弧熔钎焊方法适应接头形式广泛、成本低廉。因此铝合金/不锈钢预涂层TIG熔钎焊的研究具有重要意义。
　　课题选用4047铝硅焊丝作为试验用钎料。通过润湿铺展试验和实际焊接试验分析了钎剂基质及添加活性组分的特殊作用，最终利用正交试验优选出了效果良好的钎剂组分(Wt.)：钎剂基质(KAlF460～72％，K3AlF628～40%)55～58%，Zn粉10～20%，Sn粉20～30%，K2SiF6试剂2～5%。采用优选钎剂进行焊接获得的接头抗拉强度达到了113MPa。
　　在钎剂开发的基础上，考察了工艺因素对接头成形、力学性能及焊接过程稳定性的影响规律。焊接过程中焊丝填送到接头的最底部较好，液态钎料以“上坡”铺展的方式填满间隙并完成对不锈钢上表面的铺展。最终确定了适宜的工艺因素范围：α20～30°，β30～40°，G2.5～3mm，H4～6mm，钨极中心对准钢侧坡口下边或向钢侧少许偏移，I120～135A，v120～150mm/min。
　　随后采用优选的钎剂及工艺进行试验，分析了接头组织特性及力学性能，并辅以原位拉伸试验讨论了接头的断裂行为。研究结果显示，接头可以明显的分为熔焊接头和钎焊接头。在熔焊接头的组织中弥散分布着三元化合物(Fe,Mn)Al6、Al53.8Fe15.4Si30.8、Al72Fe18Si10以及少量的Fe-Al和Mg-Si二元化合物；在钎焊接头的微观组织中，界面大部分位置主要由一层化合物τ5相组成；对于界面分为两层的情况，靠近焊缝一侧主要由τ5相组成，靠近不锈钢一侧主要由η相组成；接头在断裂前无明显变形，断裂发生在钎焊界面区，对于界面分为两层的区域，断裂在η相上，对于界面只有一层的区域，层较厚时，断裂在τ5相上，层较薄时，断裂在τ5相与不锈钢之间。
　　论文的最后设计了定点燃弧试验以及填充纯铝钎料的对比试验，通过调节定点燃弧试验的燃弧时间讨论了界面层的生长行为；通过对比试验分析了钎料中Si元素的作用。分析认为，热输入较低时，界面处存在τ5相和η相两层化合物，热输入适宜时，界面处只存在τ5相，热输入过高时，界面处存在τ5相和η相两层化合物，并且两层化合物都大量生长；Si元素促进了钎料的润湿铺展，改善了界面层结构，并在一定程度上提高了接头的力学性能。

目录

铝合金/不锈钢预涂层TIG 熔钎焊工艺及界面行为研究

STUDY ON WELDING PROCEDURE ANDINTERFACE BEHAVIOR OF PRECOATING TIGWELDING-BRAZING OF ALUMINUM ALLOYAND STAINLESS STEEL

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 铝/钢熔钎焊研究现状

1.2.2 铝/钢焊接材料的研究现状

1.2.3 界面层生长行为研究

1.3 本文主要研究内容

第2章 预涂层钎剂的开发及作用分析

2.1 试验材料及方法

2.1.1 试验材料

2.1.2 试验方法

2.2 钎剂基质

2.2.1 基质选用依据

2.2.2 钎剂基质作用分析

2.2.3 焊接试验研究

2.3 活性添加组分

2.3.1 添加组分作用分析

2.3.2 多组分正交试验

2.4 本章小结

第3章 铝合金/不锈钢TIG 熔钎焊工艺

3.1 接头成形过程

3.2 坡口形式

3.2.1 铝侧坡口角α 的影响

3.2.2 钢侧坡口角β 的影响

3.2.3 对接间隙G 的影响

3.3 电弧作用位置

3.3.1 电弧高度H 的影响

3.3.2 钨极位置B 的影响

3.4 焊接热输入

3.4.1 焊接电流I 的影响

3.4.2 焊接速度v 的影响

3.5 本章小结

第4章 铝合金/不锈钢TIG 熔钎焊接头特性

4.1 试验方法

4.2 接头组织特性

4.2.1 熔焊接头微观组织

4.2.2 钎焊接头界面微观组织

4.3 接头力学性能

4.3.1 接头断裂行为

4.3.2 接头力学性能

4.4 本章小结

第5章 铝合金/不锈钢TIG 熔钎焊界面行为

5.1 试验方法

5.2 界面层生长行为

5.2.1 试验结果分析

5.2.2 界面层结构及形成过程示意图

5.3 Si 元素作用分析

5.3.1 Si 元素促进钎料润湿铺展

5.3.2 Si 元素改善界面层结构

5.3.3 Si 元素对接头性能的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

附 录

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致 谢