鋁與奧氏體不銹鋼的爐中釬焊工藝

趙 霞， 王永東， 孫永鑫

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.哈爾濱大電機(jī)研究所， 哈爾濱 150040)

鋁與奧氏體不銹鋼的爐中釬焊工藝

趙 霞1， 王永東1， 孫永鑫2

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.哈爾濱大電機(jī)研究所， 哈爾濱 150040)

為改善鋁和不銹鋼的焊接接頭性能，在奧氏體不銹鋼表面預(yù)鍍覆熱浸鍍鋁層，應(yīng)用爐中釬焊工藝進(jìn)行純鋁與奧氏體不銹鋼的釬焊。利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀檢測(cè)分析釬焊接頭的微觀組織，并用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)床測(cè)定其剪切性能。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的釬劑，釬縫間隙值為0.15～0.35 mm，可實(shí)現(xiàn)鋁與奧氏體不銹鋼的爐中釬焊。釬焊接頭主要分為釬縫中心區(qū)、富鋁層、鐵鋁合金層三個(gè)區(qū)域。釬縫有Si、α(Al)固溶體、FeAl2、FeAl3、CuAl2相組成。剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，釬焊接頭強(qiáng)度高于鋁母材。

爐中釬焊； 熱浸鍍鋁； 不銹鋼； 釬焊接頭

鋁及鋁合金與不銹鋼有相互彌補(bǔ)的物理化學(xué)性質(zhì)，兩者的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，如航天推進(jìn)器的熱管結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等[1]。傳統(tǒng)方法鋁及鋁合金與鋼的焊接性較差，接頭中鐵與鋁處于化合態(tài)，使焊縫的強(qiáng)度和硬度提高，塑韌性降低，接頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形開(kāi)裂[2]。

熱浸鍍鋁是比較好的鋼表面處理工藝，鍍鋁層與鋼呈冶金結(jié)合，鍍層厚度可控制，工藝較簡(jiǎn)單。爐中釬焊是把裝配好的工件置于爐中加熱進(jìn)行釬焊方法，保護(hù)氣氛可控、經(jīng)濟(jì)，可一爐多件或采用連續(xù)傳送方式批量生產(chǎn)，勞動(dòng)效率高，工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。為此，筆者通過(guò)在不銹鋼表面預(yù)鍍覆熱浸鍍鋁層來(lái)改善鋁與不銹鋼的焊接性，研究鋁與奧氏體不銹鋼爐中釬焊工藝。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)用1A50工業(yè)純鋁，熔點(diǎn)約為660 ℃，化學(xué)成分為：w(Al)=99.50%，w(Si)≤0.25%，w(Cu)≤0.05%，w(Mg)≤0.05%，w(Zn)≤0.07%，w(Mn)≤0.05%，w(Ti)≤0.05%，w(Fe)≤0.40%。采用電火花切割方法加工尺寸為100 mm×20 mm×2 mm試樣。搭焊材料用0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，熔點(diǎn)約為1 425 ℃，化學(xué)成分：w(Cr)=18.00%，w(Ni)=9.00%，w(C)≤0.08%，w(Si)≤1.00%，w(Mn)≤2.00%，其余為Fe。采用線切割方法加工試樣，尺寸為100 mm×20 mm×2 mm?？諝鉅t中釬焊使用AS-3釬料，熔點(diǎn)約為580 ℃，化學(xué)成分：w(Al)為65.00%～69.00%，w(Si)為3.00%～7.00%，w(Cu)為26.00%～30.00%，w(Mn)為0.05%，w(Mg)為0.08%。使用FA-4釬劑，白色粉末，熔點(diǎn)約為555 ℃，主要化學(xué)成分為氟鋁酸鉀。

采用SG-5-12型坩堝式電阻爐對(duì)0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱浸鍍鋁，溫度800 ℃，時(shí)間6 min。采用SX-4-10型箱式電阻爐對(duì)1A50工業(yè)純鋁和熱浸鍍鋁0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼進(jìn)行釬焊工藝實(shí)驗(yàn)，溫度620 ℃，時(shí)間20 min。用MX-2600FE型掃描電鏡觀察釬縫組織；由XD-2型X射線衍射儀測(cè)定釬縫相結(jié)構(gòu)；再由CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)床對(duì)釬焊試件進(jìn)行拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 爐中釬焊焊接工藝

2.1.1 熱浸鍍鋁

實(shí)驗(yàn)采用0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼熱浸鍍鋁的預(yù)鍍覆層工藝。工藝過(guò)程為：堿液除油—酸液除銹—助鍍—烘干—鋁液浸鍍—冷卻[3-4]。試樣的熱浸鍍鋁層表面光滑平整，無(wú)漏鍍，無(wú)夾渣，可保證釬焊時(shí)搭接間隙均勻，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.1.2 釬劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

不同的釬劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)w影響著釬料的潤(rùn)濕與鋪展以及釬焊接頭的性能，使其強(qiáng)度、脆性有著不同的變化，甚至使兩種材料無(wú)法焊接牢固，因此，選擇最佳且準(zhǔn)確的參數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)是十分必要的。圖1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)釬劑下釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕情況。由圖1可見(jiàn)，釬劑為20%時(shí)，試件上的釬料未鋪展；釬劑為30%時(shí)，試件上的釬料鋪展?。烩F劑為40%時(shí)，試件上的釬料完全鋪展；釬劑為50%時(shí)，試件有明顯的熔蝕。因此，實(shí)驗(yàn)條件下40%釬劑可保證釬料對(duì)母材良好的潤(rùn)濕與鋪展。

a w=20% b w=30%

c w=40% d w=50%

2.1.3 釬縫間隙的確定

釬縫間隙值對(duì)焊接接頭性能有影響，正確選擇釬縫間隙是獲得良好接頭的重要前提。表1列出試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂位置。

表1 不同間隙拉伸實(shí)驗(yàn)

由表1可見(jiàn)，釬縫間隙值l在0.15～0.35 mm拉伸件斷于鋁母材，說(shuō)明接頭強(qiáng)度大于母材。反之，在0.05和0.45 mm間隙時(shí)，斷于釬縫，說(shuō)明接頭強(qiáng)度低于鋁母材。分析其原因，0.05 mm間隙偏小，釬料填充困難，釬劑殘?jiān)?、氣體排出困難，釬縫不致密、不連貫。0.45 mm間隙偏大，毛細(xì)作用減弱，母材易溶蝕。在實(shí)驗(yàn)條件下，間隙值0.15～0.35 mm均可行。

2.2 釬縫組織

圖2為釬焊接頭顯微組織觀察。由圖2可見(jiàn)，釬縫由釬縫中心區(qū)、富鋁層、鐵鋁合金層構(gòu)成。釬縫中心區(qū)為網(wǎng)狀組織，富鋁層中存在針狀組織，鐵鋁合金層由不銹鋼基體向富鋁層外延生長(zhǎng)。為判定各區(qū)域組織對(duì)釬縫進(jìn)行能譜分析及物相分析[5]，見(jiàn)圖3和圖4。圖3為釬縫XRD衍射圖譜，經(jīng)標(biāo)定釬縫有Si、α(Al)固溶體、FeAl2、FeAl3、CuAl2相組成。圖4為釬焊接頭點(diǎn)能譜，能譜分析點(diǎn)1為α(Al)固溶體，釬縫中心區(qū)存在著大量的灰色網(wǎng)狀組織和少量明亮網(wǎng)狀組織，在釬縫中心區(qū)，灰色基體為α(Al)固溶體，白色樹(shù)枝狀為CuAl2(點(diǎn)3)，Si相呈骨骼狀，這三者以α(Al)-CuAl2、α(Al)-Si共晶(點(diǎn)2)形式存在。這是鋁母材與釬料發(fā)生交互結(jié)晶，從釬縫邊緣向釬縫中心區(qū)生長(zhǎng)的結(jié)果。點(diǎn)4位于鐵鋁合金層，能譜圖可見(jiàn)其主要元素為Al、Cr、Fe、Mn。這是由于釬焊時(shí)不銹鋼母材向釬料溶解，元素?cái)U(kuò)散，在釬料交界面上形成鐵鋁合金層，結(jié)合圖3物相分析可知鐵鋁合金層為FeAl3和FeAl2相。

圖2 釬焊接頭顯微組織

圖3 釬縫XRD衍射圖譜

a 顯微形貌

c 樣點(diǎn)2

d 樣點(diǎn)3

e 樣點(diǎn)4

2.3 剪切性能

按國(guó)標(biāo)GB 2649—89對(duì)釬焊接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)得接頭剪切強(qiáng)度最大值為56.7 MPa，最小值為53.8 MPa，接頭剪切強(qiáng)度與母材本身強(qiáng)度相比有所升高，接頭質(zhì)量滿足要求。

分析原因，由圖2可見(jiàn)，釬縫中心區(qū)與鋁板交互結(jié)晶，無(wú)明顯界面，因此釬縫/鋁板界面結(jié)合強(qiáng)度高。另外，因?yàn)樵诓讳P鋼表面進(jìn)行了熱浸鍍鋁預(yù)鍍覆工藝，不銹鋼/熱浸鍍鋁層界面是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高[6-7]。整個(gè)接頭各區(qū)域的組織及良好結(jié)合，保證了接頭的結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)在實(shí)驗(yàn)條件下，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%釬劑，釬縫間隙值0.15～0.35 mm，可實(shí)現(xiàn)鋁與奧氏體不銹鋼的爐中釬焊。

(2)釬焊接頭主要分為釬縫中心區(qū)、富鋁層、鐵鋁合金層三個(gè)區(qū)域。釬縫有Si、α(Al)固溶體、FeAl2、FeAl3、CuAl2相組成。

(3)剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，釬焊接頭強(qiáng)度高于鋁母材。

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 王 冬)

Furnace brazing process for aluminum and austenitic stainless steel

ZhaoXia1，WangYongdong1，SunYongxin2

(1.School of Materials Science & Engineering， Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China; 2.Harbin Institute of Large Electrical Machinery， Harbin 150040， China)

This paper presents a viable technique for improving the performance of welding joint of aluminum and stainless steel. This technique works by hot dipping aluminum alloy layer on the surface of austenitic stainless steel and brazing the pure aluminum plate and austenitic stainless steel plate using brazing process in a furnace. The technique is validated by analyzing the microstructures of the brazing joints using scanning electron microscope and X-ray diffraction, and measuring the shear properties using a universal testing machine. The results find that brazing the welding joints of the aluminum and austenitic stainless steel can be achieved by the experimental conditions associated with the selection of brazing flux with mass fraction of 40% and brazing seam gap value ranging between 0.15 mm and 0.35 mm. The brazing joints consist mainly of three zones: brazing seam center, Al-rich layer and Fe-Al layer and brazing joints are comprised of Si, α(Al) solid solution, FeAl2, FeAl3, CuAl2phase composition. The shear test shows that brazing joints gives a higher strength than aluminum base metal.

furnace brazing; hot dip aluminum(HDA); stainless steel; brazed joint

2016-10-14

黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2014C064)

趙 霞(1980-)，女，黑龍江省哈爾濱人，講師，碩士，研究方向：釬焊、金屬材料表面改性，E-mail：68010338@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.011

TG407

2095-7262(2016)06-0640-04

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