焊接溫度對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.重慶工業職業技術學院機械工程學院，重慶401120；2.重慶工業職業技術學院車輛工程學院，重慶401120）

焊接溫度對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.重慶工業職業技術學院機械工程學院，重慶401120；2.重慶工業職業技術學院車輛工程學院，重慶401120）

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

溫度；微觀組織；力學性能；連接

0 前言

自20世紀90年代，能源問題成為困擾世界發展的主要問題，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注的問題。據有關數據，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%。通過對生產成本、零件質量、材料利用等幾個方面進行比較，鋁合金已成為汽車生產不可缺少的重要材料[1]。有資料表明，用鋁合金結構代替傳統鋼結構，可使汽車質量減輕30%～40%，制造發動機減輕30%，制造車輪減輕50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環保、節能、提速和運輸高效的重要途徑之一，輕量化是汽車工業節能減排的重要手段，而輕量化必然導致鋁合金在汽車上的大量應用[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，是目前應用最廣泛的有色金屬，在汽車、機械制造、船舶、鋁合金及化學工業中大量應用。在鋁合金件應用過程中，鋁合金的焊接技術研究成為金屬材料焊接領域研究的熱點之一[3-4]，哈爾濱工業大學的馮吉才老師研究了鋁合金復合板的釬焊工藝，并研究了接頭組織形貌[6]。

1 試驗材料與方法

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鋁合金的化學成分如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分及力學性能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，這種方式在工業生產中大量應用，組裝工藝簡單，生產效率高，但是這種工藝對真空度要求較高。另外5052鋁合金表面極易氧化生成Al2O3，焊接前，鋁合金應該進行嚴格的表面處理。焊接時的真空度為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 焊接結構示意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，部分區域出現了較為明顯的虛焊缺陷，焊縫邊緣出現了白色的塊狀組織，根據前期研究，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了溶蝕現象。

由圖2b可知，隨著釬焊溫度升高至610℃，釬料對母材的潤濕效果更好，所以在焊縫中基本沒有發現虛焊等缺陷，但可以明顯看出，釬料對母材的溶蝕現象相對于600℃的焊件，母材向焊縫的遷移現象更加明顯。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，相對前面的工藝，由于釬焊溫度的升高，溶蝕現象有增強的趨勢。

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為液態釬料的密度；C為母材在液態釬料中的溶度；V為液態釬料的體積；S為液、固相的接觸面積；α為母材原子在液態釬料中的溶解系數；t為液態下接觸時間[5]。

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

1.2 接頭剪切強度分析

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

釬焊溫度是釬焊過程中影響接頭強度的主要因素。一方面，釬焊溫度決定了原子的擴散能力和不同原子間的結合反應能力，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，溶蝕現象隨著釬焊溫度的升高越來越嚴重。當釬焊溫度從600℃升至610℃時，接頭強度明顯升高，這個階段，隨著釬焊溫度的升高，原子之間的反應程度出現了較大變化，強度也隨之明顯升高。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象，接頭強度出現了小幅度的降低。

圖3 試樣剪切強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暗灰色和白色，三個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階，斷面較光滑，說明在此溫度下，釬料對母材的潤濕效果不佳，而610℃和620℃兩個溫度下，接頭剪切斷口有明顯的撕裂棱，說明釬料和母材結合較好。

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 結論

（1）真空釬焊可以實現鋁合金復合板的有效連接，在接頭焊縫區域出現了溶蝕現象，斷口呈現典型的脆性斷裂形貌。（2）隨連接時間的延長，在10～30 min階段，試樣的剪切強度隨著連接時間的延長而升高，當連接時間延至40 min時，接頭強度降低。當焊接溫度為610℃、焊接時間為30 min時，接頭最高剪切強度達94 MPa。

[1]王成之.鋁硅鈦合金在汽車零部件制造使用中優勢盡顯[J].汽車零部件，2011（9）：19-20.

[2]呂偉.汽車新材料產業化路程漫漫——汽車新材料產業化現狀及未來發展的建議[J].汽車零部件，2011（3）：5-10.

[3]齊喜岑，凌澤民，郭艷，等.鋁制油冷器真空釬焊接頭缺陷特征及分析[J].熱加工工藝，2011（1）：163-165.

[4]劉懷玉，凌澤民，單慶成.釬焊溫度對AA4045/AA3003復合層焊縫組織及性能的影響[J].熱加工工藝，2010（5）：134-136.

[5]鄒僖.釬焊[M].北京：機械工業出版社，1988.

[6]李卓然，馮吉才，于捷，等.鋁合金復合板釬焊接頭組織特征[J].焊接，2005（4）：4.

Page 91體環焊殘余應力分析[J].焊接學報，2013，34（8）：85-88.

[4]倪紅芳，凌祥，涂善東.多道焊三維殘余應力場有限元模擬[J].機械強度，2004，26（2）：218-222.

[5]祝金丹，陳虎，鞏建鳴，等.殼單元應用于薄板多道焊焊接數值模擬的方法討論[J].焊接學報，2008，29（11）：105-108.

[6]Joan Caixas，Julio guirao，Angel Bayon，et al.Weld distortion prediction of the ITER Vacuum Vessel using Finite Element simulation[J].Fusion Engineering and Design，2013（88）：2011-2014.

[7]ShugenXu，WeiqiangWang.Numericalinvestigationonweld residual stresses in tube to tube sheet joint of a heat exchanger[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2013（101）：37-44.

[8]李亞娟，李午申.X80管線鋼環焊縫接頭殘余應力的數值模擬[J].焊接學報，2010，31（6）：97-101.

[9]金曉軍，霍立興，余昊明，等.雙相不銹鋼管道焊接殘余應力參數的數值模擬[J].天津大學學報，2004，37（2）：116-121.

[10]孟振虎，陳毅忠，馬平.輸油管線運行優化實用分析[J].油氣運輸，2002，21（4）：9-13.

[11]易大義.數值方法[M].北京：科學技術出版社，1984.

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，Faculty 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。