铝合金焊接材料制备研究现状与发展

铝合金焊接结构在轨道交通、航空航天、船舰等领域的广泛应用,对铝合金焊接技术的要求越来越高。铝合金焊接技术的提高,要求更高质量的焊接材料。铝合金焊接材料的制备技术,对于铝合金焊接材料质量的保证起着关键的作用。介绍了铝合金钎焊和熔化焊用焊丝的制备技术及发展现状,探讨了各制备工艺的适用性及优缺点,为铝合金焊接材料的制备提供一定的技术参考。

表面处理对铝合金焊丝气孔敏感性的影响

铝合金焊丝洁净度是影响焊缝质量的主要因素之一。研究表面处理对铝合金焊丝气孔敏感性的影响,结果表明,表面处理工艺不同,焊丝氢含量存在差异。未清洗的焊丝,氢含量最高,通过机械抛光方法制备的焊丝氢含量最低;焊丝氢含量与焊缝气孔倾向呈正相关性,随着焊丝氢含量的提高,焊缝气孔形成倾向增加。采用机械法抛光焊丝,减少焊丝氢含量,可防止焊缝气孔的产生。

铁元素对铝镁焊料晶间腐蚀的影响

目的研究Fe对铝镁焊料晶间腐蚀的影响规律,确定Fe元素的最佳含量。方法制备不同Fe元素含量的铝镁合金并进行表面处理,在3%(质量分数)Na Cl+10 m L/L HCl溶液中(35℃)浸泡24h,进行晶间腐蚀实验。通过扫描电子显微镜和光学显微镜对晶间腐蚀形貌和合金相进行分析。结果随着Fe元素含量的增加,合金试样最大腐蚀深度由133μm增加到179μm;Fe元素质量分数超过0.2%后,合金发生晶间腐蚀倾向大幅增加。引入Fe元素后,铝镁焊料合金相由α(Al)基体相+Al3Mg2相转变为α(Al)相+Al3Mg2相+Fe Al3相。随着Fe元素含量的增加,合金中富Fe相(Fe Al3)析出量增加,Fe Al3相形貌由最初的骨骼状转变为针片状和针状。Fe Al3相的增加提升了合金发生晶间腐蚀的原动力,增加了合金发生晶间腐蚀的敏感性。结论在铝镁焊料合金中引入Fe元素后,合金组织发生改变,导致合金抗晶间腐蚀能力下降。为降低合金发生晶间腐蚀的敏感性,应将Fe元素质量分数控制在0.2%以下,且越低越好。

中间层厚度对复合钎料钎焊接头强度的影响

采用中间层Cu合金厚度不同的3种CT861复合钎料钎焊低碳钢,研究不同钎料钎焊接头的组织和强度。结果表明:中间层Cu合金厚度不同,复合钎料钎焊低碳钢接头抗剪强度不同,抗剪强度随中间层厚度增加而降低。中间层Cu合金厚度为0.075 mm时复合钎料钎焊接头抗剪强度为214 MPa,Cu合金厚度为0.1 mm时复合钎料钎焊接头抗剪强度为170 MPa,Cu合金厚度为0.15 mm时复合钎料钎焊接头抗剪强度为137 MPa。可根据强度需要,选用不同厚度中间层的CT861复合钎料。

Sc对Al-Mg-Mn-Cr-Ti晶间腐蚀性能的影响

对不同稀土钪添加量的Al-Mg-Mn-Cr-Ti合金晶间腐蚀性能进行了测试,并采用OM,SEM和EDS对其组织进行了观察.结果表明,微量添加到Al-Mg-Mn-Cr-Ti合金中的Sc元素,可降低合金发生晶间腐蚀的倾向性.钪影响Al-Mg-Mn-Cr-Ti合金晶间腐蚀性能的原因是,钪的添加细化了合金凝固组织,减少了杂质元素Fe,Si等在晶界的偏聚浓度,改变了合金凝固过程中β相的形态与分布.钪的添加,使合金晶界区发生电化学腐蚀程度减弱,提高了合金晶间腐蚀抗力.

缓冲层添加方式对钢/银基钎料钎焊接头的影响

对比研究了两种缓冲层添加方式对钢/银基钎料钎焊接头组织和强度的影响。结果表明,采用复合钎料,缓冲层与钎料界面结合较好,界面洁净;预置缓冲层试样缓冲层Cu与钎料结合稍差。复合钎料钎焊接头抗剪强度高于预置缓冲层钎焊接头抗剪强度。

ER5356铝合金焊丝力学性能与PLC效应分析

对冷变形态ER5356铝合金焊丝进行不同的退火工艺处理,采用室温拉伸试验研究了退火工艺对铝合金焊丝力学性能和PLC效应的影响。结果表明,中间退火时间为1 h时,退火温度由300℃升高到400℃,铝合金焊丝PLC效应减弱,当经过350℃×1 h退火时,冷拔铝合金焊丝抗拉强度为316 MPa,断后伸长率为22%,PLC效应相对较弱;低温退火温度大于200℃时,成品焊丝会出现反常PLC效应,造成塑性变形不均匀,当经（100~200）℃×1 h的低温退火时,成品焊丝残余应力降低,强度塑性匹配良好。

5083铝合金焊接接头腐蚀性能及力学性能损失分析

采用浸泡试验和失重法研究了5083铝合金焊接接头腐蚀行为,并对接头进行室温拉伸测试,通过扫描电镜对接头进行微观形貌分析和断口分析。结果表明,5083铝合金焊接接头不同区域腐蚀性能存在显著差异。焊缝区耐腐蚀能力最差,热影响区次之,母材最耐腐蚀。焊缝区成分、组织不均、并存在残余应力,造成此区耐腐蚀性最差。焊接接头经过腐蚀后,断裂方式发生改变,接头强度损失严重。

Sc,La对Al-Mg焊料中杂质元素偏聚的调控作用

采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析和X射线衍射仪,研究了添加微量钪、镧对铝镁焊料中杂质元素偏聚的调控作用.结果表明,在铝镁焊料合金凝固过程中,铁、硅等杂质元素在晶界有偏聚效应,添加微量钪、镧可以降低铁、硅杂质在晶界的偏聚浓度.钪与镧减轻杂质元素在晶界偏聚的效果存在差别,添加钪的合金比添加镧的合金晶界处杂质元素偏聚强度明显减弱.造成这种差别的原因是,钪、镧对杂质元素偏聚的调控机制不同.

钎焊过程原位合成Al-Si-Cu合金及接头性能

Al-Si-Cu基钎料熔点低、强度高,非常适用于铝合金的钎焊。但位于三元共晶成分点附近的Al-Si-Cu合金由于含有大量的CuAl2脆性金属间化合物,无法采用常规塑性加工方法成形,因此限制了其使用范围。为克服上述不足,设计一种使用AlSi-CuAl复合焊丝在钎焊过程中原位合成Al-Si-Cu钎料的方法,并对其钎焊接头组织与性能进行研究。结果表明:采用的复合焊丝外层为AlSi合金,内层为CuAl合金粉,两者熔点接近。复合钎料的加工性能远优于同成分的Al-Si-Cu钎料。使用复合焊丝感应钎焊3A21铝合金,钎焊过程中两种合金几乎同时熔化,经瞬间保温后可充分熔合并形成Al-Si-Cu钎料,获得成分均匀、界面结合良好的钎缝,钎焊接头抗剪强度高于采用常规Al-Si-Cu钎料钎焊的接头抗剪强度。

冷轧高纯铝箔初始织构对再结晶织构的影响

高压箔经过多道次冷轧后,形成类型复杂的织构。本试验应用X射线衍射仪测定铝箔织构,定量研究了冷轧高纯铝箔常见初始织构与再结晶织构的关系。结果表明,当初始织构为高含量的S织构{123}<634>、铜织构{112}<111>和约10%的立方织构{100}<001>,较少的旋转立方{001}<110>、黄铜织构{011}<211>时,再结晶退火后立方织构含量最高。由于S织构与立方织构存在40°<111>关系,在退火过程中有利于形成立方织构。

钎料表面微结构对糊状钎剂黏附性的影响

文中采用金相显微镜、润湿角测定仪、表面张力仪等分析手段,分析了钎料表面微结构对糊状钎剂黏附性的影响.结果表明,糊状钎剂可在擦洗、擦洗+精轧两种钎料表面黏附润湿或浸湿,但不能自行铺展润湿.与擦洗钎料相比,糊状钎剂在擦洗+精轧钎料表面具有更大的接触角滞后、糊状钎剂黏附量,且黏附层分布相对均匀,收缩坑较少.糊状钎剂在擦洗、擦洗+精轧钎料表面的黏附功和黏附张力,分别为106.39,29.89和110.28,33.78m N/m.糊状钎剂在擦洗+精轧钎料表面具有更大的黏附功和黏附张力,是其表面黏附量大、黏附层均匀、收缩坑少的主要原因.

腐蚀对复合银钎料的影响

采用恒温浸泡腐蚀、电化学腐蚀、润湿铺展测试和扫描电子显微镜(SEM)、万能力学试验机等手段研究了复合银钎料中钎剂与钎料合金的腐蚀及钎料腐蚀对钎焊性能的影响。结果表明,银钎料处于含水钎剂环境中,会被钎剂腐蚀。在钎料中加入1.5%~2.5%的Sn,缩小了Ag-Cu-Zn合金中Ag-Zn相与Cu-Zn相之间的电位差,降低了两相之间的微电池效应,Sn细化Ag-Cu-Zn钎料中的共晶相,降低银钎料发生腐蚀的敏感性;用被腐蚀的银钎料钎焊钢,钎焊接头抗拉强度损失,在钎料中添加Sn可抑制损失程度。

Cu85Sn15粘结剂对铁基胎体抗弯性能的影响

为降低铁基粉末烧结温度和改善铁基胎体的力学性能,研究了Cu85Sn15粘结剂对铁基胎体抗弯强度的影响规律.采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)观察含Cu85Sn15铁基胎体T1的孔隙形貌、断口形貌和扩展路径,利用能谱分析(EDS)定性分析胎体T1的物相组成.结果表明,随着烧结温度升高,胎体T1的抗弯强度先升高后微降,在烧结温度为820~850℃时,胎体T1具有良好的强韧匹配;胎体T1断裂位置由颗粒界面向烧结颈、熔化的Cu85Sn15凝固组织转变.胎体T1孔隙的减少、致密度的增大是其强度提高的主要原因,Cu85Sn15合金软相的存在是其塑性提高的主要原因.

热能储存材料承载体钎焊

从传统能源储量有限的大背景出发,简述了太阳能的战略意义,介绍了热能储存材料的类型、作用及其承载体的结构及成型方式。以钨、钼和TZM合金为例,介绍了承载体基体的理化性质,引出了可用于钎焊热能储存材料承载体的钎料体系,并对他们的可行性进行了系统评价,提出了通过调控元素来获取理想的钎料熔点与接头组织这一解决目前技术瓶颈的方案。介绍了热能储存材料承载体所需要用到的钎焊设备——真空钎焊炉,并对钎焊炉的种类进行了详细探讨。研究表明,感应钎焊具有加热速度快、能源利用率高的特点,针对感应钎焊温度不能精确控制的缺点,引入模糊控制来实现控温,具有良好的发展前景。

BAg45CuZn钎料表面电沉积Sn工艺优化

为获得Sn含量高、润湿性佳的银基钎料,在BAg45CuZn钎料表面电沉积Sn,制备了BAg45CuZnSn钎料。以电沉积电流效率和钎料中Sn含量为指标,采用正交试验对电流密度、温度、极间距、超声波功率和频率等工艺参数进行优化,再从电沉积Sn后钎料的润湿性能角度进行优选,采用扫描电镜和工具显微镜表征电沉积Sn层的形貌并测量其厚度。结果表明:BAg45CuZn钎料表面电沉积Sn的最佳工艺为电流密度4 A/dm2,温度40℃,极间距22 mm,超声波功率240 W,超声波频率45 kHz;最佳工艺制备的Sn电沉积层表面平整、晶粒细小,阴极电流效率为67.58%,所得BAg45CuZnSn钎料中Sn含量为6.26%,钎料在316LN不锈钢表面的润湿铺展面积为375 mm2,钎料的延伸率为41%,感应钎焊316LN不锈钢接头的最大抗剪强度为176.5 MPa,与基材BAg45CuZn钎料相比,BAg45CuZnSn钎料的润湿性和塑性大幅提高。

C/C复合材料钎焊接头应力场的有限元分析

异种材料钎焊接头中的残余应力是接头连接质量低的主要原因之一。本工作基于热-弹-塑性理论,以Abaqus有限元软件为平台,采用数值模拟计算的方法,研究C/C-C/C、C/C-TiAl同种及异种材料钎焊接头残余应力状态,揭示应力分布对接头连接性能的影响。结果表明:不同钎焊接头中,等效应力大小和分布状态不同。同种材料接头中应力集中分布在钎缝和C/C复合材料钎焊面棱角处,从外向内逐渐减小;异种材料接头中,应力集中在靠近钎缝区域的C/C复合材料上,从内向外逐渐减小。影响接头性能的应力主要为钎缝轴向正应力和垂直于轴向的切应力。同种材料接头中残余应力较小,C/C复合材料受轴向拉应力几乎为零,影响其连接性能的主要是切应力。异种材料接头中残余应力较高,C/C复合材料中最大轴向拉应力分布在棱角位置,最大切应力分布在钎焊面内部。

糊状钎剂浓度对其黏附行为的影响

针对糊状钎剂在钎料表面难以均匀润湿铺展的问题,采用金相显微镜、润湿角测定仪、表面张力仪等分析设备,对不同浓度糊状钎剂在钎料表面的黏附行为进行研究。结果表明:糊状钎剂的黏附层随浓度的增大而逐渐增厚,薄黏附层发生少量收缩现象,厚黏附层发生大量下滑脱落及收缩现象。对于理想表面,不同浓度糊状钎剂的黏附张力相同。对于实际表面,表面条纹槽对糊状钎剂具有附加压力作用,附加压力是黏附层收缩发生滞后现象的主要原因。随着糊状钎剂浓度的增大,附加压力和滞后阻力减小,收缩加剧。薄黏附层收缩需满足:ΔWC≥A+ΔP,即收缩现象发生与否主要取决于黏附张力和附加压力。

熔炼方法对银熔体材料纯度、组织和电性能的影响

分析了熔炼方法对银熔体材料纯度、微观组织和电阻率的影响。对比普通熔炼方法,二次熔炼方法得到的银材料由II号银(99.95%)变成I号银(99.99%);氧含量降低至少85%以上,纯银熔体材料电阻率降低约1.54%。杂质元素主要集中在晶界处,纯银熔体材料电阻率随杂质含量的减少而减小,二次熔炼方法可有效提高纯银熔体材料质量、稳定其电学性能。

Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni钎焊钼的钎缝组织分析

采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni非晶钎料真空钎焊钼,获得Mo/Mo钎焊接头,研究钎焊过程液态钎料与母材的相互作用.结果表明,液态Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni钎料与钼发生扩散–溶解,即母材钼向钎料中的溶解和钎料组分向母材的扩散.随钎焊温度的升高,钼向钎料中溶解量增加,凝固后钼主要固溶在Ti基固溶体内;随钎焊温度的升高,发生钎料组分向母材晶间的扩散,当温度为900℃时,发生显著的晶间渗入现象.为得到良好的钎焊接头,避免母材过量溶解和晶间渗入的发生,Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni钎料真空钎焊钼温度不宜高于900℃.