LF2/LD7鋁合金管板高頻感應(yīng)釬焊工藝研究

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

現(xiàn)代工業(yè)中鋁及鋁合金的焊接方式很多，包括浸沾釬焊、真空釬焊、保護(hù)氣氛釬焊、熔化焊和攪拌摩擦焊等。在 LF2/LD7異種鋁合金管板焊接時(shí)，上述焊接方式會(huì)出現(xiàn)焊接操作復(fù)雜、焊接成本高、焊接接頭強(qiáng)度低、壽命短等問(wèn)題[1—12]。高頻感應(yīng)釬焊具有高效、控制精確、低污染等特點(diǎn)，是一種環(huán)保型釬焊方法[13]。高頻感應(yīng)加熱釬焊充分利用局部感應(yīng)電流產(chǎn)生焦耳熱對(duì)工件加熱，連接高強(qiáng)度部件，高頻加熱可以減少工件變形，降低或消除工件接頭燒損，并且小件管板結(jié)構(gòu)的高頻感應(yīng)釬焊的焊接過(guò)程具有可視性[14—16]。高頻感應(yīng)加熱釬焊是一項(xiàng)傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)，在生產(chǎn)中的許多方面都有運(yùn)用，目前對(duì)異種鋁合金的高頻感應(yīng)釬焊焊接研究比較少，尤其針對(duì) LF2/LD7異種鋁合金的高頻感應(yīng)釬焊研究[17]。異種鋁合金高頻感應(yīng)釬焊研究，為實(shí)際焊接生產(chǎn) LF2/LD7異種鋁合金部件焊接工藝參數(shù)提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料及方法

LD7板厚度為5 mm，孔直徑為9.8 mm，管外徑為9.6 mm，內(nèi)徑為8.6 mm。母材LF2鋁合金管化學(xué)成分見(jiàn)表1，LD7鋁合金板化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 LF2鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of LF2 aluminum alloy (mass fraction) %

表2 LD7鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of LD7 aluminum alloy (mass fraction) %

釬料YX-110為Al-Zn-Ag-Ni合金，絲狀自釬劑釬料，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Al，0.55%的Ag，0.45%的Ni，余量為Zn。釬劑QJ201去氧化膜能力強(qiáng)，熔點(diǎn)低，適合高頻感應(yīng)釬焊，因此，采用 QJ201作為試驗(yàn)釬劑。試驗(yàn)通過(guò)控制電流I，加熱時(shí)間t，確定最佳工藝參數(shù)，并添加碳棒輔助感應(yīng)加熱試驗(yàn)，獲得不同參數(shù)釬焊接頭，制備金相試樣，觀察分析焊接參數(shù)對(duì)微觀組織的影響，腐蝕劑采用Keller試劑，其中 H2O∶HNO3∶HCl∶HF=95.0∶2.5∶1.5∶1.0。測(cè)試微觀硬度，分析釬焊接頭硬度分布，測(cè)試參數(shù)為加載載荷100 g，加載時(shí)間10 s。

2 結(jié)果及分析

2.1 高頻感應(yīng)電流對(duì)釬焊接頭微觀組織的影響

LD7鋁合金板上表面到感應(yīng)線圈距離D=7 mm、加熱時(shí)間t=100 s，改變電流I，得到釬焊接頭的微觀組織見(jiàn)圖1。高頻感應(yīng)電流對(duì)微觀組織有明顯影響。釬焊接頭正面組織低熔共晶體比接頭反面組織少，原因是集膚效應(yīng)在接頭正面產(chǎn)生的感應(yīng)電流大，產(chǎn)生的熱量多，有更大機(jī)會(huì)生成低熔共晶體，并且在釬焊接頭正面存在未釬透現(xiàn)象。分析認(rèn)為，較大電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流同樣增大，由Q=I2Rt（焦耳）可知，產(chǎn)生的熱量多，并且單位時(shí)間熱量輸入大，因此，釬料與釬劑幾乎同步熔化，這將抑制釬劑去除氧化膜的作用，以至于釬料很難流動(dòng)、潤(rùn)濕釬縫，出現(xiàn)未釬透現(xiàn)象，在釬縫中存在不同的缺陷，電流I=28 A時(shí)，僅存在氣孔缺陷，電流I=30 A時(shí)，既存在氣孔缺陷又存在未釬透。

圖1 電流對(duì)接頭顯微組織影響Fig.1 Effect of current on microstructure of joint

2.2 加熱時(shí)間對(duì)釬焊接頭微觀組織的影響

LD7鋁合金板上表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm、感應(yīng)電流I=28 A，改變加熱時(shí)間t得到釬焊接頭的顯微組織見(jiàn)圖2。加熱時(shí)間t增加，晶粒大小沒(méi)有明顯變化，組織間低熔共晶體數(shù)量變化不大，但有明顯增加的趨勢(shì)。釬焊接頭正面組織比反面組織晶粒粗大，但正面低熔共晶體的數(shù)量比反面少。由此可知，改變感應(yīng)加熱時(shí)間t，對(duì)接頭組織的影響不大。

圖2 加熱時(shí)間對(duì)釬焊接頭的影響Fig.2 Effect of heating time on brazing seams

2.3 碳棒輔助對(duì)釬焊接頭微觀組織的影響

LD7鋁合金板上表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm、感應(yīng)電流I=28 A、加熱時(shí)間t=140 s，獲得釬焊接頭與同參數(shù)下添加碳棒輔助獲得釬焊接頭的微觀組織，如圖3所示。當(dāng)添加碳棒輔助釬焊時(shí)，接頭釬焊微觀組織晶粒細(xì)小，低熔共晶體數(shù)量較多，并且添加碳棒輔助時(shí)釬焊接頭的正面組織晶粒比接頭反面組織晶粒粗大，正面組織低熔共晶體的數(shù)量比反面組織低熔共晶體少。碳棒輔助改善了感應(yīng)電流的分布，使管板結(jié)構(gòu)受熱較均勻，釬焊接頭晶粒細(xì)小，低熔共晶體的含量增加。

圖3 碳棒輔助對(duì)釬焊微觀組織的影響Fig.3 Effect of carbon-rod assistance on brazing microstructure

對(duì)在電流I=35 A、加熱時(shí)間t=90 s、LD7板上表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm的條件下，添加碳棒輔助的試樣進(jìn)行能譜分析。EDS元素分析釬縫組織兩種明顯不同相的元素組成，如圖4所示，分別選擇a中1區(qū)域和b中2區(qū)域。

圖4 釬縫區(qū)域EDS元素分析結(jié)果Fig.4 EDS element analysis results of brazing seam area

表3 EDS元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Element analysis results of EDS area(mass fraction) %

EDS元素分析結(jié)果見(jiàn)表3，1, 2區(qū)域元素成分差異明顯，1區(qū)域鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(68.81%)高出2區(qū)域鋁元素(55.38%)13.43%，1區(qū)域鋅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(31.19%)高出2區(qū)域鋅元素(22.45%)8.74%，變化最顯著的是氧元素，1區(qū)域不含氧元素，而2區(qū)域含氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)22.18%。對(duì)比含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Al，0.55%的Ag，0.45%的Ni，余量為Zn的釬料YX-110，1區(qū)與2區(qū)鋅含量均低于釬料鋅含量，可推測(cè)鋅含量對(duì)釬縫區(qū)硬度影響不大。

2.4 工藝參數(shù)對(duì)接頭顯微硬度的影響

高頻感應(yīng)釬焊參數(shù)：固定距離D=7 mm，控制電流大小和高頻感應(yīng)時(shí)間獲得不同焊接接頭，在400倍顯微鏡下觀察到的壓頭壓痕，如圖5所示，a為L(zhǎng)D7鋁合金板材，b為釬縫區(qū)域，c為L(zhǎng)F2鋁合金管材。在相同倍率下，明顯能看出LF2鋁合金壓痕明顯大于LD7鋁合金壓痕，LD7鋁合金壓痕大于釬縫區(qū)域壓痕，根據(jù)壓痕大小可以定性判斷顯微硬度：LF2＜LD7＜釬縫區(qū)域。

圖5 接頭顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of joints.

固定距離D=7 mm，改變電流和加熱時(shí)間獲得不同參數(shù)下釬焊接頭，每個(gè)接頭選擇兩個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試（1A, 2A代表添加碳棒輔助的1,2兩不同區(qū)域），各區(qū)域顯微組織硬度見(jiàn)圖 5。其中，LD7鋁合金板材區(qū)域組織硬度在HV90～HV110；LF2鋁合金管材區(qū)域組織硬度在HV40～HV50；而釬縫區(qū)域硬度明顯增高，釬縫區(qū)域組織硬度在HV130～HV170左右，釬縫區(qū)域組織硬度是 LD7鋁合金板材區(qū)域組織硬度的1.4倍，是LF2鋁合金管材區(qū)域組織硬度3倍多。釬縫區(qū)域硬度隨加熱時(shí)間變化明顯，相同電流大小，加熱時(shí)間越大，釬縫區(qū)域組織硬度越小。工藝參數(shù)為電流I=28 A、加熱時(shí)間t=80 s、LD7板上表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm時(shí)，釬縫區(qū)的平均硬度值最大，硬度最大值為HV173.2，最小硬度值為HV165.9；添加碳棒輔助，釬縫區(qū)硬度值出現(xiàn)了很大的波動(dòng)，最大硬度值為HV153.3，最小硬度值為HV102.8。

電流I=28 A、加熱時(shí)間t=80 s、LD7板上表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm時(shí)，高頻感應(yīng)釬焊能夠獲得最高硬度值的釬縫，添加碳棒輔助后組織硬度降低，碳棒輔助使組織產(chǎn)生了大量的低硬度低熔共晶體，而低熔共晶體大小不一、分布不均，因此顯微硬度波動(dòng)較大，且硬度較低。

3 結(jié)論

1)LF2/LD7異種鋁合金管板結(jié)構(gòu)高頻感應(yīng)釬焊，最佳工藝參數(shù)如下：LD7鋁合金板表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm，電流I=28 A，加熱時(shí)間t=80～140 s。

2)當(dāng)工藝參數(shù)為：LD7鋁合金板表面到感應(yīng)線圈的距離D=7 mm，電流I=28 A，加熱時(shí)間t=80～140 s時(shí)，釬焊接頭的釬縫正反面釬料填縫均勻。當(dāng)電流I=35 A，其他焊接參數(shù)不變時(shí)，添加碳棒輔助可以改變管板形貌，明顯降低管燒損程度。

3)延長(zhǎng)加熱時(shí)間、增大電流值以及添加碳棒輔助，組織低熔共晶體含量增多，晶粒細(xì)小，釬縫組織的顯微硬度高于母材的硬度。