铝/钢异种金属电弧熔钎焊焊接接头性能研究

摘要

本文采用脉冲旁路耦合电弧GMAW焊(Pulsed Double-electrode gas metal arc welding，Pulsed DE-GMAW)的方法对铝/钢异种金属进行了熔钎焊。
　　深入研究了合金元素Si和Zn对铝/钢异种金属熔钎焊焊接接头组织的影响；研究了合金元素Si和Mg对焊接接头力学性能及断裂行为的影响；并对铝/钢焊接接头的腐蚀性能进行了研究,在此基础上进一步研究了退火热处理对焊接接头腐蚀性能的影响；最后，对铝/钢焊接接头的疲劳性能进行了初步探索。
　　用Al-Si铝合金焊丝对5052铝合金/镀锌钢异种金属进行了搭接焊。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对所获得的铝/钢连接界面进行了分析与研究，发现焊接接头焊趾处是一个锌的富集区，通过对该区域组织进行分析发现焊趾处的物相由靠近钢侧的Fe2Al5Zn0.4和焊缝中的Al-Zn固溶体组成。焊缝中的硅元素参与了界面处化合物层的反应并生成了Al8Fe2Si三元金属间化合物，该三元金属间化合物沿着焊缝侧金属间化合物FeAl3的边缘分布。进一步线扫描发现硅元素在整个界面反应层中有明显富集现象。此外，在测试结果的基础上对Fe-Al-Si三元金属间化合物的生长过程进行了探讨。
　　分别用Al-Si、Al-Mg铝合金焊丝对5052铝合金/镀锌钢异种金属进行了搭接焊。对铝/钢连接界面、接头断裂行为及断口形貌进行了分析与研究，发现 Al-Mg焊丝焊接接头的浸润角要大于Al-Si焊丝焊接接头的浸润角，合金元素Si既可改变界面反应层金属间化合物的形态同时还可显著减少 Fe2Al5层的厚度。通过拉伸试验发现 Al-Mg焊丝焊接接头主要断裂于界面反应层，属于脆性断裂；Al-Si焊丝焊接接头主要断裂于铝熔合区，是以韧性断裂为主的混合断裂。对Al-Si焊丝焊接接头的显微硬度测试发现铝热影响区组织的显微硬度明显低于其它区域的显微硬度，这导致Al-Si焊丝焊接接头主要断裂于铝熔合区。
　　分别用Al-Si、Al-Mg铝合金焊丝对铝合金1060/镀锌钢异种金属进行了搭接焊。通过浸泡腐蚀试验和电化学腐蚀试验对焊接接头的腐蚀性能进行了研究，用SEM对腐蚀试验后焊接接头的腐蚀形貌进行了观察与分析。浸泡腐蚀试验发现，浸泡在腐蚀介质中的焊接接头发生了电偶腐蚀，焊接接头的钢基体发生了全面腐蚀但焊缝金属只发生了轻微腐蚀且随着焊接过程中对母材热输入的增大焊接接头的腐蚀速率增加。铝/钢焊接接头界面反应层的Al-Fe金属间化合物与钢基体及焊缝金属会产生电偶腐蚀降低焊接接头的腐蚀性能，因此，该Al-Fe金属间化合物的形成需要去避免。通过对比分析不同焊丝焊接接头的腐蚀性能发现，Al-Si焊丝焊接接头的腐蚀速率要略大于Al-Mg焊丝焊接接头的腐蚀速率。电化学腐蚀试验发现焊接接头锌的富集区最容易发生腐蚀，同时，在测试结果的基础上对焊接接头锌的富集区进行了面扫描，结果表明在锌富集区锌含量较高的区域其腐蚀最为严重。
　　用Al-Si铝合金焊丝对铝合金1060/镀锌钢异种金属进行了搭接焊，分别在270℃、350℃下对铝/钢焊接接头进行了退火处理。通过对比退火前后铝/钢焊接接头的腐蚀性能发现，退火处理后铝/钢焊接接头的腐蚀性能有所下降，且退火温度越高，接头腐蚀性能的下降越显著。通过对比退火前后焊接接头不同区域的组织发现，退火热处理后焊接接头焊缝金属中的合金元素发生了均匀化扩散，尤其是合金元素 Si的扩散非常明显，这使得焊缝金属的腐蚀电位变得稳定导致焊缝金属与钢基体之间的电偶腐蚀更显著，降低焊接接头的腐蚀性能。另一方面，在350℃退火处理后焊接接头富锌区界面反应层的金属间化合物明显变厚，同样会使接头的电偶腐蚀加剧降低接头的腐蚀性能。研究发现退火热处理对焊接接头不同区域组织的显微硬度有所影响，退火处理后焊接接头界面反应层附近镀锌钢侧的显微硬度明显下降；350℃退火处理后焊接接头富锌区的显微硬度明显变高，270℃退火后焊接接头富锌区的显微硬度与退火前相比没有明显的变化。
　　用Al-Si铝合金焊丝对5052铝合金/镀锌钢异种金属进行了搭接焊，研究了焊接热输入对铝/钢焊接接头疲劳性能的影响。研究发现，焊接过程中的焊接热输入越大，接头的疲劳性能就越差；通过分析焊接接头的疲劳断裂形式发现接头的疲劳断裂几乎全部发生于铝熔合区。在此基础上，用SEM、EDS对接头的疲劳断口进行了观察与分析，其断口主要由α-Al区、Al-Si共晶体区、Zn-Al固溶体区组成。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 铝/钢异种金属熔钎焊研究现状

1.3铝/钢异种金属焊接接头性能研究

1.4 退火工艺对铝/钢焊接接头组织及性能的影响

1.5 脉冲旁路耦合电弧焊

1.6 本文研究内容及主要创新性

第2章 Si和Zn对铝/钢熔钎焊焊接接头界面组织的影响

引言

2.1 试验方法

2.2 试验结果与分析

2.3 Al-Fe-Si金属间化合物生长过程

2.4 结 论

第3章 Si和Mg对铝/钢熔钎焊焊接接头力学性能的影响

引言

3.1试验方法

3.2 试验结果与分析

3.3 结 论

第4章 铝/钢异种金属电弧熔钎焊焊接接头腐蚀性能研究

引言

4.1试验方法

4.2 试验结果与分析

4.3 结 论

第5章 退火热处理对铝/钢焊接接头性能的影响

引言

5.1 试验方法

5.2 试验结果与分析

5.3 结 论

第6章 铝/钢焊接接头疲劳性能研究

引言

6.1 试验方法

6.2 试验结果与分析

6.3 结 论

结论

参考文献

致谢

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