焊接溫度對(duì)鋁合金真空釬焊連接接頭的影響

趙柏森，白 莉，劉蒙恩，黃曉英

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶401120；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，重慶401120）

焊接溫度對(duì)鋁合金真空釬焊連接接頭的影響

趙柏森1，白 莉1，劉蒙恩2，黃曉英2

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶401120；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，重慶401120）

采用爐中真空釬焊實(shí)現(xiàn)了5052/AA4004/5052鋁合金復(fù)合板的有效連接，研究了600℃、610℃和620℃不同溫度對(duì)焊縫微觀組織和力學(xué)性能的影響。利用掃描電鏡和萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)分析了不同連接溫度的連接接頭的微觀組織和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，在610℃保溫30 min，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)73.5 MPa，抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高，呈先升高后降低的趨勢(shì)。斷口分析表明，隨著保溫溫度的升高，接頭斷口呈現(xiàn)脆性斷裂形貌。

溫度；微觀組織；力學(xué)性能；連接

0 前言

自20世紀(jì)90年代，能源問題成為困擾世界發(fā)展的主要問題，汽車作為主要的民用交通工具，在保證汽車安全的前提下，減輕汽車自重，從而降低油耗成了日益關(guān)注的問題。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，汽車重量每減少50 kg，每升燃油行駛的距離可增加2 km；汽車重量每減輕1%，燃油消耗下降0.6%～1%。通過對(duì)生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量、材料利用等幾個(gè)方面進(jìn)行比較，鋁合金已成為汽車生產(chǎn)不可缺少的重要材料[1]。有資料表明，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，可使汽車質(zhì)量減輕30%～40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)減輕30%，制造車輪減輕50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環(huán)保、節(jié)能、提速和運(yùn)輸高效的重要途徑之一，輕量化是汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要手段，而輕量化必然導(dǎo)致鋁合金在汽車上的大量應(yīng)用[2]。

另外，鋁合金具有很高的塑性，易于加工，抗腐蝕性能好，可制成各種型材、板材，是目前應(yīng)用最廣泛的有色金屬，在汽車、機(jī)械制造、船舶、鋁合金及化學(xué)工業(yè)中大量應(yīng)用。在鋁合金件應(yīng)用過程中，鋁合金的焊接技術(shù)研究成為金屬材料焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[3-4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馮吉才老師研究了鋁合金復(fù)合板的釬焊工藝，并研究了接頭組織形貌[6]。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用的材料為表面軋制上一層AA4004作為釬料的5052鋁合金，AA4004鋁合金釬料和5052鋁合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能Tab.1 Chemical composition of tested materials%

鋁合金5052表面軋制上一層厚度大約150 μm厚的AA4004釬料，這種方式在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用，組裝工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，但是這種工藝對(duì)真空度要求較高。另外5052鋁合金表面極易氧化生成Al2O3，焊接前，鋁合金應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的表面處理。焊接時(shí)的真空度為1×10-3Pa，在600℃、610℃和620℃保溫30 min，焊接示意如圖1所示。焊接材料5052鋁合金厚度為2 mm。

圖1 焊接結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of welding structure

1.1 接頭SEM分析

不同釬焊溫度下獲得的接頭顯微組織如圖2所示，由圖2a可知，在600℃保溫30 min，由于釬焊溫度較低，部分區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的虛焊缺陷，焊縫邊緣出現(xiàn)了白色的塊狀組織，根據(jù)前期研究，此組織為α-Al，中間呈花紋狀的組織為Al-Mg-Si共晶相，焊縫周邊的一部分母材出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象。

由圖2b可知，隨著釬焊溫度升高至610℃，釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕效果更好，所以在焊縫中基本沒有發(fā)現(xiàn)虛焊等缺陷，但可以明顯看出，釬料對(duì)母材的溶蝕現(xiàn)象相對(duì)于600℃的焊件，母材向焊縫的遷移現(xiàn)象更加明顯。由圖2c可以看出，隨著釬焊溫度升至620℃，大部分的α-Al相遷移至焊縫中心部位，焊縫主要由α-Al和Al-Mg-Si共晶相組成，基本沒有虛焊等缺陷，相對(duì)前面的工藝，由于釬焊溫度的升高，溶蝕現(xiàn)象有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖2 焊接接頭的SEMFig.2 SEM images of welded joints

母材在釬料中的溶解量可以表示為

式中 G為單位面積母材的溶解量；ρ為液態(tài)釬料的密度；C為母材在液態(tài)釬料中的溶度；V為液態(tài)釬料的體積；S為液、固相的接觸面積；α為母材原子在液態(tài)釬料中的溶解系數(shù)；t為液態(tài)下接觸時(shí)間[5]。

根據(jù)上述公式可知，在其他釬焊工藝參數(shù)不變的情況下，隨著釬焊溫度的升高，母材在釬料中的溶解量逐漸增大，勢(shì)必造成溶蝕現(xiàn)象更加明顯，這與微觀組織分析一致。另外，溫度升高，原子擴(kuò)散速度升高，也是造成溶蝕現(xiàn)象加劇的一部分原因。

1.2 接頭剪切強(qiáng)度分析

不同釬焊溫度下接頭的剪切強(qiáng)度分布曲線如圖3所示，600℃、610℃和620℃保溫30 min的接頭抗拉強(qiáng)度隨著釬焊溫度的升高，接頭強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)，在釬焊溫度610℃保溫30 min時(shí)，接頭強(qiáng)度最高，達(dá)到73.5 MPa。

釬焊溫度是釬焊過程中影響接頭強(qiáng)度的主要因素。一方面，釬焊溫度決定了原子的擴(kuò)散能力和不同原子間的結(jié)合反應(yīng)能力，另外一方面，隨著釬焊溫度的升高，在焊縫中，隨著不同原子的反應(yīng)，溶蝕現(xiàn)象隨著釬焊溫度的升高越來越嚴(yán)重。當(dāng)釬焊溫度從600℃升至610℃時(shí)，接頭強(qiáng)度明顯升高，這個(gè)階段，隨著釬焊溫度的升高，原子之間的反應(yīng)程度出現(xiàn)了較大變化，強(qiáng)度也隨之明顯升高。但是隨著釬焊溫度升高至620℃，由于溫度的升高，加劇了鋁合金母材的溶蝕現(xiàn)象，接頭強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅度的降低。

圖3 試樣剪切強(qiáng)度隨保溫溫度變化曲線Fig.3 Shear strength of the joints as a function in different temperature

2 斷口SEM分析

圖4為600℃、610℃和620℃不同溫度下保溫30 min接頭的剪切斷口掃描圖，接頭剪切斷口表面呈現(xiàn)暗灰色和白色，三個(gè)不同保溫溫度的接頭均為典型的脆性斷裂形貌。600℃的接頭無明顯的撕裂棱或者解理臺(tái)階，斷面較光滑，說明在此溫度下，釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕效果不佳，而610℃和620℃兩個(gè)溫度下，接頭剪切斷口有明顯的撕裂棱，說明釬料和母材結(jié)合較好。

圖4 不同保溫溫度接頭的剪切斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of samples bonded for different temperature

3 結(jié)論

（1）真空釬焊可以實(shí)現(xiàn)鋁合金復(fù)合板的有效連接，在接頭焊縫區(qū)域出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象，斷口呈現(xiàn)典型的脆性斷裂形貌。（2）隨連接時(shí)間的延長(zhǎng)，在10～30 min階段，試樣的剪切強(qiáng)度隨著連接時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，當(dāng)連接時(shí)間延至40 min時(shí)，接頭強(qiáng)度降低。當(dāng)焊接溫度為610℃、焊接時(shí)間為30 min時(shí)，接頭最高剪切強(qiáng)度達(dá)94 MPa。

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Influence of welding temperature on the joint of vacuum brazing for aluminum alloy composite sheet

ZHAO Bosen1，BAI Li1，LIU Mengen2，HUANG Xiaoying2
（1.Chongqing Industry Polytechnic College，Mechanic Engineering College，Chongqing 401120，China；2.Chongqing Industry Polytechnic College，F(xiàn)aculty of Vehicle Engineering，Chongqing 401120，China）

5052/AA4004/5052 composite sheet of aluminum alloy is jointed by vacuum brazing.The influence of temperatures of 600℃，610℃and 620℃on the microstructure and mechanical properties of welds is studied.The joints in different temperatures are investigated for microstructure features，chemical component analysis of welding material and mechanical properties by scanning electron microscopy and universal tensile testing machine.The results show that when keeping the temperature at 610℃ for 30 min，the maximum tensile strength of the joint is 73.5 MPa.The fractures analysis shows that the joint fracture appears brittle fracture morphology.

temperature；microstructure；mechanical property；joining

TG453.9

：A

1001-2303（2015）09-0092-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.20

2014-11-10

趙柏森（1975—），男，重慶人，副教授，主要從事材料加工的研究工作。