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镁合金与铝合金接触反应钎焊研究

 论文栏目:铝合金论文     更新时间:2017/3/15 16:11:33   

摘要:通过控制平均加热速度研究AZ31镁合金和6061铝合金异种金属直接接触反应钎焊。结果表明,最佳连接温度为450℃,保温5s,平均加热速度为100℃/min。焊接接头的剪切强度为35.4MPa。断裂发生在接头的界面处,断裂是脆性断裂。最佳工艺条件下减少了接头中Mg17Al12相的数量和尺寸,提高了接头的综合性能。

关键词:镁合金;铝合金;接触反应钎焊;剪切强度

伴随着镁合金在汽车制造、航空与航天之类的高端新技术方面的渐渐的推广与使用,镁合金和一些别的种类的金属之间的相连接的问题,必会变成今后镁合金焊接的最新研究方向[1]。镁合金和铝合金之间的相结合,可以把镁合金的静电屏蔽性能、机械加工性能、非常低的密度与铝合金的很好的机械强度、很好的耐腐蚀性能相结合起来[3]。又鉴于镁元素和铝元素在地下的储备量都非常丰富,所以对于镁合金和铝合金之间的焊接性能研究是非常必要的,镁合金与铝合金之间的异种金属的焊接是有很大的研究和实际意义的。海内外的很多研究者对于镁合金和铝合金之间的异种金属焊接做了研究,从电阻焊、摩擦焊、非熔化极惰性及保护焊到最新的搅拌摩擦焊、激光焊,差不多触及了焊接领域中的所有方法。熔焊被进行了很多的研究,包括了钨极氩弧焊、电子束焊,以及搅拌摩擦焊、扩散焊之类的固相焊[4-7]。对与镁合金与铝合金之间的异种金属接触反应钎焊所进行研究,以及对焊接接头组织的结构和接头性能进行分析、镁合金与铝合金之间连接原理研究,对于推进镁合金与铝合金之间的异种金属焊接接头研究和现实使用有较大的意义。本文使用AZ31镁合金和6061铝合金作为基体材料,进行了AZ31镁合金和6061铝合金之间的异种金属直接接触反应钎焊的实验,对于各种工艺条件下的接头微观组织和力学性能的变化,以及接头的裂口形貌进行了分析,为得到性能最优的接头进行了机理的探究。

1实验材料和方法

使用AZ31B变形镁合金和6061铝合金作为实验的材料,AZ31镁合金和6061铝合金之间的异种金属直接接触反应钎焊实验。镁合金材料的厚度为2.5mm,铝合金材料的厚度为3.0mm,两种合金的化学成分分别如表1和表2所示。进行焊接之前使用线切割的方法将AZ31B镁合金板和6061铝合金板分别加工成为13mm×60mm×2.5mm和13mm×60mm×3.0mm两种尺寸等待使用。焊接实验使用卧式的电阻加热炉进行加热。加热炉采用4kW电阻丝,额定电压为220V,最高工作温度为1000℃。实验过程中,炉内充入氩气对试件进行保护。由于炉腔内部不同位置的温度会有差异,因此所有实验中对炉温进行控制的热电偶放置在炉内有效加热区固定不动。先用1000#碳化硅砂纸分别将镁合金、铝合金试样的外表面打磨,用于去除试样表面的氧化膜,再用丙酮擦去试样外表面的油污。把上述镁合金试样与铝合金试样连接好后,再用不锈钢夹具夹紧来确定两式样表面的接触紧密,这样组装成AZ31/6061连接试样,放入已升至一定温度的加热炉中进行焊接。为确保实验温度准确,试样表面上连接热电偶对试件的温度进行准确测量。接头连接方法如图1所示。焊接完毕,迅速取出试样,水冷至室温。实验中需要首先对空炉进行加热直到600℃,在通氩气并且炉温稳定后再进行连接实验。对于空炉内的温度进行事先的调整,就可以得到不同的加热的速度。试件到达设定温度后,利用炉腔内部不同位置温度的差异,通过托架移动试件在炉内的位置来获得某一准确温度下5s的保温。连接温度450℃,保温时间5s,平均加热速度80、100和120℃/min。焊接结束后采用电子万能实验机对接头的剪切强度进行测试,拉伸速度为0.5mm/min,取3个测试结果的平均值做为最后的结果。剪切测试示意图如图2所示。

2实验结果与分析

2.1AZ31/6061接头宏观形貌

图3为3种不同平均加热速度条件下获得的AZ31镁合金和6061铝合金异种金属直接接触反应钎焊接头实物图,其中图3(a)所示为AZ31镁合金和6061铝合金接头侧面图。由图可以看到接头侧面处均有均匀细小液滴出现,表明接头界面处已发生宏观均匀一致接触反应,反应程度控制适中,质量良好,说明焊接工艺参数选择合理。图3(b)所示为AZ31镁合金和6061铝合金接头的正面,能够看出搭接的良好,试件平整,没有弯曲之类的缺陷。

2.2加热速度对于焊接接头组织的影响

图4为AZ31镁合金和6061铝合金直接接触反应钎焊的接头在连接温度为450℃,保温时间为5s,平均的加热速度分别为80、100和120℃/min时的金相组织照片。图4(a)中,平均加热速度为80℃/min时,焊接接头的分界面区域由偏向于镁基体侧及心部的菊花状共晶组织和靠近铝基体侧的粗大柱状晶以及与其相连平直层状组织构成。根据镁-铝二元合金相图可知,镁-铝的直接接触在界面处主要产物为镁-铝系金属间化合物。偏向于镁基体侧和中心的菊花状组织为镁基固溶体与Mg17Al12合成的共晶组织,紧邻共晶组织的柱状晶应为Mg17Al12单相,而靠近铝基体侧平直层状组织应为Al3Mg2相。因为加热的速度比较缓慢,界面所有区域有足够的时间进行互相接触和反应,得到的共晶液相比较多,所得到的液相也有足够的时间在接头分布,所以得到的接头连接区域共晶组织所占的比例相对较大并且界面平整,组织均匀。图4(b)是平均加热速度为100℃/min时焊缝的组织形貌,它的接头界面区域由偏向于铝基体的灰白色的相(应为Al3Mg2相),偏向于镁基体的黑灰色的共晶组织(应为镁基固溶体与Mg17Al12合成的共晶组织)及两种组织之间的一层柱状晶(应为Al3Mg2相)构成。因为加热的速度快,界面接触处每个点一开始的状态都不相同,一些接触的紧密,扩散发生的快,反应得到的液体相出现比较快、比较多;相反情况下,反应得到的液相出现比较慢、比较少。并且得到的反应液相还没有足够的时间来进行均匀分布,焊接接头的界面参差不齐。当加热速度提升到120℃/min,如图4(c)所示,它的接头形貌和加热速度为100℃/min时焊缝的组织形貌很相同,只是由于加热速度过快,接头界面各处扩散及反应不均匀现象更明显,共晶组织变得更少。

2.3AZ31/6061接头力学性能分析

对上述3种接头进行剪切强度测试,从断裂接头的宏观观察发现接头断裂发生在接头反应区。表3所示为连接温度450℃,保温时间5s,三种不相同的平均加热速度时,AZ31镁合金和6061铝合金直接接触反应钎焊得到的焊接接头的剪切强度的测试结果。能够发现伴随着平均加热速度的升高,焊接接头的剪切强度先升高,当平均加热速度达到100℃/min时,得到了最高值35.4MPa。这是因为加热速度的升高降低了基体界面之间的接触时间,降低了了镁、铝元素之间的扩散量,遏制了使接头性能降低的镁-铝系金属间化合物的产生;同时加热速度的提高减少了基体氧化,提高了接头质量。然而伴随着平均加热速度逐渐的升高,焊接接头的剪切强度开始降低,这是由于当加热速度升高到达一定水平时,镁、铝之间的扩散量降低,焊接接头的接触面就无法形成坚固的连接。

2.4接头断口形貌分析

对获得最高剪切强度,即平均加热速度为100℃/min时的AZ31/6061接头进行断口形貌分析,图5为接头断口形貌的扫描图片。不管是图5(a)中的镁侧断裂口,还是图5(b)中的铝侧断裂口,全部存在很多的解理台阶,这意味着焊接接头的断裂是脆性断裂。借助于对比之前焊接接头组织的分析能够得到,AZ31镁合金和6061铝合金直接接触反应钎焊接头在界面位置的主要生成物为镁-铝系金属间化合物,然而金属间化合物相都是脆性相,这会导致接头脆断。同时在镁侧断口处可以见到一些黑色孔洞,这主要是由于镁/铝基体接触界面微观上不平直,各处反应不一致,一些位置未发生共晶反应,同时也没有反应液相来填补造成的。通过接头断口形貌分析并结合接头界面组织形貌分析可知,适当提高AZ31镁合金和6061铝合金直接接触反应钎焊时的加热速度,能够降低焊接接头中脆性相Mg17Al12的多少,降低Mg17Al12相的大小,使接头性能得到一定程度的提高;换一个角度我们也能发现,鉴于镁铝之间反应的本质就是镁铝成分的过渡区,包含Mg17Al12、Al3Mg2等金属间化合物的单相区,以及镁铝基体之间的直接接触,Mg17Al12之类的脆性金属间化合物的出现是无法规避的,因而在对AZ31/6061实现连接的基础上接头性能的提高有限。

3结论

(1)各种平均加热速度环境下AZ31镁合金和6061铝合金直接接触反应钎焊焊接接头界面区都由偏向于镁基体和中心的镁基固溶体与Mg17Al12共晶组织,紧邻共晶组织的Mg17Al12柱状晶,以及靠近铝基体Al3Mg2相组成,加热速度越快,共晶组织越少。(2)剪切强度分析表明,当平均加热速度为100℃/min时,AZ31/6061直接接触反应钎焊接头强度达到35.4MPa。(3)对于焊接接头断口形貌的研究得出了,镁、铝两侧的断口中都存在很多的解理台阶,AZ31镁合金和6061铝合金直接接触反应钎焊焊接接头断裂是脆性断裂。

作者:吴浩 祁文军 单位:新疆大学机械工程学院

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